iOS-底层原理03-isa

作者: 一亩三分甜 | 来源:发表于2020-10-03 21:29 被阅读0次

《iOS底层原理文章汇总》

对象中如果包含float或double类型的属性的读取方式

double类型无法po@2x.png

@interface DCPerson : NSObject
@property(nonatomic,copy)NSString *name;
@property(nonatomic,copy)NSString *nickName;
@property(nonatomic,copy)NSString *hobby;
@property(nonatomic,assign)int age;
@property(nonatomic,assign)float height;
@property(nonatomic,assign)char c1;
@property(nonatomic,assign)char c2;
@end

(lldb) po p1
<DCPerson: 0x100674390>

(lldb) x/8gx 0x100674390
0x100674390: 0x001d800100003545 0x0000001200006261
0x1006743a0: 0x0000000043340000 0x0000000100002018
0x1006743b0: 0x0000000100002038 0x0000000100002058
0x1006743c0: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
(lldb) po 0x001d800100003545
8303516107945285

(lldb) p 0x001d800100003545
(long) $2 = 8303516107945285
(lldb) po 0x0000001200006261
14305649625132105900

(lldb) po 0x0000000043340000
1127481344

(lldb) po 0x0000000100002018
Cloud

(lldb) po 0x0000000100002018
Cloud

(lldb) po 0x0000000100002058
女

(lldb) po 0x0000000100002038
fish

(lldb) x/f (float)1180
error: memory read failed for 0x400
(lldb) p/x (float)180
(float) $10 = 0x43340000
(lldb) p/x (double)180
(double) $11 = 0x4066800000000000
(lldb)

通过代码转换类型

void lg_float2HEX(float f){
    union uuf{float f;char s[4];} uf;
    uf.f = f;
    printf("0x");
    for (int i=3; i>=0; i--) {
        printf("%02x",0xff & uf.s[i]);
    }
    printf("\n");
}
void lg_double2HEX(double d){
    union uud {double d; char s[8];} ud;
    ud.d = d;
    printf("0x");
    for (int i = 7; i>=0; i--) {
        printf("%02x",0xff & ud.s[i]);
    }
    printf("\n");
}
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        lg_float2HEX(190.5);
        lg_double2HEX(180.5);
        DCPerson *p1 = [DCPerson alloc];
        p1.name = @"Cloud";
        p1.nickName = @"fish";
        p1.hobby = @"女";
        p1.age = 18;
        p1.height = 190.5;
        p1.measurements = 180.5;
        p1.c1 = 'a';
        p1.c2 = 'b';
        DCNSLog(@"%@ - %p - %p",p1,p1,&p1);
    
    }
    
//输出   
0x433e8000
0x4066900000000000
DCPerson was compiled with optimization - stepping may behave oddly; variables may not be available.
(lldb) po p1
<DCPerson: 0x101020fe0>

(lldb) x/8gx 0x101020fe0
0x101020fe0: 0x001d8001000035b5 0x0000001200006261
0x101020ff0: 0x00000000433e8000 0x0000000100002018
0x101021000: 0x0000000100002038 0x0000000100002058
0x101021010: 0x4066900000000000 0x0000000000000000

float和double类型转十六进制@2x.png

对象的本质

Clang是一个由Apple主导编写，基于LLVM的C/C++/Objective-C编译器,clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp 把目标文件编译成c++文件

clang编译@2x.png

clang得到cpp文件@2x.png

QQ20201002-193323@2x.png

加上name属性之后重新编译得到:对象的本质是结构体

#ifndef _REWRITER_typedef_DCPerson
#define _REWRITER_typedef_DCPerson
typedef struct objc_object DCPerson;
typedef struct {} _objc_exc_DCPerson;
#endif

extern "C" unsigned long OBJC_IVAR_$_DCPerson$_name;
struct DCPerson_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;//isa
    NSString *_name;//成员变量
};

getter方法和setter方法
static NSString * _I_DCPerson_name(DCPerson * self, SEL _cmd) { return (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_DCPerson$_name)); }
extern "C" __declspec(dllimport) void objc_setProperty (id, SEL, long, id, bool, bool);

