iOS底层-isa结构分析

作者: 何必太轻浮 | 来源:发表于2020-09-11 18:33 被阅读0次

本位的主要目的是分析isa是什么还有isa的结构。

那么，在介绍isa之前，我们首先必须了解几个概念

LVVM和Clang

LLVM是构架编译器(compiler)的框架系统，以C++编写而成，用于优化以任意程序语言编写的程序的编译时间(compile-time)、链接时间(link-time)、运行时间(run-time)以及空闲时间(idle-time)，对开发者保持开放，并兼容已有脚本。

Clang是一个C++编写、基于LLVM、发布于LLVM BSD许可证下的C/C++/Objective-C/Objective-C++编译器。用于替代之前的GCC。

简单来说，Clang是LVVM的前端，LVVM是Clang的后端，如图：

pic0

OC对象的本质是什么(这里需要使用到Clang)
新建工程，在main.m函数中添加如下类

@interface MCPerson : NSObject
@property (nonatomic,strong) NSString *name;
@end

@implementation MCPerson
@end

使用Clang对main.m进行编译

clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp

会编译生成main.cpp文件，这里补充几个clang编译的命令

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)

查看编译生成的main.cpp文件

struct NSObject_IMPL {//NSObject被编译成了结构体，里面有isa指针
    Class isa;
};

struct MCPerson_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
    NSString *_name;
};

// @implementation MCPerson 
//get、set方法
static NSString * _I_MCPerson_name(MCPerson * self, SEL _cmd) { return (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_MCPerson$_name)); }
static void _I_MCPerson_setName_(MCPerson * self, SEL _cmd, NSString *name) { (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_MCPerson$_name)) = name; }
// @end

这里的isa是Class类型的，为什么isa是Class类型的呢？因为这里强转了，在alloc流程中isa是用isa_t声明的,而在NSObject定义中isa的类型是Class，其根本原因是由于isa 对外反馈的是类信息，为了让开发人员更加清晰明确，需要在isa返回时做了一个类型强制转换

pic0

总结下，OC对象的本质，其实就是结构体
isa是从父类继承的

除了MCPersong的底层定义，我们发现还有属性 name 对应的 set 和 get方法，如下图所示，其中set方法的实现依赖于runtime中的objc_setProperty。

但是我们编译出来没有这个方法，很奇怪，没objc_setProperty这个方法呀？是什么问题呢？

// @implementation MCPerson
static NSString * _I_MCPerson_name(MCPerson * self, SEL _cmd) { return (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_MCPerson$_name)); }
static void _I_MCPerson_setName_(MCPerson * self, SEL _cmd, NSString *name) { (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_MCPerson$_name)) = name; }
// @end

这里需要使用copy修饰属性，然后重新编译就可以了

// @implementation MCPerson
static NSString * _I_MCPerson_name(MCPerson * self, SEL _cmd) { return (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_MCPerson$_name)); }
extern "C" __declspec(dllimport) void objc_setProperty (id, SEL, long, id, bool, bool);

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

然后再002-objc4-781源码找到这个函数

pic2

为了验证调用set方法是否走这几个函数，在源码工程文件中新建target，然后再target的main.m函数中新建类

#import <objc/runtime.h>
#import <objc/message.h>

@interface MCPerson : NSObject
@property (nonatomic,copy) NSString *name;
@end

@implementation MCPerson
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        MCPerson *p = [MCPerson alloc];
        p.name = @"asdasdasd";
    }
    return 0;
}

在调用.name函数的时候打断点，发现住了objc_setProperty_nonatomic_copy这个方法，很奇怪，objc_setProperty的一个扩展吧，不多里面调用的内容是差不多的，这里做个记号，以后解析一下

pic2

reallySetProperty 分析

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);//设置isa指向
        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);//返回新值
    }

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

    objc_release(oldValue);//释放旧址
}

objc_setProperty这个方法很有意思，相当于关联了上层的set和底层的set，本质是一个接口
这么设计的原因是可以服用，不需要每一个set单独编写一个方法
基于上述原因，苹果采用了适配器设计模式（即将底层接口适配为客户端需要的接口），对外提供一个接口，供上层的set方法使用，对内调用底层的set方法，使其相互不受影响，即无论上层怎么变，下层都是不变的，或者下层的变化也无法影响上层，主要是达到上下层接口隔离的目的

