iOS原理探索03--isa與類的關聯原理

本文的主要介紹如何理解isa與類的關系，在介紹之前我們首先要知道OC對象的本質是什么？這里我們先插曲一個Clang編譯器。

一、下面是Clang介紹

Clang是?個C語?、C++、Objective-C語?的輕量級編譯器。源代碼發布于BSD協議下。
Clang將?持其普通lambda表達式、返回類型的簡化處理以及更好的處理constexpr關鍵字。
Clang是?個由apple主導編寫，基于LLVM的C/C++/Objective-C編譯器。
2013年4?,Clang已經全??持C++11標準，并開始實現C++1y特性（也就是C++14，這是C++的下?個?更新版本）。Clang將?持其普通lambda表達式、返回類型的簡化處理以及更好的處理constexpr關鍵字。
Clang是?個C++編寫、基于LLVM、發布于LLVM BSD許可證下的C/C++/Objective-C/Objective-C++編譯器。它與GNU C語?規范?乎完全兼容（當然，也有部分不兼容的內容，包括編譯命令選項也會有點差異），并在此基礎上增加了額外的語法特性，?如C函數重載（通過__attribute__((overloadable))來修飾函數），其?標（之?）就是超越GCC。

  • 如何將OC文件編譯為C++文件呢？
    clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp 把?標?件編譯成c++?件
  • UIKit報錯問題處理
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

xcode安裝的時候順帶安裝了xcrun命令，xcrun命令在clang的基礎上進?了?些封裝，要更好??些

  • 模擬器編譯
    xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp (模擬器)
  • 真機編譯
    xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main?-arm64.cpp (?機)

二、什么是對象？？？？

  • 我們先使用clang將下面這段代碼編譯為cpp文件，在main中自定義一個類LGPerson，有一個屬性name。
@interface LGPerson : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@end

@implementation LGPerson
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        NSLog(@"Hello, World!");
    }
    return 0;
}

編譯后的文件

#ifndef _REWRITER_typedef_LGPerson
#define _REWRITER_typedef_LGPerson
typedef struct objc_object LGPerson;
typedef struct {} _objc_exc_LGPerson;
#endif

extern "C" unsigned long OBJC_IVAR_$_LGPerson$_name;
struct LGPerson_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
    NSString *_name;
};

// @property (nonatomic, copy) NSString *name;
/* @end */


// @implementation LGPerson

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

static void _I_LGPerson_setName_(LGPerson * self, SEL _cmd, NSString *name) { objc_setProperty (self, _cmd, __OFFSETOFIVAR__(struct LGPerson, _name), (id)name, 0, 1); }
// @end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 

        NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_99_79b11sqx7xd67mxf4rx5g0tr0000gn_T_main_949408_mi_0);
    }
    return 0;
}
  • 從編譯的main.cpp這段代碼，我們可以看出，源代碼的LGPerson編譯后是個結構體struct。
    • LGPerson_IMPL中的第一個屬性 其實就是 isa，是繼承自NSObject，屬于偽繼承， 偽繼承的方式 是直接將 LGPerson作為結構體的第一個屬性，意味著LGPerson擁有 NSObject中的所有成員變量。
    • LGPerson中的第一個屬性 NSObject_IVARS等效于NSObject中的isa。

結論：對象的本質是一個結構體。

三、類的源碼分析

@interface NSObject <NSObject> {

    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
}

我們跟進源碼，發現NSObject的定義，我們發現了本文要討論的isa，由代碼可以看出isa是class類型，那么這是為什么呢？為什么isa不是其他的類型呢？
緊接著我們通過源碼調試，找到了ISA()方法，這是isa的get方法。

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
}

結論：從下面代碼(Class)isa.bits或(Class)(isa.bits & ISA_MASK)我們可以看出，這兩步操作都是對ISA進行了Class的強制轉換，所以isa是class類型。

四、 objc_setProperty()方法解析

我們從什么是對象這一段的源碼編譯的cpp文件代碼可以看出，在添加屬性name之后，通過Clang編譯后多了兩個方法，代碼如下：

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

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

這里我們可以得知通過設置屬性，系統自己會添加屬性的set和get方法，并且是通過objc_setProperty方法來設置的，那么我們就來追蹤一下它的源碼，

//objc_setProperty的接口實現
void objc_setProperty(id self, SEL _cmd, ptrdiff_t offset, id newValue, BOOL atomic, signed char shouldCopy) 
{
    bool copy = (shouldCopy && shouldCopy != MUTABLE_COPY);
    bool mutableCopy = (shouldCopy == MUTABLE_COPY);
    reallySetProperty(self, _cmd, newValue, offset, atomic, copy, mutableCopy);
}


