3、认识一下isa

作者: ChenL | 来源:发表于2020-09-11 15:33 被阅读0次

3、认识一下isa
iOS Class实现原理-isa
runtime总结
RunTime一些相关知识
3.isa
ISA和super class 指向
iOS联合体、位域
1.8、iOS面试题之语法
runtime面试复习
十七、Runtime之(一)isa详解

一、先了解一下Clang

clang是一个由Apple主导编写，基于LLVM的C/C++/OC的编译器。
主要是用于底层编译，将一些oc文件输出成c++文件，例如main.m 输出成main.cpp，其目的是为了更好的观察底层的一些结构及实现的逻辑，方便理解底层原理。上代码：

cd  含有main.m的文件路径
//1、将 main.m 编译成 main.cpp
clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp

//2、将 ViewController.m 编译成  ViewController.cpp
clang -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-13.0.0 -isysroot / /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator13.7.sdk ViewController.m

//以下两种方式是通过指定架构模式的命令行，使用xcode工具 xcrun
//3、模拟器文件编译
- xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp 

//4、真机文件编译
- xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main- arm64.cpp

报错问题

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 
`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 -sdk iphonesimulator clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o 
main-arm64.cpp (模拟器) 
xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main�arm64.cpp (⼿机)

二、初识isa

对象的本质是结构体
因为OC 是 C 与 C++ 的超集。一个对象可以有多种不同数据类型的属性，那可以容纳不同数据类型的复杂结构，当然是结构体了。

/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;

我们看到，对象就是这样一个结构体，且被typedef为 id 。在Foundation层 id 就表示一个对象。

在面向对象编程中，对象是由类创建的，对象可以通过 isa 变量找到自己所属的类。
那为什么对象需要知道自己的类呢？这主要是因为对象的信息是存储在该对象所属的类中的。
这也很容易理解，一个类可以有多个对象，如果每个对象的信息都存储在各自的本身，那随着对象的不断创建，对于内存来说是灾难级的。既然对象的 isa 指针指向了类，那不妨也看看类的结构:

struct objc_class {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
    Class _Nullable super_class                             
    .......
    .......
}

类里面有个 super_class ，指向了类的父类；同时类也有一个 isa 指针，那类的 isa 指针指向了哪里呢？

对象是按照类所定义的各个属性和方法“生产”的，类作为对象的模板，也可看成是对象。正如工厂里面的模子也是要专门制作模子的机器生产。元类 (meta class) 就是设计、管理类(class)的模板。对象是类的实例，类是元类的实例。

所以类的 isa 指针指向了元类。

Objective-C语言的设计者已经考虑到了这个问题，所有元类的 isa 都指向根元类（meta Root Class）。关于实例对象、类、元类之间的关系，苹果官方给了一张图，非常清晰的表明了三者的关系：

image.png
实线是 super_class 指针，虚线是 isa 指针。

1、Root class（class）通常是 NSObject，NSObject 是没有超类的，所以 Root class（class）的 superclass 指向 nil。
2、每个 Class 都有一个 isa 指针指向唯一的 Meta class
3、Root class（meta）的 superclass 指向 Root class（class），也就是 NSObject，形成一个回路。
4、每个 Meta class 的 isa 指针都指向 Root class（meta）。
5、isa 指针链以一个环结束：实例指向类-指向元类-指向根元类-到自身。元类的 isa 指针并不重要，因为在现实世界中，没人会向元类对象发送消息。

扩展：

在 objc2.0 中，所有的对象都会包含一个 isa_t 类型的结构体。同时，因为 objc_class 继承自 objc_object，所以所有的类也包含这样一个 isa。在优化之前，isa 只是一个指向类或元类的指针，而优化之后，采取了联合体结构，同样是占用8字节空间，但存储了更多的内容。

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
};

二、深入了解isa

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”；逻辑教育
但优点是内存使⽤更为精细灵活，也节省了内存空间

我们以 arm64 架构为例，则 isa_t 可以表示成如下所示的代码，如下：

#   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL
#   define ISA_MAGIC_MASK  0x000003f000000001ULL
#   define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL

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

    Class cls;
    uintptr_t bits;
    
    struct {
        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
     }
};

isa_t 是一个联合体，这里所占空间为 8字节，共64位。

nonpointer（存储在第0字节） : 是否为优化isa标志。0代表是优化前的isa，一个纯指向类或元类的指针；1表示优化后的isa，不止是一个指针，isa中包含类信息、对象的引用计数等。现在基本上都是优化后的isa。

has_assoc （存储在第1个字节）: 关联对象标志位。对象含有或者曾经含有关联引用，0表示没有，1表示有，没有关联引用的可以更快地释放内存（dealloc的底层代码有体现）。

has_cxx_dtor（存储在第2个字节）: 析构函数标志位，如果有析构函数，则需进行析构逻辑，如果没有，则可以更快速地释放对象（dealloc的底层代码有体现）。

shiftcls （存储在第3-35字节）存储类的指针，其实就是优化之前 isa 指向的内容。在arm64架构中有33位用来存储类指针。x86_64架构有44位。

magic（存储在第36-41字节）：判断对象是否初始化完成，是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（存储在第42字节）：对象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（dealloc的底层代码有体现）。

deallocating（存储在第43字节）：标志对象是否正在释放内存。

has_sidetable_rc（存储在第44字节）：判断该对象的引用计数是否过大，如果过大则需要其他散列表来进行存储