前言
什么是对象? 对象在底层的本质是什么? 这篇文章带我们了解对象的本质。
对象的本质
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对象的探索
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之前我们已经了解了可以通过
汇编LDB源码调试的方式进行探索。今天我们将以另外一种方式进行探索, 它叫做clang。-
什么是
clangclang 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 是一个由 Apple 主导编写, 基于 LLVM 的 C/C++/Objective-C 编译器 2013年4月,clang 已经全面支持 C++11 标准, 并且开始实现 C++1y 特性 (也就是 C++14,这是 C++的下一个小更新版本)。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 C++编写、基于 LLVM 发布于 LLVM BSD 许可证下的 C/C++/Objective-C/Objective-C++编译器。它与 GNU C语言规范几乎完全兼容 (当然,也有部分不兼容的内容,包括编译命令选项也会有点差异),并在此基础上增加了额外的语法特性,比如 C 函数重载(通过__attribute__((overloadable))来修饰函数), 其目的(之一) 就是超越 GCC。 -
我们先准备如下代码:
#import <UIKit/UIKit.h> #import "AppDelegate.h" @interface TPerson : NSObject @property (nonatomic, strong) NSString * tName; @end @implementation TPerson @end int main(int argc, char * argv[]) { NSString * appDelegateClassName; @autoreleasepool { // Setup code that might create autoreleased objects goes here. appDelegateClassName = NSStringFromClass([AppDelegate class]); } return UIApplicationMain(argc, argv, nil, appDelegateClassName); } -
在终端中使用以下命令,将main.m编译成main.cpp文件
clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp -
出现 UIKit 报错问题
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解决方法 1:
clang -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-13.0.0 -isysroot / Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/ iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator13.0.sdk main.m这里需要注意的是
ios-13.0.0和iPhoneSimulator13.0.sdk的版本号,需要改为自己 Xcode 所对应的版本号 -
解决方法 2:
Xcode安装的时候一起安装了xcrun命令，xcrun在clang的基础上进行了封装，使用更加方便指令如下(模拟器):
xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp真机:
xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main- arm64.cpp我们就得到了main.cpp 文件
然后我们打开 main.cpp 文件,command+F 搜索 TPerson
这里我们就得到了一个结论: 对象在底层的本质就是结构体. 解决我们在文章开头出提出的对象在底层的本质是什么的疑问.
我们发现这个地方有一个这个
struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;结构体. 那么这个结构体是什么呢?通过搜索如图:得到一个结论:
NSObject_IVARS就是成员遍历isa。TPerson是继承NSObjc,在.cpp文件中为什么是继承于objc_object呢?得到一个结论:
objc_object就是NSObject的底层对象。同理类推我们发现
Class在底层的类型是objc_class *, 意味着Class是一个结构体指针,Class只是一个别名而已。id的类型是objc_object *, 意味着id可以定义任何类型的变量。我们通过查看
.cpp文件发现TPerson的getter、setter方法
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联合体,位域
我们通过以下几个例子来了解 联合体、位域
- 首先我们先来看下这个结构体占用多少个内存. 由于
BOOL占位1个内存,所以可以得知这个结构体占用4个内存
2. 再看下面这个结构体,发现这个结构体只占用
1个内存, : 就代表 位域, : 1 代表只占一个位置.
- 我们再看下下面这两段代码
发现第二段代码中,当给 tp1.name 赋值后, 再给 tp1.age 赋值时, tp1.name 的值被设置成了空字符串.
可以得出如下结论:
结构体(struct)中所有变量是"共存"的 -- 优点:"有容乃大",全面; 缺点: struct中内存空间分配是粗放的,不管是否使用,均分配内存空间。
联合体(union)中各变量是"互斥"的 -- 优点:内存使用更加精细灵活, 节省内存空间; 缺点:不够"包容"。
initIsa
我们通过对象的本质得知,TPerson 对象的第一个隐藏变量就是 isa 。
接下来我们就一起探究一下 isa 的构造。
通过 alloc 流程分析: alloc -> _objc_rootAlloc -> callAlloc -> _objc_rootAllocWithZone -> _class_createInstanceFromZone -> 断点 obj->initInstanceIsa 和 obj->initIsa -> 运行发现进入了 obj->initIsa -> 进入 initIsa .
obj->initIsa 代码块
objc_object::initIsa(Class cls)
{
initIsa(cls, false, false);
}
initIsa 代码块
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;
}
// This write must be performed in a single store in some cases
// (for example when realizing a class because other threads
// may simultaneously try to use the class).
// fixme use atomics here to guarantee single-store and to
// guarantee memory order w.r.t. the class index table
// ...but not too atomic because we don't want to hurt instantiation
isa = newisa;
}
通过对代码块的分析我们发现 isa_t 就是 isa 的构造方法.查看 isa_t 源码.
union isa_t {
isa_t() { } // isa_t 的构造方法
isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { } // isa_t 的构造方法
uintptr_t bits;
private:
// Accessing the class requires custom ptrauth operations, so
// force clients to go through setClass/getClass by making this
// private.