//reallySetProperty()接口實現
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);
    }

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

    objc_release(oldValue);
}

通過reallySetProperty()接口實現我們發現屬性的設置，只是newValue = objc_retain(newValue);新值的retain，和objc_release(oldValue);舊值的release。

五、cls與 類 的關聯原理

探索一下通過initInstanceIsa是如何將cls與isa關聯的，在此之前，需要先了解什么是聯合體？？？？

聯合體與結構體知識小拓展

  • 結構體(struct)中所有變量是共存的
    • 優點是有容乃?，全?；
    • 缺點是struct內存空間的分配是粗放的，不管?不?，全分配。
  • 聯合體(union)中是各變量是互斥的
    • 缺點就是不夠包容；
    • 優點是內存使?更為精細靈活，也節省了內存空間
  • 首先我們來看一下isa_t的結構 
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
};

我們可以看出isa_t是通過union聯合體來構造的，從isa_t的定義中可以看出：

  • 提供了兩個成員，cls 和 bits，由聯合體的定義所知，這兩個成員是互斥的，也就意味著，當初始化isa指針時，有兩種初始化方式

    • 通過cls初始化，bits無默認值

    • 通過bits初始化，cls有默認值

除此之外它還提供了一個結構體定義的位域，用于存儲類信息及其他信息，結構體的成員ISA_BITFIELD，這是一個宏定義，有兩個版本 __arm64__（對應ios 移動端） 和 __x86_64__（對應macOS），以下是它們的一些宏定義，具體的宏定義代碼如下：

# 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)

# 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

先簡單介紹一下每個宏的意義：

nonpointer：表示是否對 isa 指針開啟指針優化；0：純isa指針，1：不?是類對象地址,isa 中包含了類信息、對象的引?計數等。

has_assoc：關聯對象標志位，0沒有，1存在`。

has_cxx_dtor：該對象是否有 C++ 或者 Objc 的析構器,如果有析構函數,則需要做析構邏輯, 如果沒有,則可以更快的釋放對象。

shiftcls：存儲類指針的值。開啟指針優化的情況下，在arm64 架構中有 33 位?來存儲類指針。

magic：?于調試器判斷當前對象是真的對象還是沒有初始化的空間。

weakly_referenced：標志對象是否被指向或者曾經指向?個 ARC 的弱變量，沒有弱引?的對象可以更快釋放。

deallocating：標志對象是否正在釋放內存。

has_sidetable_rc：當對象引?技術?于 10時，則需要借?該變量存儲進位。

extra_rc：當表示該對象的引?計數值，實際上是引?計數值減 1，例如，如果對象的引?計數為 10，那么extra_rc為 9。如果引?計數?于 10，則需要使?到下?的 has_sidetable_rc。

源碼追蹤

通過alloc --> _objc_rootAlloc --> callAlloc --> _objc_rootAllocWithZone --> _class_createInstanceFromZone方法路徑，查找到initInstanceIsa，并進入其原理實現。

inline void 
objc_object::initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor)
{
    ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());
    ASSERT(hasCxxDtor == cls->hasCxxDtor());

    initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
}

inline void 
objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor) 
{ 
    ASSERT(!isTaggedPointer()); 
    
    if (!nonpointer) {
        //初始化isa指針
        isa = isa_t((uintptr_t)cls);
    } else {
        ASSERT(!DisableNonpointerIsa);
        ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());

        isa_t newisa(0);
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
        ASSERT(cls->classArrayIndex() > 0);
        newisa.bits = ISA_INDEX_MAGIC_VALUE;
        // isa.magic is part of ISA_MAGIC_VALUE
        // isa.nonpointer is part of ISA_MAGIC_VALUE
        newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
        newisa.indexcls = (uintptr_t)cls->classArrayIndex();
#else
        newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;
        // isa.magic is part of ISA_MAGIC_VALUE
        // isa.nonpointer is part of ISA_MAGIC_VALUE
        newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
        newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;
#endif
        // This write must be performed in a single store in some cases
        // (for example when realizing a class because other threads
        // may simultaneously try to use the class).
        // fixme use atomics here to guarantee single-store and to
        // guarantee memory order w.r.t. the class index table
        // ...but not too atomic because we don't want to hurt instantiation
        isa = newisa;
    }
}

