1OS底层-对象本质&联合体&isa关联

作者: lkm_0bdc | 来源:发表于2020-09-11 19:14 被阅读0次

之前一直讲述对象本质，它的底层又做了什么。

在探索对象本质之前我们需要了解一下`clang`

Clang是一个C语言、C++、Objeactive-C语言的轻量级编译器，源代码发布于BSD协议下。
Clang 将支持其普通lambda表达式、返回类型的简化处理以及更好的处理constexpr关键字
Clang是一个由Applez主导编写，基于LLVM的C/C++/Objective-C编译器
主要用于底层编译，将一些编译文件编译成.cpp文件，方便观察底层的一些结构和实现逻辑，方便理解底层。

Clang创建.cpp文件

首先我们需要打开终端，cd main文件目录下的路径
然后输入clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp创建main.cpp文件。

通过搜索LGPerson定位到到struct 结构体，通过name我们可以知道对象编译的底层就是结构体。

mian.cpp文件中有多处都使用了NSObject_IVARS，其实它就是就是一个指针。

mian.cpp文件文件中的_I_LGPerson_name是一个get方法，_I_LGPerson_setName是set方法

set方法有一个objc_setProperty方法，所有set的方法都会调用，它类似一个工厂模式。

在objc4-781编译源码中搜索objc_setProperty方法

跳转objc_setProperty源码中

跳转reallySetProperty源码中，可以看到objc_setProperty方法的具体实现，对新值的return，对旧值的release。

每个属性的set方法，都做同样的事情（对新值的return，对旧值的release），因为每个属性对接下层，系统llvm会生成很多的临时变量，很难查找，所以所有的set方法，都会走objc_setProperty函数。

我们可以根据cmd区分属性

oc的对象就是结构体本质，继承于NSObject的isa ，同时我们分析到了非常重要且非常著名的objc的initinstanceIsa，在开始讲之前我们先扩展一个内容就是联合体位域。

首先对象内存的开辟来自于属性，LGCar类有四个属性，假如四个属性都是int类型，那么4*4 = 16字节，16 * 8位 = 128位这四个只是简单的标识，128位实在是太浪费了，所以为了节省空间，我们不需要属性，而是通过set和get方法。set方法通过1字节 = 8位存储，在0000 1111中对应front，back，left，right属性（结构体的顺序是从前往后），如果是位运算进行处理就是char+位域。

@interface LGCar : NSObject
@property (nonatomic, assign) BOOL front;
@property (nonatomic, assign) BOOL back;
@property (nonatomic, assign) BOOL left;
@property (nonatomic, assign) BOOL right;
- (void)setFront:(BOOL)isFront;  // 存储 : 1字节 = 8位 0000 1111  char + 位域  bit 结构体
- (BOOL)isFront;

- (void)setBack:(BOOL)isBack;
- (BOOL)isBack;

@end

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。
联合体位域（union）中是各变量是互斥--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。

结构体存在共存的关系，LGCar类的属性中，例如：向前就没有必要向后，同时为了更为精细灵活以及节省空间，我们就引入了联合体位域。

isa的类型isa_t

以下是isa指针类型的isa_t定义，从定义可以看出使用了联合体（union）

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
    };

isa_t类型使用联合体（union），是因为内存优化的考虑，这里的内存优化是char+位域的实现，通常说一个isa指针占用8字节，即64位，已经足够存储很多信息，极大的节省内存，提高性能。

在isa中定义可以看出：

提供了两个成员cls和bits，根据联合体，它们是互斥的关系，也就意味着，当初始化isa指针，有两种初始化关系。
- 通过cls初始化，bits无默认值
- 通过bits初始化，cls有默认值
提供一个结构体定义的位域，用于存储类信息和其他信息，结构体的成员是一个宏定义ISA_BITFIELD，有两个版本：
- 移动端 __arm64__
- mac OS __x86_64__
  位域宏定义--借用Style_月月

NONPOINTER_ISA

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：没有关联对象
- 1：存在关联对象
has_cxx_dtor:该对象是否有 C++ 或者 Objc 的析构器（类似delloc）
- 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:存储类指针的值即类信息
- arm64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占用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
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。
isa存储情况 --借用Style_月月图

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());

    initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
}

跳转进入initIsa源码中

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;
    }
}

验证isa指针位域

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）

main中的LGPerson 断点 --> initInstanceIsa --> initIsa --> 走到else中的 isa初始化
通过lldb，输入p newisa，打印isa信息
断点进入newisa.bits,执行p newisa lldb命令的打印结果

通过newsize的信息对比，发现isa指针中有一些变化，如下图所示

isa 和bits数据比对.jpg

其中magic的值是59，是由于isa指针地址转为二进制，从47位开始读取6位，再转为二进制

magic的说明

isa和类的关联

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

方法一：通过initIsa方法

运行至newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;代码段，shiftcls存储当前类的值信息
- 查看cls，是LGPerson类
- shiftcls赋值的逻辑是将LGPerson进行编码后，右移3位
执行lldb命令 p (uintptr_t)cls，得到的是(uintptr_t) $2 = 4294975720，有以下两种方式（二选一），对newisa的shiftcls进行赋值
- p (uintptr_t)cls >> 3
- 输入p (uintptr_t)cls 获得$3 = 4294975728 ，然后p $3>>3 获得

继续执行程序到isa = newisa;部分，此时执行p newisa

与bits赋值结果对比，有两处发生改变

cls由默认值，变成LGPerson，将isa与cls完美关联
shiftcls由0变成了536871965
isa 和bits数据比对.jpg

由此可以观察isa初始化到isa的shiftcls的赋值过程即值的改变过程，如图

shiftcls赋值.png

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
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0x001d8001000021fd
将isa指针地址 & ISA_MASK （处于macOS，使用x86_64中的宏定义），即 po 0x001d8001000021fd & 0x00007ffffffffff8 ，得出LGPerson

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

跳转进入object_getClass 底层实现

跳转进入getIsa源码
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
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）

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
将isa地址右移3位：p/x 0x001d8001000021fd >> 3 ，得到0x0003b0002000043f
在将得到的0x0003b0002000043f``左移20位：p/x 0x0003b0002000043f << 20 ,得到0x0002000043f00000
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0x0002000043f00000 再右移17位：p/x 0x0002000043f00000 >> 17 得到新的0x00000001000021f8
获取cls的地址与上面的进行验证：p/x cls 也得出0x00000001000021f8，所以由此可以证明 cls 与 isa 是关联的

1OS底层-对象本质&联合体&isa关联

在探索对象本质之前我们需要了解一下`clang`

Clang创建.cpp文件

isa的类型isa_t

在isa中定义可以看出：

NONPOINTER_ISA

原理探索

验证isa指针位域

isa和类的关联

方法一：通过initIsa方法

为什么在shiftcls赋值时需要类型强转？

为什么需要右移3位？

方式三：通过 object_getClass

方式四：通过位运算

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在isa中定义可以看出：

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方法一：通过initIsa方法

为什么在shiftcls赋值时需要类型强转？

为什么需要右移3位？

方式三：通过 object_getClass

方式四：通过位运算

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