Class cls;
public:
#if defined(ISA_BITFIELD)
struct {
ISA_BITFIELD; // defined in isa.h
};
bool isDeallocating() {
return extra_rc == 0 && has_sidetable_rc == 0;
}
void setDeallocating() {
extra_rc = 0;
has_sidetable_rc = 0;
}
#endif
void setClass(Class cls, objc_object *obj);
Class getClass(bool authenticated);
Class getDecodedClass(bool authenticated);
};
对 isa_t源码分析可以得知, isa_t 是一个联合体(共用体),它拥有两个变量 bits 和 cls. 根据上述联合体 变量 互斥 的特点, 变量 bits 和 cls 也是 互斥 的. isa_t 还有一个 位域 成员变量 ISA_BITFIELD , ISA_BITFIELD 分别对应两个端 __x86_64__(macOS) 和 __arm64__(iOS). 代码如下:
# if __arm64__
// ARM64 simulators have a larger address space, so use the ARM64e
// scheme even when simulators build for ARM64-not-e.
# if __has_feature(ptrauth_calls) || TARGET_OS_SIMULATOR
# define ISA_MASK 0x007ffffffffffff8ULL
# define ISA_MAGIC_MASK 0x0000000000000001ULL
# define ISA_MAGIC_VALUE 0x0000000000000001ULL
# define ISA_HAS_CXX_DTOR_BIT 0
# define ISA_BITFIELD \
uintptr_t nonpointer : 1; // 是否为纯指针 \
uintptr_t has_assoc : 1; // 关联对象 \
uintptr_t weakly_referenced : 1; // 弱引用 \
uintptr_t shiftcls_and_sig : 52; \
uintptr_t has_sidetable_rc : 1; // 散列表 \
uintptr_t extra_rc : 8 // 引用计数
# define RC_ONE (1ULL<<56)
# define RC_HALF (1ULL<<7)
# else
# 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; // 是否为纯指针 \
uintptr_t has_assoc : 1; // 关联对象 \
uintptr_t has_cxx_dtor : 1; // C++的析构函数 \
uintptr_t shiftcls : 33; /*MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x1000000000*/ \ // 类的指针地址
uintptr_t magic : 6; \
uintptr_t weakly_referenced : 1; // 弱引用 \
uintptr_t unused : 1; // 是否使用 \
uintptr_t has_sidetable_rc : 1; // 散列表 \
uintptr_t extra_rc : 19 // 引用计数
# define RC_ONE (1ULL<<45)
# define RC_HALF (1ULL<<18)
# endif
# elif __x86_64__
# define ISA_MASK 0x00007ffffffffff8ULL
# define ISA_MAGIC_MASK 0x001f800000000001ULL
# define ISA_MAGIC_VALUE 0x001d800000000001ULL
# define ISA_HAS_CXX_DTOR_BIT 1
# define ISA_BITFIELD \
uintptr_t nonpointer : 1; // 是否为纯指针 \
uintptr_t has_assoc : 1; // 关联对象 \
uintptr_t has_cxx_dtor : 1; // C++的析构函数 \
uintptr_t shiftcls : 44; /*MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x7fffffe00000*/ \ // 类的指针地址
uintptr_t magic : 6; \
uintptr_t weakly_referenced : 1; // 弱引用 \
uintptr_t unused : 1; // 是否使用 \
uintptr_t has_sidetable_rc : 1; // 散列表 \
uintptr_t extra_rc : 8 // 引用计数
# define RC_ONE (1ULL<<56)
# define RC_HALF (1ULL<<7)
# else
# error unknown architecture for packed isa
# endif
// SUPPORT_PACKED_ISA
#endif
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架构中有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: 志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
根据以上结论,我们发现在 __x86_64__(macOS)中, isa 指针的第 4 - 48 存储的是类的地址. 接下来我们一起通过运算验证一下如图:
代码如下:
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
TPerson * tp = [TPerson alloc];
NSLog(@"%@",tp);
}
return 0;
}
(lldb) x/4gx tp
0x100563a20: 0x011d800100008309 0x0000000000000000
0x100563a30: 0x6c6c6f43534e5b2d 0x69566e6f69746365
(lldb) p/x 0x011d800100008309 >> 3
(long) $1 = 0x0023b00020001061
(lldb) p/x 0x0023b00020001061 << 20
(long) $2 = 0x0002000106100000
(lldb) p/x 0x0002000106100000 >> 17
(long) $3 = 0x0000000100008308
(lldb) p/x TPerson.class
(Class) $4 = 0x0000000100008308 TPerson
(lldb)
经过以上运算,验证了 shiftcls 存储的就是 TPerson 类的地址。
总结
通过本文我们了解了 clang ,知道了 对象在底层的本质就是结构体 , 结构体 是 共存 的, 联合体 是 互斥 的.还了解了 initIsa 的构造.
Tips: 如若有理解错误或者不对的地方欢迎一起探索和交流!!!
