isa结构解析

我们知道绝大多数的OC对象都是继承自NSObject，而在NSObject的定义中只有一个属性---isa，而isa就是什么，保存了哪些信息，本文将对此进行探究。

@interface NSObject <NSObject> {
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wobjc-interface-ivars"
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#pragma clang diagnostic pop
}

探究isa源码位置

我们同样是通过苹果开源的代码objc4来探索isa的本质。

前面通过OC对象alloc流程分析，得知alloc最终会走到_class_createInstanceFromZone中创建对象，而在其中调用了一个initInstanceIsa方法，顾名思义，这是一个初始化isa的方法，我们可以通过这个方法，窥探苹果isa中储存了哪些信息。

跟进initInstanceIsa方法，

inline void 
objc_object::initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor)
{
    ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());
    ASSERT(hasCxxDtor == cls->hasCxxDtor());

    initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
}

继续跟进initIsa，

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;
    }
}

可以看到，isa是isa_t类型的,我们可以开始探究isa的本质。

isa_t的定义

在objc-private.h的68～79行中，isa_t是这么定义

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
};

可以看到isa_t是一个联合体（共用体），根据联合体的性质，isa_t有3种可能的值:Class类型、uintptr_t类型和struct类型，这三个值共用一块内存，联合体的内存大小根据最大类型值的大小而定，而isa_t中，Class是指针类型，大小为8个字节，uintptr_t实际是long类型，也是8个字节，而struct也是8个字节（可以查看ISA_BITFIELD的定义计算得到），所以，isa_t占用8个字节的内存。

因为isa_t三个值都是相同的8个字节大小，所以可以说它们之间是互斥的，赋予isa另一个类型的值将会覆盖初始的类型值。

isa结构解析

回到objc_object::initIsa方法中，它会先判断当前isa是不是纯指针类型的，如果是，那么它就直接将class赋值给isa，也就是类对象。如果不是（大多数情况下不是纯指针），那么就会采用位域的方式，存放多种信息。

查看ISA_BITFIELD的定义

# if __arm64__
#   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
      
# elif __x86_64__
#   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

类对象只存放在中间第3位～35位的位置（arm64中），毕竟用64位来存放一个指针确实是有点太奢侈了，而其他位则表示不其他同的信息。我们可以通过名字和查阅资料文档得到它们的表示信息

成员名	位域	代表信息
nonpointer	0	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中包含了勒信息、对象的应用计数等。
has_assoc	1	关联对象标志位，0：没有，1：存在
has_cxx_dtor	2	该对象是否有C++或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	3～35	存储类指针的值，开启指针优化的情况下，有33位用来存储类指针
magic	36～41	用于调试器判断当前对象是真的对像还是没有初始化的空间
weakly_referenced	42	指对象是否被指向或曾经指向一个ARC的弱变量，没有弱引用的对象可以更快释放
deallocating	43	标志着对象是否正在释放内存
has_sidetable_rc	44	但对象引用计数大于10，则需要借用该变量存储进位
extra_rc	45~63	表示该对象的引用计数值，实际上是引用计数起减1，例如，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has_sidetable_rc

画板.png

这样的做法很大地节省了内存空间，当需要通过isa找到类地址时，只需要与上一个特定数，即可获得Class。

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
}

#   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL

ISA_MASK转化为2进制为0b0000000000000000000000000000111111111111111111111111111111111000