Runtime源码 类、对象、isa

OC做为一门动态语言，runtime是其最大的特点，它是一套底层的 C 语言 API，是 iOS 系统的核心之一。开发者在编码过程中，可以给任意一个对象发送消息，在编译阶段只是确定了要向接收者发送这条消息，而接受者将要如何响应和处理这条消息，那就要看运行时来决定了。在日常开发过程中类、对象、属性算是最常见的了，今天以对象为切入点，分析一下对象和类在runtime层面的表示。

类

类在runtime的表示为：

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;
    ...
}

最关键的就是isa_t这个类型和一系列的构造函数，点击查看isa_t发现这是一个联合体：

union isa_t 
{
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
    Class cls;
 }

可以看到这个联合体里面有个Class类型的属性cls，看起来里面应该是关于这个对象的类的相关信息，那我们再看看Class包含了哪些内容。

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
    ...
}

由此可见Class是一个objcclass类型的结构体，而objc_class继承自objc_object，说明类也是一个对象，只是比普通的对象多了一些属性，比如superclass等。
先不看这些属性，这里还有一个很奇怪的问题，既然类也是一个objc_object，那就是说类也有一个isa指针，那类的isa指针指向哪里呢？查看了不少资料，这篇讲的挺好:Classes and metaclasses
大致意思是在class之上还有叫做元类（meta class）的存在，而class的isa指针就是指向对应的meta class。

我们都知道class中存储的是描述对象的相关信息，那么相应的meta class中存放的就是描述class相关信息。说的更直白一点，在我们写代码时，通过对象来调用的方法（实例方法）都是存储在class中的，通过类名来调用的方法（类方法）都是存储在meta class中的。

到这里对象和类的关系已经比较清楚了，但是如果细细思考一下，会发现还有一个问题，就是meta class也是有isa指针的，那么这个isa又指向了哪里呢？在上面给出的那篇文章里面有这么一张图：

class diagram

由图可知：meta class的isa指向root meta class（绝大部分情况下是NSObject），root meta class的isa指针指向自己。

isa_t

先看看完整的isa_t,因为运行环境是osx，所以只截取x86_64部分，arm64的区别只在于部分字段的位数不同，字段是完全相同的：

union isa_t 
{
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }   
    Class cls;
    uintptr_t bits;  
#   __x86_64__  
#   define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL
#   define ISA_MAGIC_MASK  0x001f800000000001ULL
#   define ISA_MAGIC_VALUE 0x001d800000000001ULL
    struct {
        uintptr_t nonpointer        : 1;
        uintptr_t has_assoc         : 1;
        uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;
        uintptr_t shiftcls          : 44; 
        uintptr_t magic             : 6;
        uintptr_t weakly_referenced : 1;
        uintptr_t deallocating      : 1;
        uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;
        uintptr_t extra_rc          : 8;
#       define RC_ONE   (1ULL<<56)
#       define RC_HALF  (1ULL<<7)
    };
}

看这个定义只能大概看出个框架，下面从isa的初始化过程来看看isa_t究竟是如何存储类或者元类的相关信息。

inline void 
objc_object::initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor)
{
    initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
}

inline void 
objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor)   
{ 
    if (!nonpointer) {
        isa.cls = cls;
    } else {
        isa_t newisa(0);
        newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;
        newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
        newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;
        isa = newisa;
    }
}

上来就看不懂，nonpointer是个什么，为什么在这里传的是true？在之前那位大神的另一篇文章中也有解释：Non-pointer isa。

大概的意思是在64位系统中，为了降低内存使用，提升性能，isa中有一部分字段用来存储其他信息。这也解释了上面isa_t的那部分结构体。

这有点像taggedPointer，两者之间有什么区别？备注一下后面再研究。

现在知道了nonpointer为什么是true，那么把initIsa方法先简化一下:

inline void 
objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor) 
{ 
    isa_t newisa(0);
    newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;
    newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
    newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;
    isa = newisa;
}
#   define ISA_MAGIC_VALUE 0x001d800000000001ULL

一共三部分：

1. newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;
   从ISA_MAGIC_VALUE的定义中可以看到这个字段初始化了两个部分，一个是magic字段(6位:111011)，一个是nonpointer字段(1位:1)，magic字段用于校验，nonpointer之前已经详细分析过了。

2. newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
   这个字段存储类是否有c++析构器。

3. newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;
   将cls右移3位存到shiftcls中，从isa_t的结构体中也可以看到低3位都是用来存储其他信息的，既然可以右移三位，那就代表类地址的低三位全部都是0，否则就出错了，补0的作用应该是为了字节对齐。

因为nonpointer的缘故，isa并不只是用来存储类地址了，所以需要提供一个额外的方法来返回真正的地址：

inline Class 
objc_object::ISA() 
{
    return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);
}

#   define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL

其实就是取isa_t结构体的shiftcls字段。

还有一些其他的字段，把上面那篇文章中相关部分翻译过来放在下面：

// 是否曾经或正在被关联引用，如果没有，可以快速释放内存
uintptr_t has_assoc : 1;

// 对象是否曾经或正在被弱引用，如果没有，可以快速释放内存
uintptr_t weakly_referenced : 1;

// 对象是否正在释放内存
uintptr_t deallocating : 1;

// 对象的引用计数太大，无法存储
uintptr_t has_sidetable_rc : 1;

// 对象的引用计数超过1，比如10，则此值为9
uintptr_t extra_rc : 8;

class_data_bits_t bits

通过注释（class_rw_t * plus custom rr/alloc flags）可以看到：class_data_bits_t其实是class_rw_t* 加上自定义的rr/alloc标志，rr/alloc标志是指含有的retain/release/autorelease/retainCount/alloc等。

struct class_rw_t {
    // Be warned that Symbolication knows the layout of this structure.
    uint32_t flags;
    uint32_t version;

    const class_ro_t *ro;

    method_array_t methods;
    property_array_t properties;
    protocol_array_t protocols;

    Class firstSubclass;
    Class nextSiblingClass;

    char *demangledName;
}

里面有个很相似的结构体class_ro_t,其定义如下：

struct class_ro_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t instanceStart;
    uint32_t instanceSize;
#ifdef __LP64__
    uint32_t reserved;
#endif

    const uint8_t * ivarLayout;
    
    const char * name;
    method_list_t * baseMethodList;
    protocol_list_t * baseProtocols;
    const ivar_list_t * ivars;

    const uint8_t * weakIvarLayout;
    property_list_t *baseProperties;

    method_list_t *baseMethods() const {
        return baseMethodList;
    }
};

rw是指readwrite，ro是指readonly。也就是说在可读可写的结构体中存放了一个只读的结构体，而且这两个结构体很相似。

• 在编译期，类的相关方法，属性，协议会被添加到class_ro_t这个只读的结构体中。
• 在运行时，类第一次被调用的时候，class_rw_t会被初始化，category中的内容依然是这个时候被添加进来的。
• class_rw_t不仅仅用来存放运行时添加的信息，编译期确定下来的信息也会被拷贝进去。

资料：对象、类和isa
isa和class