Runtime源码剖析-对象

作者: 祀梦_ | 来源:发表于2022-12-08 14:32 被阅读0次

Runtime源码剖析-对象

预备知识

如果大家对联合体、位域相关知识不够熟悉的话，请参考联合体+位域

Clang

什么是Clang

Clang是一个C语言、C++、Objective-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是一个有Apple主导编写，基于LLVM的C/C++/Objective-C/Objective-C++编译器。

简单来说就是一个编译器，可以把我们写的OC代码，编译成C++代码。便于观察底层逻辑。

终端编译命令

首先需要在main.m文件中，创建一个Person类，然后在main函数中，创建一个对象

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

@implementation Person

@end
    
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Person *person1 = [[Person alloc] init];
    }
    return 0;
}

然后使用clang命令，把.m文件转换成.cpp文件

// 1. 通过clang命令
clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp 

// 编译引入 UIKit的文件
// UIKit报错
clang -x objective-c -rewrite-objc -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator.sdk main.m

// 2. 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
// 模拟器编译
xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp 
// 真机编译
xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main- arm64.cpp

执行完后，会在对应目录下生成.cpp文件

对象

对象结构

打开.cpp文件，我们想要知道对象的结构，于是我们先去寻找main方法，因为在oc中，我们在这个方法中创建了一个Person对象。

int main(int argc, const char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 
        Person *person1 = ((Person *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((Person *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("Person"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init"));
    }
    return 0;
}

然后我们发现最终创建了一个Person类型的指针，引用着Person对象。接着我们去查询Person的定义

#ifndef _REWRITER_typedef_Person
#define _REWRITER_typedef_Person
typedef struct objc_object Person;
typedef struct {} _objc_exc_Person;
#endif

发现其实Person对象，就是一个objc_object类型的结构体，我们接着去查询objc_object的定义

typedef struct objc_class *Class;

struct objc_object {
    Class _Nonnull isa __attribute__((deprecated));
};

这个时候发现，原来它内部包含了一个Class类型的指针，也就是说Person对象内部只有一个指针。本以为我们已经接近真相了，突然发现__attribute__((deprecated))这个标识符，通过查询它表示该变量已经被废弃。也就是说其实objc_object内部是空的什么也没有。我们现在已经得知对象就是一个struct objc_object类型的结构体，现在想要知道它内部是怎么实现的。这个时候通过苹果开源的OBJC4源码中，去查找对应的结构。

struct objc_object

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;
public:
    // 此处省略方法
};

可以看到除了一些公开方法外，只有一个成员变量，类型为isa_t的变量

isa_t

union isa_t {
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }

    uintptr_t bits;
private:
    Class cls;

public:
#if defined(ISA_BITFIELD)
    struct {
        ISA_BITFIELD;  // defined in isa.h
    };

    // 省略此处方法
#endif
    // 省略此处方法
};

此处isa_t是一个联合体，如果对这一块知识不够数序的，可以查看本文预备知识联合体+位域
它一共有两个成员变量bits和cls，共同占用这一段内存空间，由于它们是互斥的，同时只能使用其中一个变量
isa_t中还有一个结构体，其中ISA_BITFIELD位域信息，表述了bits的每一位的信息。所以本质上isa_t是一个联合体位域。下面我们看一下具体位域信息

ISA_BITFIELD

点击这个宏，你发现它对应两个版本。一个是__arm64__（iOS真机+模拟器），一个是__x86_64__（macOS）。这里我们就选择arm64真机版本来查看

#     define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL
#     define ISA_MAGIC_MASK  0x000003f000000001ULL
#     define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL
#     define ISA_HAS_CXX_DTOR_BIT 1
#     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 unused            : 1;                                       \
        uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;                                       \
        uintptr_t extra_rc          : 19
#     define RC_ONE   (1ULL<<45)
#     define RC_HALF  (1ULL<<18)

下面我们看一下具体的存储地址

image

各变量的含义：
1. nonpointer：表示是否对isa指针进行优化，0表示纯指针，1表示不止是类对象的地址，isa中包含了类信息、对象、引用计数等
2. has_assoc：关联对象标志位，0表示未关联，1表示关联
3. has_cxx_dtor：该对象是否C ++ 或者Objc的析构器，如果有析构函数，则需要做析构逻辑，没有，则释放对象
4. shiftcls：储存类指针的值，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架构中占44位
5. 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
6. weakly_referenced：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
7. deallocating：标志对象是否正在释放
8. has_sidetable_rc：当对象引用计数大于10时，则需要借用该变量存储进位
9. extra_rc：表示该对象的引用计数值，实际上引用计数值减1，例如，如果对象的引用计数为10，那么extra_rc为9，如果大于10，就需要用到上面的has_sidetable_rc

总结

isa_t分为nonpointer类型和非nonpointer。非nonpointer类型只是一个纯指针，nonpointer还包含了类的信息。什么是nonpointer和非nonpointer，参考Non-pointer isa
isa_t是联合体+位域的方式存储信息的。采用这种方式的有点就是节省大量内存。通过位域的方式，可以在isa上面存储更多相关信息，内存得到充分的利用

