iOS进阶专项分析(三)、isa刨根问底

作者: 溪浣双鲤 | 来源:发表于2020-06-19 18:03 被阅读0次

话不多说，直接开干

一、从源码的角度了解isa及isa底层代码实现

我们都知道Objective-C是一门面向对象的语言，所有的类都继承自NSObject, 既然这样，我们就从NSObject下手。

进入runtime源码, 搜索OC的NSObject {, 找到NSObject的实现部分，

OBJC_AVAILABLE(10.0, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0)
OBJC_ROOT_CLASS
OBJC_EXPORT
@interface NSObject <NSObject> {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
}

我们在NSObject的定义部分找到了isa,并且这个isa是一个Class类型的，
继续点击Class

typedef struct objc_class *Class;

发现Class其实是一个结构体objc_class的指针，打开这个结构体我们可以发现

struct objc_class {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY; //isa指针
#if !__OBJC2__
    Class _Nullable super_class  OBJC2_UNAVAILABLE;//父类
    const char * _Nonnull name    OBJC2_UNAVAILABLE;//类名
    long version                  OBJC2_UNAVAILABLE;//类的版本信息，默认0
    long info                    OBJC2_UNAVAILABLE;//类的信息，供运行期使用的一些位标识
    long instance_size            OBJC2_UNAVAILABLE;//该类的实例变量大小
    struct objc_ivar_list * _Nullable ivars  OBJC2_UNAVAILABLE;//该类的成员变量的链表         
    struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists  OBJC2_UNAVAILABLE; //方法定义的链表
    struct objc_cache * _Nonnull cache                      OBJC2_UNAVAILABLE; //方法缓存
    struct objc_protocol_list * _Nullable protocols          OBJC2_UNAVAILABLE; //协议链表
#endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;

点击这个结构体，发现objc_class继承自objc_object

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() { 
        return bits.data();
    }
    
    ...
    
}

继续深入objc_object，找到了isa_t 类型的isa

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;

public:

    // ISA() assumes this is NOT a tagged pointer object
    Class ISA();

    // getIsa() allows this to be a tagged pointer object
    Class getIsa();
    ...
};

继续点击ISA()进入，我们来看一下isa的初始化

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
}

重点来了, 摘掉优化部分代码,isa的初始化代码就变成下面这样子

inline Class 
objc_object::ISA() 
{
   return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);
}

注意return这段代码，isa在初始化的时候会进行一个&运算，为什么要进行这样的一个运算呢？

其实从64bit开始，isa需要进行一次位运算，才能计算出真实地址，这个位运算的对象就是ISA_MASK

ISA_MASK的值不是唯一的，在arm64和X86架构下是不同的，我把源码中ISA_MASK的部分代码单独剪了出来

# if __arm64__
#   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL
# elif __x86_64__
#   define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL                                                   # else
#   
# endif

取到一个类的isa，然后和ISA_MASK进行一次位运算，就能够得到类对象的真实地址值。这个下面会做验证。

那么源码分析到此为止，从源码分析，我们知道了isa其实就是一个指向类的结构体指针，也知道了isa是一个经过优化的指针。既然isa是指向类的指针，因为Objective—C的类有很多种，有的类之间也存在继承关系，那么isa在类中间的指向到底如何呢？那么下面我们开始验证isa的指向。

二、控制变量法验证isa的指向

还是新建工程，创建一个继承自NSObject的BMPerson类，并给BMPerson类添加三个属性，然后再创建一个BMStudent类继承自BMPerson，然后去ViewDidLoad中创建对象并给属性赋值，最后打印一下

BMPerson * person = [[BMPerson alloc] init];
person.name = @"张三";
person.age = 18;
person.height = 180;
    
Class class1 = person.class;
Class class2 = [BMPerson class];
Class class3 = object_getClass(person);
    
Class class4 = object_getClass(class1);

NSLog(@"\n实例对象地址:%p\n类地址:class1:%p\n类地址:class2:%p\n类地址:class3:%p\n元类地址:class4:%p", person,class1, class2, class3, class4);