六、isa與類的關聯

isa與類的關聯，主要是通過initInstanceIsa方法中的calloc指針和當前類的cls相關聯，用isa指針中的shiftcls位域來存儲類的相關信息，我們可以有以下幾種驗證方式：

【方式一】通過initIsa方法中的newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;驗證
我們通過initInstanceIsa->initIsa->newisa.shiftcls -> (uintptr_t)cls >> 3，打印查看isa指針以及查看newisa.shiftcls存儲信息來驗證是否shiftcls位域中存儲著isa指針。

打印(uintptr_t)cls >> 3和newisa.shiftcls
通過控制臺的輸出結果可以看出步驟一和步驟二的信息是一致的，這就驗證我們想法。

  • 我們再來比較一下bits賦值前后的結果，bits的位域中有兩處變化cls由默認值，變成了LGPerson，將isa與cls完美關聯shiftcls由0變成了536871965。

    圖片來自Style_月月簡書----isa成員值變化過程

  • 下面我們在提出疑問為什么在shiftcls賦值時需要類型強轉？

因為內存的存儲不能存儲字符串，機器碼只能識別0 、1這兩種數字，所以需要將其轉換為uintptr_t數據類型，這樣shiftcls中存儲的類信息才能被機器碼理解， 其中uintptr_t是long。

  • 為什么需要右移3位？

主要是由于shiftcls的信息處于isa指針地址的中間部分，前面還有3個位域，為了不影響前面的3個位域的數據，需要右移將其抹零。

【方式二】通過isa指針地址與ISA_MSAK 的值 & 來驗證
cla與isa關聯后，我們通過lldb，x/4gx 在控制臺輸出obj的存儲信息，在通過obj的isa指針&MASK，結果一樣的是LGPerson


isa指針&MASK結果
  • 注意

    • arm64中，ISA_MASK 宏定義的值為0x0000000ffffffff8ULL

    • x86_64中，ISA_MASK 宏定義的值為0x00007ffffffffff8ULL

【方式三】通過runtime的方法object_getClass驗證
通過查看object_getClass的源碼實現，同樣可以驗證isa與類關聯的原理，通過runtime的api，即object_getClass函數獲取類信息，下面我們來查看一下源碼

/***********************************************************************
* object_getClass.
* Locking: None. If you add locking, tell gdb (rdar://7516456).
**********************************************************************/
Class object_getClass(id obj)
{
    if (obj) return obj->getIsa();
    else return Nil;
}

//接著往下走
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;
}

//往下走到 ISA()

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
}

我們發現源碼一樣的是使用的isa.bits & ISA_MASK，在用Class類型做了強制轉換的。

【方式四】通過位運算驗證
回到_class_createInstanceFromZone方法。通過x/4gx obj 得到obj的存儲信息，當前類的信息存儲在isa指針中，且isa中的shiftcls此時占44位（因為處于macOS環境）

