iOS底层—OC对象的本质与isa

CC老师

发布于 2022-01-11 16:11:47

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代码可运行

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我们已经学习了对象的初始化、内存对齐等内容。这篇文章将深入学习探究对象的本质、对isa进行分析。

学习对象本质之前，先引入一个工具clang。

一.clang

1.什么是clang

Clang是⼀个C语⾔、C++、Objective-C语⾔的轻量级编译器。源代码发布于BSD协议下。Clang将⽀持其普通lambda表达式、返回类型的简化处理以及更好的处理constexpr关键字。

lang是⼀个由Apple主导编写，基于LLVM的C/C++/Objective-C编译器。

2013年4⽉,Clang已经全⾯⽀持C++11标准，并开始实现C++1y特性（也就是C++14，这是 C++的下⼀个⼩更新版本）。Clang将⽀持其普通lambda表达式、返回类型的简化处理以及更好的处理constexpr关键字。

Clang是⼀个C++编写、基于LLVM、发布于LLVM BSD许可证下的C/C++/Objective-C/ Objective-C++编译器。

它与GNU C语⾔规范⼏乎完全兼容（当然，也有部分不兼容的内容，包括编译命令选项也会有点差异），并在此基础上增加了额外的语法特性，⽐如C函数重载（通过__attribute__((overloadable))来修饰函数），其⽬标（之⼀）就是超越GCC。

2.clang的作用

那么clang应该学习什么呢？做什么呢？

因为OC是C、C++的超集，通过clang可以将m文件编译成cpp文件，这样我们可以了解更多的关于底层的实现原理。

3.clang的使用方式

clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp —— 把⽬标⽂件编译成c++⽂件

UIKit报错问题

clang-rewrite-objc-fobjc-arc-fobjc-runtime=ios-13.0.0-isysroot/ Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/ iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator13.0.sdk main.m

xcrun命令

xcode安装的时候顺带安装了xcrun命令，xcrun命令在clang的基础上进⾏了⼀些封装，要更好⽤⼀些。

xcrun-sdkiphonesimulatorclang-archarm64-rewrite-objcmain.m-omain-arm64.cpp (模拟器)

xcrun -sdk iphoneos clang-archarm64-rewrite-objcmain.m-omain-arm64.cpp (⼿机)

二.探索对象的本质

1.使用clang编译生成cpp文件

直接上代码！引入一个案例，在main.m文件中添加GFPerson类的声明和实现，如下图所示：

打开系统终端，进入main.m文件所在目录，运行命令 clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp

执行指令后，即可编译生成一个main.cpp文件。

2.cpp文件解读

打开运行指令后编译生成的cpp文件，文件很长，从我们自定义的类GFPerson开始寻找！

GFPerson对象

全局搜索GFPerson，获得以下核心代码：

// GFPerson结构体声明
typedef struct objc_object GFPerson;
typedef struct {} _objc_exc_GFPerson;
#endif

// GFPerson_IMPL结构体实现
struct GFPerson_IMPL {
  struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
        NSString *_name;
};

/* @end */
// @implementation GFPerson
// @end

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解读代码:

定义了一个别名GFPerson，该别名指向struct objc_object类型；
在结构体实现GFPerson_IMPL中，有一个成员变量NSObject_IVARS，来自所继承的结构体，也就是isa；另一个成员变量是_name，也就是GFPerson的属性，和OC层面定义是一致的。

NSObjec对象

根据NSObject_IMPL进行搜索，获取NSObject类的声明和实现等相关内容。

// NSObject结构体声明
typedef struct objc_object NSObject;
typedef struct {} _objc_exc_NSObject;
#endif

// NSObject实现-对象
struct NSObject_IMPL {
  Class isa;
};

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解读代码:

定义别名NSObject，同样指向struct objc_object类型。
在NSObject结构体实现中，有一个Class类型的成员变量isa；

底层结构关系

进一步搜索Class的定义和objc_object的定义，见下面代码：

// Class定义 - 指向objc_class的指针 
typedef struct objc_class *Class;

// objc_object定义 - 根类定义
struct objc_object {
    Class _Nonnull isa __attribute__((deprecated));
};

// id的定义指向objc_object的指针
typedef struct objc_object *id;

// SEL 方法编号，方法选择器指针
typedef struct objc_selector *SEL;

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解读代码:

OC层面的NSObject，在底层对应objc_object结构体；
子类的isa均继承自NSObject，也就是来自objc_object结构体；
Objective-C中NSObject是大多数类的根类，而objc_object可以理解为就是c\c++层面的根类。
isa的类型为Class，被定义为指向objc_class的指针。
在开发中可以用id来表示任意对象，根本原因就是id被定义为指向objc_object的指针，也就指向NSObject的指针。
SEL方法选择器指针，方法编号。

