Runtime 01 - isa

Runtime 又叫运行时，是一套 C 语言的 API，Objective-C 是一门动态编程语言，其动态性是由 Runtime 来支撑和实现的，Runtime 源码由 C/C++/汇编语言编写。

在使用 Objective-C 编码的过程中，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受者发送这条消息，而接收者如果响应和处理消息，在运行时阶段来决定。

平时编写的 Objective-C 代码，都会由编译器转换成运行时代码，很多操作会推迟到运行时再进行。

当我们导入 objc/runtime.h 和 objc/message.h 后，会发现代码提示不全，原因是从 Xcode5 开始，官方不建议我们手动调用 Runtime API。可以通过修改 Build Settings 中的一个配置项来解决。

默认值为 YES，修改为 NO 即可。

Runtime 的具体应用

• 使用关联对象（AssociatedObject）为 Category 添加属性。
• 遍历 Class 的所有成员变量（修改 UITextField 的占位文本颜色、字典转模型、自动归档解档等）。
• 交换方法实现（交换系统的方法）。
• 利用消息转发机制解决方法找不到的异常问题。
• ...

isa

• 要了解 Runtime，首先要了解它底层的一些常用数据结构，比如 isa 指针。
• 在 arm64 架构之前，isa 就是一个普通的指针，存储着 Class 对象、Meta-Class 对象的内存地址。
• 从 arm64 架构开始，对 isa 进行了优化，变成了一个共用体（union），还使用位域来存储更多信息。

isa_t 源码（对 objc_class 的解读参考这里Objective-C 对象的本质 01 - 底层实现）：

typedef unsigned long uintptr_t;

union isa_t {
    isa_t() { }
    isa_t(uintprt_t value) : bits(value) { }
    
    Class cls;
    uintptr_t bits;
    
    // 通过掩码的方式获取 shiftcls 和 magic 的值。
    # define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL
    # define ISA_MAGIC_MASK  0x000003f000000001ULL
    # define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL
    
    struct {
        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;
        # define RC_ONE   (1ULL<<45)
        # define RC_HALF  (1ULL<<18)
    };
};

isa 位域

• nonpointer：
  • 0：代表普通指针，存储着 Class 对象、Meta-Class 对象的内存地址。
  • 1：代表开启 isa 指针优化，使用位域存储更多的信息。
• has_assoc：
  • 是否有设置过关联对象，如果没有，释放时会更快。
• has_cxx_dtor：
  • 是否有 C++ 的析构函数（.cxx_destruct），如果没有，释放时会更快。
• shiftcls：
  • 存储着 Class 对象、Meta-Class 对象的内存地址，arm64 架构中有 33 位可以存储地址。
  • 根据 ISA_MASK 可以得知，Class 对象、Meta-Class 对象的内存地址值后三位（二进制位）永远为0。
• magic：
  • 用户判断对象是否初始化完成，在 arm64 中 0x16 是调试器判断当前对象是初始化完成的还是没有初始化的空间。
• weakly_referenced：
  • 是否有被弱引用指向过，如果没有，释放时会更快。
• deallocating：
  • 对象是否正在释放内存。
• has_sidetable_rc：
  • 用于判断对象的引用计数是否过大，如果 extra_rc 位域无法容纳引用计数，会存储到 SideTable 的属性中。
• extra_rc：
  • 存放对象的引用计数值减一后的结果，对象的引用计数超过 1，会存储到这里。

从 objc_destructInstance 函数中，可以看到对象设置过关联对象或有 C++ 析构函数，会进行对应的释放操作。

/***********************************************************************
* objc_destructInstance
* Destroys an instance without freeing memory. 
* Calls C++ destructors.
* Calls ARC ivar cleanup.
* Removes associative references.
* Returns `obj`. Does nothing if `obj` is nil.
**********************************************************************/
void *objc_destructInstance(id obj) 
{
    if (obj) {
        // Read all of the flags at once for performance.
        bool cxx = obj->hasCxxDtor();
        bool assoc = obj->hasAssociatedObjects();

        // This order is important.
        if (cxx) object_cxxDestruct(obj);
        if (assoc) _object_remove_assocations(obj);
        obj->clearDeallocating();
    }

    return obj;
}

参考资料

神经病院Objective-C Runtime入院第一天——isa和Class