ISA指针探索

作者: Kates | 来源:发表于2021-06-17 14:34 被阅读0次

1.什么是isa指针呢？

众所众知的每个对象里面都有一个isa指针，而这个isa指针指向哪里呢？
首先我们先来看一段代码

@interface HFStudent : NSObject
@end

HFStudent *p = [[HFStudent alloc] init];

(lldb) x/4gx p
0x280898130: 0x000001a1021e56a1 0x0000000000000000
0x280898140: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

(lldb) x/4gx 0x000001a1021e56a1
0x1021e56a1: 0x9800000001021e56 0x4000000001d88802
0x1021e56b1: 0x000003000281fac4 0x2400018010000000

我们知道对象的首地址指向的就是isa指针即0x000001a1021e56a1，在这个地址里面都包含了什么信息呢?从上面的输出我们看不出来

2 源码分析isa

接下来我们通过源码来分析看看这个isa指针到底是什么
首先我们跟踪调试来到

initIsa(cls, true, hasCxxDtor); 

objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, UNUSED_WITHOUT_INDEXED_ISA_AND_DTOR_BIT bool hasCxxDtor)
{ 
    ASSERT(!isTaggedPointer()); 
    isa_t newisa(0);
    if (!nonpointer) {
        newisa.setClass(cls, this);
    } else {
        ASSERT(!DisableNonpointerIsa);
        ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
        ASSERT(cls->classArrayIndex() > 0);
        newisa.bits = ISA_INDEX_MAGIC_VALUE;
        newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
        newisa.indexcls = (uintptr_t)cls->classArrayIndex();
#else
        newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;
#   if ISA_HAS_CXX_DTOR_BIT
        newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
#   endif
        newisa.setClass(cls, this); 
#endif
        newisa.extra_rc = 1;
    }
    isa = newisa;
}

通过断点调试简化代码如下
objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, UNUSED_WITHOUT_INDEXED_ISA_AND_DTOR_BIT bool hasCxxDtor)
{ 
    ASSERT(!isTaggedPointer()); 
    isa_t newisa(0);
    if (!nonpointer) {
        newisa.setClass(cls, this);
    } else {
        ASSERT(!DisableNonpointerIsa);
        ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());
        newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;
#   if ISA_HAS_CXX_DTOR_BIT
        newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
#   endif
        newisa.setClass(cls, this); 
        newisa.extra_rc = 1;
    }
    isa = newisa;
}

通过源码得出isa的类型为isa_t ，接下来我们看看isa_t的源码

union isa_t {
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }

    uintptr_t bits;

private:
    // Accessing the class requires custom ptrauth operations, so
    // force clients to go through setClass/getClass by making this
    // private.
    Class cls;

public:
#if defined(ISA_BITFIELD)
    struct {
        ISA_BITFIELD;  // defined in isa.h
    };

    bool isDeallocating() {
        return extra_rc == 0 && has_sidetable_rc == 0;
    }
    void setDeallocating() {
        extra_rc = 0;
        has_sidetable_rc = 0;
    }
#endif

    void setClass(Class cls, objc_object *obj);
    Class getClass(bool authenticated);
    Class getDecodedClass(bool authenticated);
};

从源码中得知isa是一个联合体
接下来我们补充一些关于联合体和isa相关知识

3. union 联合体

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。
而联合体(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。
接下来我们通过例子来说明

union HFUni {
    int a;
    char b;
    short c;
};

 union HFUni uni;
uni.a = 100;
NSLog(@"a=%d---b=%d---c=%d---%lu", uni.a, uni.b, uni.c, sizeof(uni));
uni.b = 'a';
NSLog(@"a=%d---b=%d---c=%d---%lu", uni.a, uni.b, uni.c, sizeof(uni));
uni.c = 200;
NSLog(@"a=%d---b=%d---c=%d---%lu", uni.a, uni.b, uni.c, sizeof(uni));

2021-06-16 17:18:34.806007+0800 StoreKitDemo[2084:455336] a=100---b=100---c=100---4
2021-06-16 17:18:34.806222+0800 StoreKitDemo[2084:455336] a=97---b=97---c=97---4
2021-06-16 17:18:37.421626+0800 StoreKitDemo[2084:455336] a=200---b=-56---c=200---4