  • 將右邊3位，和左邊除去44位以外的部分都抹零，其相對位置是不變的;
    • 將isa地址右移3位
    • 在將得到的結果左移20位
    • 再右移17位
      操作步驟以及結果輸出
      我們可以看出同樣的可以的此結論：isa與類的關聯，主要是通過initInstanceIsa方法中的calloc指針和當前類的cls相關聯，用isa指針中的shiftcls位域來存儲類的相關信息！
最后編輯于 ：
?著作權歸作者所有,轉載或內容合作請聯系作者
平臺聲明：文章內容（如有圖片或視頻亦包括在內）由作者上傳并發布，文章內容僅代表作者本人觀點，簡書系信息發布平臺，僅提供信息存儲服務。
  • 人面猴
    序言：七十年代末，一起剝皮案震驚了整個濱河市，隨后出現的幾起案子，更是在濱河造成了極大的恐慌，老刑警劉巖，帶你破解...
    沈念sama閱讀 227,967評論 6贊 531
  • 死咒
    序言：濱河連續發生了三起死亡事件，死亡現場離奇詭異，居然都是意外死亡，警方通過查閱死者的電腦和手機，發現死者居然都...
    沈念sama閱讀 98,273評論 3贊 415
  • 救了他兩次的神仙讓他今天三更去死
    文/潘曉璐 我一進店門，熙熙樓的掌柜王于貴愁眉苦臉地迎上來，“玉大人，你說我怎么就攤上這事。” “怎么了？”我有些...
    開封第一講書人閱讀 175,870評論 0贊 373
  • 道士緝兇錄：失蹤的賣姜人
    文/不壞的土叔 我叫張陵，是天一觀的道長。 經常有香客問我，道長，這世上最難降的妖魔是什么？ 我笑而不...
    開封第一講書人閱讀 62,742評論 1贊 309
  • ?港島之戀（遺憾婚禮）
    正文 為了忘掉前任，我火速辦了婚禮，結果婚禮上，老公的妹妹穿的比我還像新娘。我一直安慰自己，他們只是感情好，可當我...
    茶點故事閱讀 71,527評論 6贊 407
  • 惡毒庶女頂嫁案：這布局不是一般人想出來的
    文/花漫 我一把揭開白布。 她就那樣靜靜地躺著，像睡著了一般。 火紅的嫁衣襯著肌膚如雪。 梳的紋絲不亂的頭發上，一...
    開封第一講書人閱讀 55,010評論 1贊 322
  • 城市分裂傳說
    那天，我揣著相機與錄音，去河邊找鬼。 笑死，一個胖子當著我的面吹牛，可吹牛的內容都是我干的。 我是一名探鬼主播，決...
    沈念sama閱讀 43,108評論 3贊 440
  • 雙鴛鴦連環套：你想象不到人心有多黑
    文/蒼蘭香墨 我猛地睜開眼，長吁一口氣：“原來是場噩夢啊……” “哼！你這毒婦竟也來了？” 一聲冷哼從身側響起，我...
    開封第一講書人閱讀 42,250評論 0贊 288
  • 萬榮殺人案實錄
    序言：老撾萬榮一對情侶失蹤，失蹤者是張志新（化名）和其女友劉穎，沒想到半個月后，有當地人在樹林里發現了一具尸體，經...
    沈念sama閱讀 48,769評論 1贊 333
  • ?護林員之死
    正文 獨居荒郊野嶺守林人離奇死亡，尸身上長有42處帶血的膿包…… 初始之章·張勛 以下內容為張勛視角 年9月15日...
    茶點故事閱讀 40,656評論 3贊 354
  • ?白月光啟示錄
    正文 我和宋清朗相戀三年，在試婚紗的時候發現自己被綠了。 大學時的朋友給我發了我未婚夫和他白月光在一起吃飯的照片。...
    茶點故事閱讀 42,853評論 1贊 369
  • 活死人
    序言：一個原本活蹦亂跳的男人離奇死亡，死狀恐怖，靈堂內的尸體忽然破棺而出，到底是詐尸還是另有隱情，我是刑警寧澤，帶...
    沈念sama閱讀 38,371評論 5贊 358
  • ?日本核電站爆炸內幕
    正文 年R本政府宣布，位于F島的核電站，受9級特大地震影響，放射性物質發生泄漏。R本人自食惡果不足惜，卻給世界環境...
    茶點故事閱讀 44,103評論 3贊 347
  • 男人毒藥：我在死后第九天來索命
    文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一處隱蔽的房頂上張望。 院中可真熱鬧，春花似錦、人聲如沸。這莊子的主人今日做“春日...
    開封第一講書人閱讀 34,472評論 0贊 26
  • 一樁弒父案，背后竟有這般陰謀
    文/蒼蘭香墨 我抬頭看了看天上的太陽。三九已至，卻和暖如春，著一層夾襖步出監牢的瞬間，已是汗流浹背。 一陣腳步聲響...
    開封第一講書人閱讀 35,717評論 1贊 281
  • 情欲美人皮
    我被黑心中介騙來泰國打工， 沒想到剛下飛機就差點兒被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留，地道東北人。 一個月前我還...
    沈念sama閱讀 51,487評論 3贊 390
  • 代替公主和親
    正文 我出身青樓，卻偏偏與公主長得像，于是被迫代替她去往敵國和親。 傳聞我的和親對象是個殘疾皇子，可洞房花燭夜當晚...
    茶點故事閱讀 47,815評論 2贊 372