通过上面的分析，可以得出以下结构关系：

get\set方法

GFPerson类的属性，自动添加get\set方法。见下面代码：

static NSString * _I_GFPerson_name(GFPerson * self, SEL _cmd) { return (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_GFPerson$_name)); }
extern "C" __declspec(dllimport) void objc_setProperty (id, SEL, long, id, bool, bool);

static void _I_GFPerson_setName_(GFPerson * self, SEL _cmd, NSString *name) { objc_setProperty (self, _cmd, __OFFSETOFIVAR__(struct GFPerson, _name), (id)name, 0, 1); }

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通过以上代码可以发现，无论是get方法还是set方法，都会有两个隐藏参数，self和_cmd，也就是方法接收者和方法编号。在获取属性时，采用指针平移的方式，获取成员变量所在地址，转换后返回对应的数值。

objc_setProperty，在对实例变量进行设置时，会自动调用objc_setProperty方法。该方法可以理解为set方法的底层适配器，通过统一的封装，实现set方法的统一入口。

在runtime源码中，搜索objc_setProperty，可以找到最终实现方法，见下段代码：

static inline void reallySetProperty(id self, SEL _cmd, id newValue, ptrdiff_t offset, bool atomic, bool copy, bool mutableCopy)
{
    if (offset == 0) {
        object_setClass(self, newValue);
        return;
    }

    id oldValue;
    id *slot = (id*) ((char*)self + offset);

    if (copy) {
        newValue = [newValue copyWithZone:nil];
    } else if (mutableCopy) {
        newValue = [newValue mutableCopyWithZone:nil];
    } else {
        if (*slot == newValue) return;
        newValue = objc_retain(newValue); // retain新值
    }

    if (!atomic) {
        oldValue = *slot;
        *slot = newValue;
    } else {
        spinlock_t& slotlock = PropertyLocks[slot];
        slotlock.lock();
        oldValue = *slot;
        *slot = newValue;        
        slotlock.unlock();
    }

    // 释放旧值
    objc_release(oldValue);
}

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本质是通过指针平移找到成员变量位置，然后进行新值的retain，旧值的release。

cpp内容补充

除了我们最关心的对象的定义外，在cpp文件中，还可一看到ro、rw、协议、分类、方法等内容的定义。

分类的定义。包括分类名称、关联的类、实例方法列表、类方法列表等信息。

struct _category_t {
  const char *name; // 名称
  struct _class_t *cls; // 关联的类
  const struct _method_list_t *instance_methods; // 实例方法
  const struct _method_list_t *class_methods; // 类方法
  const struct _protocol_list_t *protocols; // 协议
  const struct _prop_list_t *properties; // 属性
};

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方法或函数的定义。Method是一个objc_method结构体，包括方法编号selector、type encoding、方法实现地址。

struct _objc_method {
  struct objc_selector * _cmd; // 方法编号
  const char *method_type; // type encodings
  void  *_imp; // 方法实现地址
};

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其中_cmd和_imp比较熟悉，方法编号和方法实现，那么method_type是什么呢？在苹果开发者官网，可以找到对应的type encodings对照表。

如本例中GFPerson的方法列表：

static struct /*_method_list_t*/ {
  unsigned int entsize;  // sizeof(struct _objc_method)
  unsigned int method_count;
  struct _objc_method method_list[4];
} _OBJC_$_INSTANCE_METHODS_GFPerson __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {
  sizeof(_objc_method),
  4,
  {{(struct objc_selector *)"name", "@16@0:8", (void *)_I_GFPerson_name},
  {(struct objc_selector *)"setName:", "v24@0:8@16", (void *)_I_GFPerson_setName_},
  {(struct objc_selector *)"name", "@16@0:8", (void *)_I_GFPerson_name},
  {(struct objc_selector *)"setName:", "v24@0:8@16", (void *)_I_GFPerson_setName_}}
};

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以name属性的get方法为例:@16@0:8

@：表示返回值，一个object对象，这里是NSString *类型；
16：函数的传入的所有参数的字节数之和为16，因为有两个隐藏参数GFPerson *
self和SEL _cmd，所以一共16个字节；
@：第一个参数类型为id型，GFPerson * self；
0：前面的参数起始的字节位置(从0开始)；
:：第二个参数类型为sel，SEL _cmd；
8：前面的参数起始的字节位置(从8开始)。