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

通用setter方法
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);
}

对新值的retain，对旧值的release
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);
}

联合体(共用体)位域

结构体变量所占内存长度是各成员占的内存长度之和。每个成员分别占有其自己的内存单元。而共用体变量所占的内存长度等于最长的成员的长度。

共用体.png

这儿按照浮点数输出为什么是0.000000呢，浮点数的二进制存储方式如下:
float和double在存储方式上都是遵从IEEE的规范的，float遵从的是IEEE R32.24 ,而double 遵从的是R64.53。

无论是单精度还是双精度在存储中都分为三个部分：

符号位(Sign) : 0代表正，1代表为负
指数位（Exponent）:用于存储科学计数法中的指数数据，并且采用移位存储
尾数部分（Mantissa）：尾数部分

将一个float型转化为内存存储格式的步骤为：

 （1）先将这个实数的绝对值化为二进制格式。 
 （2）将这个二进制格式实数的小数点左移或右移n位，直到小数点移动到第一个有效数字的右边。 
 （3）从小数点右边第一位开始数出二十三位数字放入第22到第0位。 
 （4）如果实数是正的，则在第31位放入“0”，否则放入“1”。 
 （5）如果n 是左移得到的，说明指数是正的，第30位放入“1”。如果n是右移得到的或n=0，则第30位放入“0”。 
 （6）如果n是左移得到的，则将n减去1后化为二进制，并在左边加“0”补足七位，放入第29到第23位。
     如果n是右移得到的或n=0，则将n化为二进制后在左边加“0”补足七位，再各位求反，再放入第29到第23位。

R32.24和R64.53的存储方式都是用科学计数法来存储数据的，比如8.25用十进制的科学计数法表示就为:8.2510^0,而120.5可以表示为:1.20510^{2,计算机根本不认识十进制的数据，他只认识0，1，所以在计算机存储中，首先要将上面的数更改为二进制的科学计数法表示，8.25用二进制表示可表示为1000.01,120.5用二进制表示为：1111000.1用二进制的科学计数法表示1.1110001*2}6,1000.01可以表示为1.00012^3,任何一个数都的科学计数法表示都为1.xxx2^x,尾数部分就可以表示为xxxx,第一位都是1嘛，干嘛还要表示呀？可以将小数点前面的1省略，所以23bit的尾数部分，可以表示的精度却变成了24bit，道理就是在这里，那24bit能精确到小数点后几位呢，我们知道9的二进制表示为1001，所以4bit能精确十进制中的1位小数点，24bit就能使float能精确到小数点后6位，而对于指数部分，因为指数可正可负，8位的指数位能表示的指数范围就应该为:-127-128了，所以指数部分的存储采用移位存储，存储的数据为元数据+127，下面就看看8.25和120.5在内存中真正的存储方式。

按照上面的存储方式，符号位为:0，表示为正，指数位为:3+127=130 ,位数部分为,故8.25的存储方式如下图所示:

1006828-20161219191553385-1603336307.png

而单精度浮点数120.5的存储方式如下图所示:这儿120.5的二进制表示应该是1.1110001*2^6

1006828-20161219191633869-470721450.png

将一个内存存储的float二进制格式转化为十进制的步骤：

 （1）将第22位到第0位的二进制数写出来，在最左边补一位“1”，得到二十四位有效数字。将小数点点在最左边那个“1”的右边。 
 （2）取出第29到第23位所表示的值n。当30位是“0”时将n各位求反。当30位是“1”时将n增1。 
 （3）将小数点左移n位（当30位是“0”时）或右移n位（当30位是“1”时），得到一个二进制表示的实数。 
 （4）将这个二进制实数化为十进制，并根据第31位是“0”还是“1”加上正号或负号即可。

大部分自定义的类都为nonpoint_isa,8字节64位存满了信息

# if __arm64__
# define ISA_MASK 0x0000000ffffffff8ULL
# define ISA_MAGIC_MASK 0x000003f000000001ULL
# define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL
# define ISA_BITFIELD
: 1;
 uintptr_t nonpointer
uintptr_t has_assoc
uintptr_t has_cxx_dtor
uintptr_t shiftcls : 33; 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)

