iOS-底层原理 07：isa与类关联的原理

iOS 底层原理 文章汇总

本文的主要目的是理解类与isa是如何关联的

在介绍正文之前，首先需要理解一个概念：OC对象的本质是什么？

OC对象本质

在探索oc对象本质前，先了解一个编译器：clang

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。

探索对象本质

• 在main中自定义一个类LGPerson，有一个属性name

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

@implementation LGPerson
@end

• 通过终端，利用clang将main.m编译成 main.cpp，有以下几种编译命令，这里使用的是第一种

//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 

• 打开编译好的main.cpp，找到LGPerson的定义，发现LGPerson在底层会被编译成 struct 结构体

  • LGPerson_IMPL中的第一个属性 其实就是 isa，是继承自NSObject，属于伪继承，伪继承的方式是直接将NSObject结构体定义为LGPerson中的第一个属性，意味着LGPerson 拥有 NSObject中的所有成员变量。

  • LGPerson中的第一个属性 NSObject_IVARS 等效于 NSObject中的 isa

//NSObject的定义
@interface NSObject <NSObject> {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
}

//NSObject 的底层编译
struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};

//LGPerson的底层编译
struct LGPerson_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS; // 等效于 Class isa;
    NSString *_name;
};

如下图所示

clang编译后的LGPerson

通过上述分析，理解了OC对象的本质，但是看到NSObject的定义，会产生一个疑问：为什么isa的类型是Class?

• 在iOS-底层原理 02：alloc & init & new 源码分析文章中，提及过alloc方法的核心之一的initInstanceIsa方法，通过查看这个方法的源码实现，我们发现，在初始化isa指针时，是通过isa_t类型初始化的，
• 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，类似于swift中的 as 的强转。源码中isa的强转如下图所示
  源码中`isa`的`强转`

总结

所以从上述探索过程中可以得出：

• OC对象的本质 其实就是 结构体

• LGPerson中的isa是继承自NSObject中的isa

objc_setProperty 源码探索

除了LGPersong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。

编译后的set方法

可以通过以下步骤来一步步解开 objc_setProperty的底层实现

• 在objc4-781中全局搜索objc_setProperty，找到objc_setProperty的源码实现
  

  objc_setProperty的源码实现

• 进入reallySetProperty的源码实现，其方法的原理就是新值retain，旧值release
  

  reallySetProperty源码实现

总结

通过对objc_setProperty的底层源码探索，有以下几点说明：

• objc_setProperty方法的目的适用于关联 上层的set方法 以及 底层的set方法，其本质就是一个接口

• 这么设计的原因是，上层的set方法有很多，如果直接调用底层set方法中，会产生很多的临时变量，当你想查找一个sel时，会非常麻烦

• 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

下图是上层、隔离层、底层之间的关系

上层、隔离层、底层之间的关系

cls 与 类 的关联原理

在在iOS-底层原理 02：alloc & init & new 源码分析与iOS-底层原理 05：内存对齐原理中分别分析了alloc中3核心的前两个，今天来探索initInstanceIsa是如何将cls与isa关联的

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

联合体（union）

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

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
};

isa_t类型使用联合体的原因也是基于内存优化的考虑，这里的内存优化是指在isa指针中通过char + 位域（即二进制中每一位均可表示不同的信息）的原理实现。通常来说，isa指针占用的内存大小是8字节，即64位，已经足够存储很多的信息了，这样可以极大的节省内存，以提高性能

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

  • 通过cls初始化，bits无默认值

  • 通过bits初始化，cls有默认值

• 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
  

  位域的宏定义

  • 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

  • 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

  • shiftcls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

  • 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

isa存储情况

原理探索

• 通过alloc --> _objc_rootAlloc --> callAlloc --> _objc_rootAllocWithZone --> _class_createInstanceFromZone方法路径，查找到initInstanceIsa，并进入其原理实现

inline void 
objc_object::initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor)
{
    ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());
    ASSERT(hasCxxDtor == cls->hasCxxDtor());
    //初始化isa
    initIsa(cls, true, hasCxxDtor); 
}

• 进入initIsa方法的源码实现，主要是初始化isa指针
  initIsa源码实现
  该方法的逻辑主要分为两部分
  • 通过 cls 初始化 isa
  • 通过 bits 初始化 isa

验证 isa指针 位域（0-64）

根据前文提及的0-64位域，可以在这里通过initIsa方法中证明有isa指针中有这些位域（目前是处于macOS，所以使用的是x86_64）

• 首先通过main中的LGPerson 断点 --> initInstanceIsa --> initIsa --> 走到else中的 isa初始化
  

  else中的isa初始化

• 执行lldb命令：p newisa，得到newisa的详细信息
  

  lldb命令结果

• 继续往下执行，走到newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;下一行，表示为isa的bits成员赋值，重新执行lldb命令p newisa，得到的结果如下
  

