欢迎阅读iOS底层系列(建议按顺序)
iOS底层 - alloc和init探索
iOS底层 - 包罗万象的isa
iOS底层 - 类的本质分析
iOS底层 - cache_t流程分析
iOS底层 - 方法的本质和查找流程分析
1.本文概述
- 本文主要从底层分析
isa
的作用,isa
的数据结构,isa
内各个位置内实际存储的内容,以及isa
在是否是nonpointer
下的区别 isa
的走位图,SuperClass
的指向
备注:isa是串联对象和类的重要线索,了解isa,能对对象的本质,类方法的走向等有更深刻的理解
2.isa的作用
上篇说到,alloc
在开辟空间后也初始化了isa
,从而把对象和类关联起来。所以对于对象来说,isa
的基础作用就是和类进行绑定,告诉系统对象的归属。但是大部分nonpointer
的isa
不仅仅只是做指向,其内部还存储了大量的信息。
这里引入了一个nonpointer
的概念,简单说明下:
早期调用isa
可以直接返回类,后来苹果为了优化内存,使其内部增加了及其丰富的信息,并且增加了isa_mask
,不让直接获取类。有优化的就是提到的nonpointer
,也是本文研究的重点。
从初始化isa
的源码,来验证下这个说法
objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor) {
assert(!isTaggedPointer());
if (!nonpointer) {
isa.cls = 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;
newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
newisa.indexcls = (uintptr_t)cls->classArrayIndex();
#else
newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;
newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;
#endif
isa = newisa;
}
}
首先断言判断
assert(!isTaggedPointer());
如果是TaggedPointer
,后面就不执行,也就没有isa这个概念了。
这里引入了一个TaggedPointer
的概念:
NSNumber
对象 , 也会占用 8字节内存 , 32位机器占用4字节。为了存储和访问一个 NSNumber
对象,需要在堆上分配内存,另外还要维护它的引用计数,管理它的生命期 。这些都给程序增加了额外的逻辑,造成运行效率上的损失 。因此如果没有额外处理 , 会造成很大空间浪费 .因此苹果引入了TaggedPointer
,当对象为指针为TaggedPointer
类型时,指针的值不是地址了,而是真正的值,直接优化了存储,提升了获取速度。
TaggedPointer
的特点
- 专门用来存储小对象,例如
NSNumber
和部分NSString
- 指针不在存储地址,而是直接存储对象的值。所以,它不是一个对象,而是一个伪装成对象的普通变量。内存也不在堆,而是在栈,由系统管理,不需要
malloc
和free
- 在内存读取上有着3倍的效率,创建时比以前快106倍。(少了
malloc
流程,获取时直接从地址提取值)
回到源码来,
if (!nonpointer) {isa.cls = cls;}
这里验证了,未开启isa
指针优化时,isa
直接和类关联,无后续操作;当开启优化时,先初始化了isa_t
isa_t newisa(0);
,然后对内部属性赋值,最后通过shiftcls
和类关联。
newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;
这可以说明isa_t
就是isa
真正的结构。
3.isa 的数据结构
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
的底层是isa_t
,isa_t
的结构是联合体+位域
。
- 联合体的大小取决于内部最大的元素的大小,所以isa的大小为8字节。
- 联合体内部的的元素在内存中的互相覆盖的,所以cls,bits是不会同时存在的。
回过头看,nonpointer
和!nonpointer
是只能二选一的,苹果就是利用这种互斥关系,把isa的结构定义成联合体
。追求内存极致优化的苹果显然不满足于此,在联合体
内又增加了位域
的结构来使isa
包罗万象。
- 8字节即为64个二进制位。每个二进制位都定义了存储的内容,即为位域。
看下ISA_BITFIELD
宏定义的每个二进制位存储的内容(这里采用x86
架构下的结构,每种架构都有细微的差别,但所包含的内容是一样的,只是某些内容存储的长度不一致)
# define ISA_BITFIELD
\ uintptr_t nonpointer : 1;
\ uintptr_t has_assoc : 1;
\ uintptr_t has_cxx_dtor : 1;
\ uintptr_t shiftcls : 44; /*MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x7fffffe00000*/
\ uintptr_t magic : 6;
\ uintptr_t weakly_referenced : 1;
\ uintptr_t deallocating : 1;
\ uintptr_t has_sidetable_rc : 1;
\ uintptr_t extra_rc : 8
说明下各个存储位代表的意思:
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,1存在)has_cxx_dtor
:该对象是否有 C++ 或者 Objc 的析构器,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。开启指针优化的情况下,在arm64架构下有33位用来存储类指针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
: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。
CJPerson *object = [CJPerson alloc];
NSLog(@"object = %p", object);
CJPerson *object1 = [CJPerson alloc];
objc_setAssociatedObject(object1, @"object1", object1, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
NSLog(@"object1 = %p", object1);
用lldb
打印出它们各自的isa内容
可以看出,第一位是一样的,因为都是nonpointer
, 唯一的区别就是在第二位关联对象标志位。其他位置同理,有个比较特殊的就是shiftcls
,上文提到,早期isa
可以直接获取类,现在需要一个isa_mask
来间接获取。
看下object_getClass
底层,有一段这样的代码,也是通过isa_mask来获取isa
的指向
return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);
x86
中的isa_mask
# define ISA_MASK 0x00007ffffffffff8ULL
转为二进制
0000 0000 0000 0000 0111 1111 1111 1111
1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1000
这就很明显了,从第3位开始,后面的44位存储着shiftcls
的信息,刚好和上面给出的x86
下isa
的存储内容架构吻合。直接将对象的 isa & isa_mask
之后,就会得到对象的内存地址,也就是
isa
的指向。
3.isa的走位图
这是苹果官方给出的isa
和superclass
的走位图。
举个例子验证下,用上面CJPerson
实例出来的对象lldb
打印下isa
的走位
x/4gx
打印的是对象在内存中从首地址开始,连续存储的4个8字节的内容地址,x/5gx
,x/6gx
依此类推。p/t
、p/o
、p/d
、p/x
分别代表二进制、八进制、十进制和十六进制打印 。
因为isa
是对象中的第一个元素,所以x/4gx
打印出来的第一个地址就是isa
,在用isa&isa_mask
就得到isa
的指向,依次类推
在分别po打印下地址
得出结论:
- 对象的isa指向类。
- 类的isa指向和类同名的元类,但是地址不同。
- 元类的isa指向根元类。
- 根元类的isa指向自己。
总结:isa
是串联对象,类,元类和根元类的重要线索,采用联合体加位域
的数据结构使有限的空间充分利用,存储了丰富的信息
以上就是关于isa的探索,后续继续更新类的底层结构,方法转发,block,锁,多线程等底层探索,还有应用程序加载,启动优化,内存优化等相关知识点,敬请关注。