BMStudent * student = [[BMStudent alloc] init];
student.name = @"张三的学生";
student.age = 18;
student.height = 180;
    
Class class5 = student.class;
Class class6 = object_getClass(class5);
NSLog(@"\nBMStudent\n实例对象地址:%p\n类地址:class1:%p\n元类地址:class4:%p", student,class5,class6);

得到结果

2020-06-19 16:55:42.996185+0800 TestProject[21084:1722006] 
BMPerson
实例对象地址:0x600002bdd1a0
类地址:class1:0x1059b8798
类地址:class2:0x1059b8798
类地址:class3:0x1059b8798
元类地址:class4:0x1059b8770


2020-06-19 16:55:42.996416+0800 TestProject[21084:1722006] 
BMStudent
实例对象地址:0x600002b943c0
类地址:class1:0x1059b86f8
元类地址:class4:0x1059b86d0

先来看上面这块log，分析BMPerson这块：
此时BMPerson实例对象的地址是0x600002bdd1a0，class1、class2、class3指向的是同一个地址0x1059b8798，这也说明了类的地址只有一个，也就是说：类对象只有一个，而class4则不同，指向了0x1059b8770元类地址，为什么这么说呢，下面就是验证结果：

1、验证实例对象的isa指向的是类的地址

先拿到BMPerson实例的地址0x600002bdd1a0,然后查看内存

(lldb) x 0x600002bdd1a0
0x600002bdd1a0: 98 87 9b 05 01 00 00 00 12 00 00 00 b4 00 00 00  ................
0x600002bdd1b0: 00 00 00 00 00 00 00 00 18 60 9b 05 01 00 00 00  .........`......

我们知道前八位是isa，小端模式从后往前读八位得到 0x1059B8798，发现这个地址和上面打印的类的地址完全一致！如果感觉地址对比你不够清晰，可以直接po一下，发现这个isa就是指向了 BMPerson类，所以实例对象的isa指向的就是类结论成立。

(lldb) x 0x600002bdd1a0
0x600002bdd1a0: 98 87 9b 05 01 00 00 00 12 00 00 00 b4 00 00 00  ................
0x600002bdd1b0: 00 00 00 00 00 00 00 00 18 60 9b 05 01 00 00 00  .........`......
(lldb) po 0x01059B8798
BMPerson

上面有说，isa是一个经过优化的指针，我们把打印的类的地址和isa_mask进行 &操作，对比一下实际内存空间，发现是完全一致的

BMPerson的实例对象person的内存空间

(lldb) x 0x600002bdd1a0
0x600002bdd1a0: 98 87 9b 05 01 00 00 00 12 00 00 00 b4 00 00 00  ................
0x600002bdd1b0: 00 00 00 00 00 00 00 00 18 60 9b 05 01 00 00 00  .........`......

(lldb) p/x (long)person->isa & 0x00007ffffffffff8ULL
(unsigned long long) $16 = 0x00000001059b8798

这就验证了：

一个类对象的isa，然后和ISA_MASK进行一次位运算，就能够得这个类对象的真实地址值。

2、验证类对象的isa指向的是元类的地址

接下来我们读一下类地址的内存地址0x01059B8798

(lldb) x 0x01059B8798
0x1059b8798: 70 87 9b 05 01 00 00 00 00 ed c1 89 ff 7f 00 00  p...............
0x1059b87a8: 80 f9 5f 00 00 60 00 00 07 00 00 00 2c 80 02 00  .._..`......,...

把前八位也同样读取出来，得到0x01059B8770这个和我们最开始打印得到的元类地址也是完全一致，所以类对象的isa指向的就是元类的结论也成立。

3、验证元类对象的isa指向的是根元类地址

接下来我们对BMPerson的子类BMStudent也做同样的调试,得到的也是同样的结果，student实例的isa指向的就是BMStudent类的地址，BMStudent类的isa指向的就是BMStudent元类的地址。