Isa_t初始流程

在Runtime源码剖析-alloc我们讲到alloc主要干了三件事，最后一件事就是把开辟的内存和类联系起来，具体就是通过initInstanceIsa达到这个目的。下面我们就来看看具体这个方法做了什么操作。

initInstanceIsa

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

    initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
}

该方法中调用了initIsa方法

initIsa

inline void 
objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, UNUSED_WITHOUT_INDEXED_ISA_AND_DTOR_BIT bool hasCxxDtor)
{ 
    ASSERT(!isTaggedPointer()); 
    
    isa_t newisa(0);

    if (!nonpointer) {
        newisa.setClass(cls, this);
    } else {
        ASSERT(!DisableNonpointerIsa);
        ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());


#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
#   if ISA_HAS_CXX_DTOR_BIT
        newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
#   endif
        newisa.setClass(cls, this);
#endif
        newisa.extra_rc = 1;
    }

    isa = newisa;
}

在这个方法里面，首先判断是否是nonpointer，如不是的话，说明isa_t就是一个指针，直接把把类地址传给他。如果是的话，说明isa_t是一个联合体位域，里面不仅仅包含类地址，还有一些别的信息。
接着我们遇到一个宏定义SUPPORT_INDEXED_ISA，简单来说就是watch手表使用的架构，则该宏定义为1，其他架构为0。具体该宏的定义可以查看此篇文章SUPPORT_INDEXED_ISA
由于我们研究的目的是在iOS上应用，所以此处宏定义为0，我们走下面这块代码

newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;
// isa.magic is part of ISA_MAGIC_VALUE
// isa.nonpointer is part of ISA_MAGIC_VALUE
#   if ISA_HAS_CXX_DTOR_BIT
newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
#   endif
newisa.setClass(cls, this);
#endif
newisa.extra_rc = 1;

可以发现我们初始化就只有4步了，由于这里是在mac平台下的调试，所以这里以__x86_64__平台下isa_t位域来进行初始化，arm64初始化结构类似。

newisa.bits

我们来看看ISA_MAGIC_VALUE的定义

#define ISA_MAGIC_VALUE 0x001d800000000001ULL
二进制表示：11101100000000000000000000000000000000000000000000001

我们转换成二进制数据，然后看一下哪些属性对应的位域被这行代码初始化了（标记为红色）

image

从图中了解到，在使用 ISA_MAGIC_VALUE 设置 isa_t 结构体之后，实际上只是设置了 nonpointer 以及 magic 这两部分的值。
magic 的值为 0x3b 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

newisa.has_cxx_dtor

has_cxx_dtor表示当前对象有 C++ 或者 ObjC 的析构器(destructor)，如果有析构器就会快速释放内存。

image

newisa.setClass

这一步主要是把类的地址存下来

inline void
isa_t::setClass(Class newCls, UNUSED_WITHOUT_PTRAUTH objc_object *obj)
{
    // Match the conditional in isa.h.
#if __has_feature(ptrauth_calls) || TARGET_OS_SIMULATOR
#   if ISA_SIGNING_SIGN_MODE == ISA_SIGNING_SIGN_NONE
    // No signing, just use the raw pointer.
    uintptr_t signedCls = (uintptr_t)newCls;

#   elif ISA_SIGNING_SIGN_MODE == ISA_SIGNING_SIGN_ONLY_SWIFT
    // We're only signing Swift classes. Non-Swift classes just use
    // the raw pointer
    uintptr_t signedCls = (uintptr_t)newCls;
    if (newCls->isSwiftStable())
        signedCls = (uintptr_t)ptrauth_sign_unauthenticated((void *)newCls, ISA_SIGNING_KEY, ptrauth_blend_discriminator(obj, ISA_SIGNING_DISCRIMINATOR));

#   elif ISA_SIGNING_SIGN_MODE == ISA_SIGNING_SIGN_ALL
    // We're signing everything
    uintptr_t signedCls = (uintptr_t)ptrauth_sign_unauthenticated((void *)newCls, ISA_SIGNING_KEY, ptrauth_blend_discriminator(obj, ISA_SIGNING_DISCRIMINATOR));

#   else
#       error Unknown isa signing mode.
#   endif

    shiftcls_and_sig = signedCls >> 3;

#elif SUPPORT_INDEXED_ISA
    // Indexed isa only uses this method to set a raw pointer class.
    // Setting an indexed class is handled separately.
    cls = newCls;

#else // Nonpointer isa, no ptrauth
    shiftcls = (uintptr_t)newCls >> 3;
#endif
}

通过断点调试，可知最终走的是shiftcls = (uintptr_t)newCls >> 3;
这里为什么需要把类的地址右移三位？
- MACH_VM_MAX_ADDRESS表示虚拟内存最大寻址空间，在__arm64__中MACH_VM_MAX_ADDRESS = 0x1000000000 虚拟内存最大寻址空间是36位。在__x86_64__中MACH_VM_MAX_ADDRESS = 0x7fffffe00000 虚拟内存最大寻址空间是47位。
- 字节对齐是8字节对齐，也就是说指针的地址只能是8的倍数，那么指针地址的后3位只能是0
- 为了节省内存空间，把后3位是0抹去
地址填进去后，位域变化如下

image

newisa.extra_rc

表示该对象的引用计数为1

Runtime源码剖析-对象

Runtime源码剖析-对象

预备知识

Clang

什么是Clang

终端编译命令

对象

对象结构

struct objc_object

isa_t

ISA_BITFIELD

总结

Isa_t初始流程

initInstanceIsa

initIsa

newisa.bits

newisa.has_cxx_dtor

newisa.setClass

newisa.extra_rc

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