结构体(struct)中所有变量是“共存”的——优点是“有容乃大”，全面;缺点是struct内存空间的分配是粗放的，不管用不用，全分配。

联合体(union)中是各变量是“互斥”的——缺点就是不够“包容”; 但优点是内存使

用更为精细灵活，也节省了内存空间

nonpointer: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:关联对象标志位，0没有，1存在

has_cxx_dtor: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

magic: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:志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:标志对象是否正在释放内存

has_sidetable_rc: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:当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。

isa初始化

inline void 
objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor) 
{ 
    ASSERT(!isTaggedPointer()); 
    
    if (!nonpointer) {
        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;
    }
}

(lldb) p newisa
(isa_t) $1 = {
  cls = nil
  bits = 0
   = {
    nonpointer = 0
    has_assoc = 0
    has_cxx_dtor = 0
    shiftcls = 0
    magic = 0
    weakly_referenced = 0
    deallocating = 0
    has_sidetable_rc = 0
    extra_rc = 0
  }
}

isa赋值@2x.png

(lldb) p newisa
(isa_t) $5 = {
  cls = DCPerson
  bits = 8303516107940113
   = {
    nonpointer = 1
    has_assoc = 0
    has_cxx_dtor = 0
    shiftcls = 536871970
    magic = 59
    weakly_referenced = 0
    deallocating = 0
    has_sidetable_rc = 0
    extra_rc = 0
  }
}

magic从第47位开始到第52位共6位，数字分别为111011，十进制位59

# 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)

7.gif

isa指针和类关联起来

shiftcls怎么关联isa(DCPerson),(uintptr_t)cls右移三位,newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;

(lldb) po (uintptr_t)cls
DCPerson

(lldb) p (uintptr_t)cls
(uintptr_t) $7 = 4294975760
(lldb) p newisa
(isa_t) $8 = {
  cls = DCPerson
  bits = 8303516107940113
   = {
    nonpointer = 1
    has_assoc = 0
    has_cxx_dtor = 0
    shiftcls = 536871970
    magic = 59
    weakly_referenced = 0
    deallocating = 0
    has_sidetable_rc = 0
    extra_rc = 0
  }
}
(lldb) p (uintptr_t)cls >> 3
(uintptr_t) $9 = 536871970

shiftcls@2x.png

isa关联指针和当前类

打印obj的对象，打印出isa指针

(lldb) po obj
<DCPerson: 0x10074ca50>

(lldb) x/4gx 0x10074ca50
0x10074ca50: 0x001d800100002111 0x0000000000000000
0x10074ca60: 0x75736956534e5b2d 0x6369506261546c61
(lldb) po 0x001d800100002111
-1004303003905715

(lldb) p 0x001d800100002111
(long) $12 = 8303516107940113
(lldb) p 0x001d800100002111 & 0x00007ffffffffff8ULL
(unsigned long long) $13 = 4294975760
(lldb) po 0x001d800100002111 & 0x00007ffffffffff8ULL
DCPerson

相当于通过object_getClass进去赋值

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

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;
}

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
}

(Class)(isa.bits & ISA_MASK);
#   define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL

isa关联类左移右移算法

针对x86和64架构的Mac(若为arm64的真机架构中间为33位),中间的44位代表类信息，通过右移三位抹掉后三位，再左移20位抹掉前面17位，之后右移17位得到44位类信息的原来的值，和直接获取类DCPerson的内存地址的值一模一样。

# 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)

# 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)

isa关联类左移右移的值@2x.png

(lldb) x/4gx obj
0x10074ca50: 0x001d800100002111 0x0000000000000000
0x10074ca60: 0x75736956534e5b2d 0x6369506261546c61
(lldb) p/x 0x001d800100002111 >> 3
(long) $20 = 0x0003b00020000422
(lldb) p/x 0x0003b00020000422 << 20
(long) $21 = 0x0002000042200000
(lldb) p/x 0x0002000042200000 >> 17
(long) $22 = 0x0000000100002110
(lldb) p/x cls
(Class) $23 = 0x0000000100002110 DCPerson
(lldb) 两个值相等

iOS-底层原理03-isa

对象中如果包含float或double类型的属性的读取方式

对象的本质

Clang是一个由Apple主导编写，基于LLVM的C/C++/Objective-C编译器,clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp 把目标文件编译成c++文件

联合体(共用体)位域

大部分自定义的类都为nonpoint_isa,8字节64位存满了信息

isa初始化

isa指针和类关联起来

isa关联指针和当前类

isa关联类左移右移算法

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