对象本质总结

通过工具clang，编译生成的cpp文件，我们可以发现，对象实质是一个结构体。在OC层，NSObject是大多数类的根类，而objc_object可以理解为就是c\c++层面的根类。

NSObject仅有一个实例变量Class isa，Class实质上是指向objc_class的指针。objc_class的定义见下面的代码：

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags

    class_rw_t *data() const {
        return bits.data();
    }
    void setData(class_rw_t *newData) {
        bits.setData(newData);
    }

    …… 省略
}

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objc_class继承自objc_object，所以万物皆对象！

三.联合体位域简述

在学习isa之前，先了解一下联合体以及位域。

1.位域

引入一个案例，定义一个结构体Car，体现车的运动方向，见下面代码：

这样看上去是可以满足的的业务需求的，但是这里有个问题，这个结构体需要占用4个字节32位，使用4个字节去体现一个单一功能有些浪费空间。理论上，一个字节就可以体现车的运动状态，改进一下，见下图：

这里使用了位域，用位来体现一个功能，比如有值就是用1，没有值就是用0。BOOL front : 1;表示front占用一位，这样体现一个车辆的状态只需要4位即可，这样整体需要一个字节即可满足要求！

2.结构体特点

同样引入一个案例！见下图：

上面的案例中定义了一个结构体Person1，char * name占用8个字节，int age占用4个字节，double height占8个字节，结合8字节对齐，该结构体共占用24个字节。同时，运行代码，给结构体赋值过程中，结构体中各个属性之间并无冲突，处于共存的状态。

结构体(struct)特点总结如下：

优点：共存，有容乃⼤，全⾯；
缺点：struct内存空间的分配是粗放的，不管⽤不⽤，全分配。

3.联合体特点

同样引入一个案例，来区分结构体和联合体的区别！见下图：

上面的案例中定义了一个联合体Person2，char * name占用8个字节，int age占用4个字节，double height占8个字节，而这三个属性是互斥的，该联合体实际占用空间是8个字节。同时，运行代码，给联合体赋值过程中，联合体中各个属性之间处于互斥的状态，并且联合体实际大小与最大的属性值大小相等。

联合体(union)特点总结如下：

优点：内存使⽤更为精细灵活，也节省了内存空间；
缺点：不够包容，各变量是互斥的。

四.isa探索

1.isa_t联合体

通过上面的案例，认识到了联合体与结构体的区别，同时了解到位域在节省内存方面的优势。而isa，就是采用联合体结合位域，对数据进行了封装。见下面源码：

// isa 联合体
union isa_t {
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }

    Class cls; 
    uintptr_t bits;
#if defined(ISA_BITFIELD)
    struct {
        ISA_BITFIELD;  // defined in isa.h
    };
#endif
};

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isa_t是一个联合体，有两属性Class cls; 和uintptr_t bits;，这两个属性时互斥的，该联合体占用8个字节内存空间。

Class cls;，非nonpointer isa，没有对指针进行优化，直接指向类，typedef struct objc_class *Class;
uintptr_t bits;，nonpointer isa，使用了结构体位域，针对arm64架构和x86架构提供了不同的位域设置规则。

#if SUPPORT_PACKED_ISA

// ios真机环境
# if __arm64__
#   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL
#   define ISA_MAGIC_MASK  0x000003f000000001ULL
#   define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL
#   define ISA_BITFIELD                                                      \
      uintptr_t nonpointer        : 1;                                       \
      uintptr_t has_assoc         : 1;                                       \
      uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;                                       \
      uintptr_t shiftcls          : 33; /*MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x1000000000*/ \
      uintptr_t magic             : 6;                                       \
      uintptr_t weakly_referenced : 1;                                       \
      uintptr_t deallocating      : 1;                                       \
      uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;                                       \
      uintptr_t extra_rc          : 19
#   define RC_ONE   (1ULL<<45)
#   define RC_HALF  (1ULL<<18)

// mac、模拟器环境
# elif __x86_64__
#   define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL
#   define ISA_MAGIC_MASK  0x001f800000000001ULL
#   define ISA_MAGIC_VALUE 0x001d800000000001ULL
#   define ISA_BITFIELD                                                        \
      uintptr_t nonpointer        : 1;                                         \
      uintptr_t has_assoc         : 1;                                         \
      uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;                                         \
      uintptr_t shiftcls          : 44; /*MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x7fffffe00000*/ \
      uintptr_t magic             : 6;                                         \
      uintptr_t weakly_referenced : 1;                                         \
      uintptr_t deallocating      : 1;                                         \
      uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;                                         \
      uintptr_t extra_rc          : 8
#   define RC_ONE   (1ULL<<56)
#   define RC_HALF  (1ULL<<7)