(lldb) po student
<BMStudent: 0x600002b943c0>

(lldb) x 0x600002b943c0
0x600002b943c0: f8 86 9b 05 01 00 00 00 12 00 00 00 b4 00 00 00  ................
0x600002b943d0: 00 00 00 00 00 00 00 00 58 60 9b 05 01 00 00 00  ........X`......
(lldb) po 0x01059B86F8
BMStudent

(lldb) x 0x01059B86F8
0x1059b86f8: d0 86 9b 05 01 00 00 00 98 87 9b 05 01 00 00 00  ................
0x1059b8708: 00 0c 5e 00 00 60 00 00 07 00 00 00 2c 80 04 00  ..^..`......,...
(lldb)

此时重点来了，我们分别得到了BMPerson元类的地址和BMStudent元类的地址，
我们看一下这两个类的元类的isa指向的是什么！

(lldb) x 0x1059b8770
0x1059b8770: d8 ec c1 89 ff 7f 00 00 d8 ec c1 89 ff 7f 00 00  ................
0x1059b8780: 80 6a 5f 00 00 60 00 00 07 00 00 00 35 c0 02 00  .j_..`......5...
(lldb) x 0x1059b86d0
0x1059b86d0: d8 ec c1 89 ff 7f 00 00 70 87 9b 05 01 00 00 00  ........p.......
0x1059b86e0: 80 6b 5f 00 00 60 00 00 07 00 00 00 35 c0 01 00  .k_..`......5...

我们发现了共同点！这两个元类的isa指向的是同一块内存空间，都是0x7FFF89C1ECD8, 我们暂且称这个类为未知类，我们再看这个未知类的内存地址！

(lldb) x 0x7FFF89C1ECD8
0x7fff89c1ecd8: d8 ec c1 89 ff 7f 00 00 00 ed c1 89 ff 7f 00 00  ................
0x7fff89c1ece8: 00 60 7f 01 00 60 00 00 0f 00 00 00 31 c0 09 00  .`...`......1...

打印之后发现，这个未知类的isa竟然指向的是自己！其实这个未知类我们现在有另一种称呼，叫做根元类。

再po一下这个地址

(lldb) po 0x7FFF89C1ECD8
NSObject

妈耶，这个根元类的类型竟然是NSObject，重点来了！！！类型打印出来虽然是NSObject，但是这个地址代表的并不是NSObject类本身，而是NSObject元类的地址，我通过NSObject创建对象，然后获取这个对象的类，打印一下地址你就明白了

(lldb) po 0x7FFF89C1ECD8
NSObject


(lldb) po NSLog(@"%p", [[[NSObject alloc] init] class]);
2020-06-19 18:56:17.978190+0800 TextProject[21084:1722006] 0x7fff89c1ed00

上面是获取到的根元类的地址，下面才是NSObject类的地址，这俩地址不相同就能证明，根元类其实就是NSObject这个类的元类！

至此，isa的指向图已经很清楚了，如果我上面分析的这么多，其实思路就是按照这张图来分析的

isa案例图解.png

三、知识点总结

1、**什么是isa？

isa是一个一个经过特殊处理优化过的指针，指向对象的类。

实例对象的isa,指向它的类;
类对象的isa,指向这个类对象对应的元类;
元类对象的isa，指向根元类;
根元类的isa指向的是自己;
根元类是NSObject的元类

2、什么是元类？

在Objective-C中，每当我们创建一个类，编译时就会自动创建一个元类(元类由系统进行维护)，而我们创建的这个类就是这个元类的对象, 只不过这个元类只有一个实例，也就是说我们的 类对象只有一个！

3、为什么元类这么设计？

因为如果没有元类，则类对象的信息和实例对象的信息都会存储在类中，这样对于查找对
应的信息，会更加复杂且混乱（如类方法和实例方法一样的情况下，需要区分查找对
象的类型）

元类和类的类型也必须一致！如果类型不一样，那类对象的信息和实例对象的信息又怎么去找呢？

4、isa走向图

isa走位图.png

溪浣双鲤的技术摸爬滚打之路

iOS进阶专项分析(三)、isa刨根问底

一、从源码的角度了解isa及isa底层代码实现

二、控制变量法验证isa的指向

三、知识点总结

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