从结果中我们看到联合体的大小是4字节也就是联合体里面最大类型大小，这边通过赋值也可以看到每一次赋值，联合体里面所有的变量都发生变化，这也证明了各变量是互斥的。

4 isa补充

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

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。

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。

有了上面的知识，我们知道shiftcls存放的是类的信息，至于是在什么时候存放的呢？我们看到代码newisa.setClass(cls, this); 跟踪进去调试看看

inline void
isa_t::setClass(Class newCls, UNUSED_WITHOUT_PTRAUTH objc_object *obj)
{
    // Match the conditional in isa.h.
#if __has_feature(ptrauth_calls) || TARGET_OS_SIMULATOR
#   if ISA_SIGNING_SIGN_MODE == ISA_SIGNING_SIGN_NONE
    // No signing, just use the raw pointer.
    uintptr_t signedCls = (uintptr_t)newCls;

#   elif ISA_SIGNING_SIGN_MODE == ISA_SIGNING_SIGN_ONLY_SWIFT
    // We're only signing Swift classes. Non-Swift classes just use
    // the raw pointer
    uintptr_t signedCls = (uintptr_t)newCls;
    if (newCls->isSwiftStable())
        signedCls = (uintptr_t)ptrauth_sign_unauthenticated((void *)newCls, ISA_SIGNING_KEY, ptrauth_blend_discriminator(obj, ISA_SIGNING_DISCRIMINATOR));

#   elif ISA_SIGNING_SIGN_MODE == ISA_SIGNING_SIGN_ALL
    // We're signing everything
    uintptr_t signedCls = (uintptr_t)ptrauth_sign_unauthenticated((void *)newCls, ISA_SIGNING_KEY, ptrauth_blend_discriminator(obj, ISA_SIGNING_DISCRIMINATOR));

#   else
#       error Unknown isa signing mode.
#   endif

    shiftcls_and_sig = signedCls >> 3;

#elif SUPPORT_INDEXED_ISA
    // Indexed isa only uses this method to set a raw pointer class.
    // Setting an indexed class is handled separately.
    cls = newCls;

#else // Nonpointer isa, no ptrauth
    shiftcls = (uintptr_t)newCls >> 3;
#endif
}

通过断点和类内部变化我们发现在指向shiftcls = (uintptr_t)newCls >> 3时

643A22C1-4FB0-4E3C-8F32-4B768C018A19.png

变化成

BD7A4085-4B5E-41E2-A188-511FD610DBC7.png

由此可见shiftcls = (uintptr_t)newCls >> 3 正是设置类关联的代码

x86平台
#   define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL
#   define ISA_MAGIC_MASK  0x001f800000000001ULL
#   define ISA_MAGIC_VALUE 0x001d800000000001ULL
#   define ISA_HAS_CXX_DTOR_BIT 1
#   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 unused            : 1;                                         \
      uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;                                         \
      uintptr_t extra_rc          : 8

arm64平台
#     define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL
#     define ISA_MAGIC_MASK  0x000003f000000001ULL
#     define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL
#     define ISA_HAS_CXX_DTOR_BIT 1
#     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 unused            : 1;                                       \
        uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;                                       \
        uintptr_t extra_rc          : 19

通过上面的宏，我们可以知道shiftcls在x86平台上是从3-47，在arm64平台上是3-37位，这样我们就可以通过代码示例来证明
环境：iphone 8（arm64）

HFStudent *p = [[HFStudent alloc] init];
NSLog(@"%@---%p", p, p);

(lldb) x/4gx p
0x2807ec6c0: 0x000001a100e7d98d 0x0000000000000000
0x2807ec6d0: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
(lldb) p 0x000001a100e7d98d & 0x0000000ffffffff8ULL
(unsigned long long) $1 = 4310161800
(lldb) po 0x000001a100e7d98d & 0x0000000ffffffff8ULL
HFStudent

0x000001a100e7d98d 为p的isa指针
isa指针 & 0x0000000ffffffff8ULL -> HFStudent

ISA指针探索

1.什么是isa指针呢？

2 源码分析isa

3. union 联合体

4 isa补充

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