# else
#   error unknown architecture for packed isa
# endif

// SUPPORT_PACKED_ISA
#endif

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2.nonpointer isa各位含义

nonpointer：1位，表示是否对 isa 指针开启指针优化，0：纯isa指针，1：不⽌是类对象地址，isa中包含了类信息、对象的引⽤计数等。
has_assoc：1位，关联对象标志位，0没有，1存在。
has_cxx_dtor：1位，该对象是否有 C++ 或者 Objc 的析构器，如果有析构函数，则需要做析构逻辑；如果没有，则可以更快的释放对象。
shiftcls：存储类指针的值。开启指针优化的情况下，在 arm64 架构中有 33 位⽤来存储类指针，在 x86 架构中有 44 位⽤来存储类指针。
magic：6位，⽤于调试器判断当前对象是真的对象还是没有初始化的空间。
weakly_referenced：1位，指对象是否被指向或者曾经指向⼀个 ARC 的弱变量，没有弱引⽤的对象可以更快释放。
deallocating：1位，标志对象是否正在释放内存。
has_sidetable_rc：1位，当对象引⽤技术⼤于 10 时，则需要借⽤该变量存储进位。
extra_rc：表示该对象的引⽤计数值，实际上是引⽤计数值减 1，例如，如果对象的引⽤计数为 10，那么 extra_rc 为 9。如果引⽤计数⼤于 10，则需要使⽤到下⾯的 has_sidetable_rc。

3.nonpointer isa初始化

在对象进行初始化过程中，_class_createInstanceFromZone中三个重要的初始化流程：

cls->instanceSize，计算要开辟的内存大小，16字节对齐原则；
obj = (id)calloc(1, size);，内存空间开辟；
obj->initInstanceIsa，isa初始化过程。

本篇重点学习nonpointer isa的初始化流程！

设置断点，运行程序，过滤出我们所需要研究的GFPerson类的初始化流程。见下图所示：

isa_t为联合体，初始化nonpointer isa，则cls属性为空，bits结构体会被初始化（互斥），8字节共64位，默认都为0。继续运行代码，bits赋值ISA_MAGIC_VALUE，赋值后，各位域的值见下图：

第一位值为1，即对 isa 指针开启指针优化。从47到53位，也就是magic赋值为59，非0，表示当前对象已被初始化。通过计算器可以验证，59的二进制就是0011 1011，如下图所示：

继续运行代码，将类的地址右移3位，赋值给shiftcls，见下图。为何要右移三位呢？因为shiftcls前面还有3位存储着nonpointer、has_assoc、has_cxx_dtor。

isa初始化流程结束，我们可以通过创建的gf对象反推isa指向的是否为GFPerson类。见下图：

获取gf对象的内存结构，右移3位，左移20位，再右移17位，获取类地址，成功指向GFPerson类。

4.对象获取类

平常获取对象的类会直接调用class方法，那么class方法内部实现是怎样的？见下面源码：

- (Class)class {
    return object_getClass(self);
}

// getIsa()方法;
Class object_getClass(id obj)
{
    if (obj) return obj->getIsa();
    else return Nil;
}

// 当前不是taggedPointer，而是nonpointor isa， 直接返回ISA()
inline Class 
objc_object::getIsa() 
{
    if (fastpath(!isTaggedPointer())) return ISA();

    extern objc_class OBJC_CLASS_$___NSUnrecognizedTaggedPointer;
    uintptr_t slot, ptr = (uintptr_t)this;
    Class cls;

    slot = (ptr >> _OBJC_TAG_SLOT_SHIFT) & _OBJC_TAG_SLOT_MASK;
    cls = objc_tag_classes[slot];
    if (slowpath(cls == (Class)&OBJC_CLASS_$___NSUnrecognizedTaggedPointer)) {
        slot = (ptr >> _OBJC_TAG_EXT_SLOT_SHIFT) & _OBJC_TAG_EXT_SLOT_MASK;
        cls = objc_tag_ext_classes[slot];
    }
    return cls;
}

// ISA——返回：return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);
inline Class 
objc_object::ISA() 
{
    ASSERT(!isTaggedPointer()); 
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
    if (isa.nonpointer) {
        uintptr_t slot = isa.indexcls;
        return classForIndex((unsigned)slot);
    }
    return (Class)isa.bits;
#else
    return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);
#endif
}

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通过解读上面的代码，发现获取对象的类，最终是实现代码是(Class)(isa.bits & ISA_MASK);，是通过对象isa & ISA_MASK。ISA_MASK是什么呢？见下图：