  再次执行p命令的结果
  通过与前一个newsize的信息对比，发现isa指针中有一些变化，如下图所示
  newisa中bits数据对比
  • 其中magic是59是由于将isa指针地址转换为二进制，从47（因为前面有4个位域，共占用47位，地址是从0开始）位开始读取6位，再转换为十进制，如下图所示
    magic是59的来源

isa 与 类 的关联

cls 与 isa 关联原理就是isa指针中的shiftcls位域中存储了类信息，其中initInstanceIsa的过程是将 calloc 指针 和当前的 类cls 关联起来，有以下几种验证方式：

• 【方式一】通过initIsa方法中的newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;验证

• 【方式二】通过isa指针地址与ISA_MSAK 的值 & 来验证

• 【方式三】通过runtime的方法object_getClass验证

• 【方式四】通过位运算验证

方式一：通过 initIsa 方法

• 运行至newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;前一步，其中 shiftcls存储当前类的值信息

  • 此时查看cls，是LGPerson类

  • shiftcls赋值的逻辑是将 LGPerson进行编码后，右移3位
    

    shiftcls的赋值中的cls

• 执行lldb命令p (uintptr_t)cls，结果为(uintptr_t) $2 = 4294975720,再右移三位，有以下两种方式（任选其一），将得到536871965存储到newisa的shiftcls中

  • p (uintptr_t)cls >> 3

  • 通过上一步的结果$2，执行lldb命令p $2 >> 3
    

    isa右移3位

• 继续执行程序到isa = newisa;部分，此时执行p newisa
  

  执行p的结果
  与bits赋值结果的对比，bits的位域中有两处变化
  • cls 由默认值，变成了LGPerson，将isa与cls完美关联
  • shiftcls由0变成了536871965
    前后结果对比

所以isa中通过初始化后的成员的值变化过程，如下图所示

isa成员值变化过程

为什么在shiftcls赋值时需要类型强转？

因为内存的存储不能存储字符串，机器码只能识别 0 、1这两种数字，所以需要将其转换为uintptr_t数据类型，这样shiftcls中存储的类信息才能被机器码理解， 其中uintptr_t是long

为什么需要右移3位？

主要是由于shiftcls处于isa指针地址的中间部分，前面还有3个位域，为了不影响前面的3个位域的数据，需要右移将其抹零。

方式二：通过 isa & ISA_MSAK

• 在方式一后，继续执行，回到_class_createInstanceFromZone方法，此时cls 与 isa已经关联完成，执行po objc

• 执行x/4gx obj,得到isa指针的地址0x001d8001000020e9

• 将isa指针地址 & ISA_MASK （处于macOS，使用x86_64中的宏定义），即 po 0x001d8001000020e9 & 0x00007ffffffffff8 ，得出LGPerson

  • arm64中，ISA_MASK 宏定义的值为0x0000000ffffffff8ULL

  • x86_64中，ISA_MASK 宏定义的值为0x00007ffffffffff8ULL
    

    isa & ISA_MASK的结果

方式三：通过 object_getClass

通过查看object_getClass的源码实现，同样可以验证isa与类关联的原理，有以下几步：

• main中导入#import <objc/runtime.h>

• 通过runtime的api，即object_getClass函数获取类信息

object_getClass(<#id  _Nullable obj#>)

• 查看object_getClass函数 源码的实现
  

  objc4中查找object_getClass函数

• 点击进入object_getClass 底层实现
  

  object_getClass源码实现

• 进入getIsa的源码实现
  

  getIsa源码实现

• 点击ISA()，进入源码，可以看到如果是indexed类型，执行if流程，反之 执行的是else流程
  

  ISA()源码实现
  • 在else流程中，拿到isa的bits这个位，再 & ISA_MASK，这与方式二中的原理是一致的，获得当前的类信息
  • 从这里也可以得出 cls 与 isa 已经完美关联

方式四：通过位运算

• 回到_class_createInstanceFromZone方法。通过x/4gx obj 得到obj的存储信息，当前类的信息存储在isa指针中，且isa中的shiftcls此时占44位（因为处于macOS环境）
  

  obj内存情况

• 想要读取中间的44位 类信息，就需要经过位运算 ，将右边3位，和左边除去44位以外的部分都抹零，其相对位置是不变的。其位运算过程如图所示，其中shiftcls即为需要读取的类信息
  

  位运算计算过程

  • 将isa地址右移3位：p/x 0x001d8001000020e9 >> 3 ，得到0x0003b0002000041d

  • 在将得到的0x0003b0002000041d``左移20位：p/x 0x0003b0002000041d << 20 ,得到0x0002000041d00000

    • 为什么是左移20位？因为先右移了3位，相当于向右偏移了3位，而左边需要抹零的位数有17位，所以一共需要移动20位

  • 将得到的0x0002000041d00000 再右移17位：p/x 0x0002000041d00000 >> 17 得到新的0x00000001000020e8

• 获取cls的地址 与 上面的进行验证 ：p/x cls 也得出0x00000001000020e8，所以由此可以证明 cls 与 isa 是关联的
  

  执行p的结果