如图：

pic4

cls 与类的关联原理

在此之前，需要先了解什么是联合体，为什么isa的类型isa_t是使用联合体定义

构造数据类型的方式有以下两种：

结构体（struct）
联合体（union，也称为共用体）

结构体

结构体是指把不同的数据组合成一个整体，其变量是共存的，变量不管是否使用，都会分配内存。

缺点：所有属性都分配内存，比较浪费内存，假设有4个int成员，一共分配了16字节的内存，但是在使用时，你只使用了4字节，剩余的12字节就是属于内存的浪费
优点：存储容量较大，包容性强，且成员之间不会相互影响

联合体

联合体也是由不同的数据类型组成，但其变量是互斥的，所有的成员共占一段内存。而且共用体采用了内存覆盖技术，同一时刻只能保存一个成员的值，如果对新的成员赋值，就会将原来成员的值覆盖掉

缺点：包容性弱
优点：所有成员共用一段内存，使内存的使用更为精细灵活，同时也节省了内存空间

两者的区别

内存占用情况

结构体的各个成员会占用不同的内存，互相之间没有影响
共用体的所有成员占用同一段内存，修改一个成员会影响其余所有成员
内存分配大小

结构体内存 >= 所有成员占用的内存总和（成员之间可能会有缝隙）
共用体占用的内存等于最大的成员占用的内存(所以成员共享内存)
isa的类型 isa_t

以下是isa指针的类型isa_t的定义，从定义中可以看出是通过联合体（union）定义的。

union isa_t { //联合体
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
    //提供了cls 和 bits ，两者是互斥关系
    Class cls;
    uintptr_t bits;
#if defined(ISA_BITFIELD)
    struct {
        ISA_BITFIELD;  // defined in isa.h
    };
#endif
};

从isa_t的定义中可以看出：

提供了两个成员，cls 和 bits，由联合体的定义所知，这两个成员是互斥的，也就意味着，当初始化isa指针时，有两种初始化方式（根据nonpointer判断）,属于alloc流程

inline void 
objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor) 
{ 
    ASSERT(!isTaggedPointer()); 
    if (!nonpointer) {//此处判断如何初始化isa
        //通过cls初始化，bits无默认值
        isa = isa_t((uintptr_t)cls);
    } else {//一般我们创建的类都是nonpointer=true 
        //通过bits初始化，cls有默认值
        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
        isa = newisa;
    }
}

还提供了一个结构体定义的位域，用于存储类信息及其他信息，结构体的成员ISA_BITFIELD，这是一个宏定义，有两个版本 arm64（对应ios 移动端）和 x86_64（对应macOS），以下是它们的一些宏定义，如下图所示

pic5

nonpointer有两个值，表示自定义的类等，占1位
- 0：纯isa指针
- 1：不只是类对象地址，isa中包含了类信息、对象的引用计数等//我们创建的一般都是这个
has_assoc表示关联对象标志位，占1位
- 0：没有关联对象
- 1：存在关联对象
has_cxx_dtor 表示该对象是否有C++/OC的析构器（类似于dealloc），占1位
- 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
shiftclx表示存储类的指针的值（类的地址），即类信息
- arm64中占 33位，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
- x86_64中占 44位（mac电脑）
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，占6位
weakly_refrenced是指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 标志对象是是否正在释放内存

has_sidetable_rc表示当对象引用计数大于10时，则需要借用该变量存储进位
extra_rc（额外的引用计数） --- 导尿管表示该对象的引用计数值，实际上是引用计数值减1
- 如果对象的引用计数为10，那么extra_rc为9

针对两种不同平台，其isa的存储情况如图所示

pic6

isa初始化流程

alloc --> _objc_rootAlloc --> callAlloc --> _objc_rootAllocWithZone --> _class_createInstanceFromZone->initInstanceIsa->initIsa(上面贴了代码)

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结构体

联合体

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