iOS底层-包罗万象的isa

 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

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：

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。