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Objective-C的动态性

我们都知道OC是一门动态性的语言，那么怎么理解动态性呢？动态性是指能将操作推迟到运行时再执行，所谓的运行时是指代码经过编译、链接之后，执行的状态。OC的动态性是由Runtime实现的。Runtime是一套C语言API，封装着很多动态性相关的函数。动态性有很多实践应用，比如：

利用关联对象(AssociatedObject)给分类添加属性
遍历类的所有成员变量。
交换方法实现。
利用消息转发机制解决方法找不到的异常问题
等等

isa详解

我们知道OC中有类与元类之说，如下图是经典的对象关系图，有图可知：

对于对象来说isa指向其类。
对于类对象来说isa指向其元类。

下面我们通过阅读源代码看对象的内部信息。

首先，在NSObject.h文件中我们可以看到如下信息

@interface NSObject <NSObject> {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
}

我们将 main.m通过clang工具可以将OC源码编译为CPP代码

//编译命令
xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp

//main.m
#import <Foundation/Foundation.h>

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

通过观察 main-arm64.cpp 文件我们可以发现如下信息：

//1.
typedef struct objc_object NSObject;

//2.
struct NSObject_IMPL {
	Class isa;
};

通过阅读runtime源码，我们可以获得如下信息

//objc-runtime-new.h
struct objc_class : objc_object {
    Class superclass;  
    ...
}

// objc-private.h
typedef struct objc_class *Class;
typedef struct objc_object *id;

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

我们可以得到如下结论：

NSObject其实是struct objc_object类型。
objc_class继承自objc_object类型。
Class其实是struct objc_class类型。
objc_object内部含有一个isa变量，其类型是isa_t。

接下来我们继续看isa的实现，如下：

// objc-private.h
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
    };
#endif
};

// isa.h
# if __arm64__
#   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL
#   define ISA_MAGIC_MASK  0x000003f000000001ULL
#   define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL
#   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 deallocating      : 1;                                       \
      uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;                                       \
      uintptr_t extra_rc          : 19
#   define RC_ONE   (1ULL<<45)
#   define RC_HALF  (1ULL<<18)

//objc-class.mm
Class object_getClass(id obj)
{
    if (obj) return obj->getIsa();
    else return Nil;
}

//objc-object.h
inline Class 
objc_object::getIsa() 
{
    if (!isTaggedPointer()) return ISA();

    uintptr_t ptr = (uintptr_t)this;
    if (isExtTaggedPointer()) {
        uintptr_t slot = 
            (ptr >> _OBJC_TAG_EXT_SLOT_SHIFT) & _OBJC_TAG_EXT_SLOT_MASK;
        return objc_tag_ext_classes[slot];
    } else {
        uintptr_t slot = 
            (ptr >> _OBJC_TAG_SLOT_SHIFT) & _OBJC_TAG_SLOT_MASK;
        return objc_tag_classes[slot];
    }
}

//objc-object.h
#if SUPPORT_NONPOINTER_ISA
inline Class 
objc_object::ISA() 
{
    assert(!isTaggedPointer()); 
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
    if (isa.nonpointer) {
        uintptr_t slot = isa.indexcls;
        return classForIndex((unsigned)slot);
    }
    return (Class)isa.bits;
#else
    return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);
#endif
}
// SUPPORT_NONPOINTER_ISA
#else
// not SUPPORT_NONPOINTER_ISA


inline Class 
objc_object::ISA() 
{
    assert(!isTaggedPointer()); 
    return isa.cls;
}

由上可知isa是由union结构实现的，在获取isa内容的时候通过SUPPORT_NONPOINTER_ISA宏来指定不同的取法。下面看宏的定义

#if !SUPPORT_INDEXED_ISA  &&  !SUPPORT_PACKED_ISA
#   define SUPPORT_NONPOINTER_ISA 0
#else
#   define SUPPORT_NONPOINTER_ISA 1
#endif

#if __ARM_ARCH_7K__ >= 2  ||  (__arm64__ && !__LP64__)
#   define SUPPORT_INDEXED_ISA 1
#else
#   define SUPPORT_INDEXED_ISA 0
#endif

#if (!__LP64__  ||  TARGET_OS_WIN32  ||  \
     (TARGET_OS_SIMULATOR && !TARGET_OS_IOSMAC))
#   define SUPPORT_PACKED_ISA 0
#else
#   define SUPPORT_PACKED_ISA 1
#endif

通过参考1、参考2，我们可以等到在针对arm64的iphone设备上，SUPPORT_INDEXED_ISA=0，SUPPORT_PACKED_ISA=0，SUPPORT_NONPOINTER_ISA=0, SUPPORT_INDEXED_ISA=0。从而object_getClass的返回值是 a.bits & ISA_MASK`

isa其他字段意义

nonpointer：0，代表普通的指针，存储着Class、Meta-Class对象的内存地址。 1，代表优化过，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、Meta-Class对象的内存地址信息
magic：用于在调试时分辨对象是否未完成初始化
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
extra_rc：里面存储的值是引用计数器减1
has_sidetable_rc：引用计数器是否过大无法存储在isa中，如果为1，那么引用计数会存储在一个叫SideTable的类的属性中。

结论

对象的isa指向类，类的isa指针指向元类，元类的isa指针指向基类。
isa是用union结构表示, 根据不同的平台isa所指向的对象的地址取法不一样，如arm64环境下，真实地址是：isa.bits & ISA_MASK

参考

参考1
参考2
参考3：共用体