isa的本质分析

小青龙716
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和谐学习！不急不躁！！我是你们的老朋友小青龙～

在文章iOS之alloc底层实现分析 里提到过，alloc有一个核心方法_class_createInstanceFromZone，这个方法做了3件事情：

  • instanceSize：申请要开辟的内存空间大小
  • calloc：根据instanceSize返回值开辟内存空间
  • initInstanceIsa：将类和开辟的空间进行isa绑定 今天，我们就针对第三点的isa，做进一步的分析。 找到_class_createInstanceFromZone方法里，绑定isa的代码段：
    if (!zone && fast) {
        obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor);
    } else {
        // Use raw pointer isa on the assumption that they might be
        // doing something weird with the zone or RR.
        obj->initIsa(cls);
    }

一步步点击进入initInstanceIsa -> initIsa ->

inline void 
objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, UNUSED_WITHOUT_INDEXED_ISA_AND_DTOR_BIT bool hasCxxDtor)
{ 
    ASSERT(!isTaggedPointer()); 
    
    isa_t newisa(0);
    ...
    ...
}

我们看到这里有个isa_t，点进去：

union isa_t {
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }

    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
    };
    ...
    ...
 }

我们可以看到isa_t是一个联合体位域，那么为什么它后面要跟上_t呢，说到这里，我们先引出另一个概念：nonPointerIsa。
我们都知道，64位下一个isa占用8个字节(8*8=64位)，但实际上存储类的内存地址，不需要这么多存储空间，所以苹果对这个情况做了优化，并且提出了TaggedPointer和NonpointerIsa的概念：

  • TaggedPointer可以用来将一些小数据量的值，直接写在isa里面。因为我们知道，32位可以存储的数据位2^31（约21亿），而像NSDate、NSNumber，这些类型的数据，不太会超过20亿，如果分配内存来存储、读取它们，性能上来说不如存放在栈区来的更快。 补充：为什么是2的31次方，而不是32次方，因为最高位为符号位，1代表负，0代表正，所以这里31次方，结果是2147483648。

  • NonpointerIsa表示isa存储的不只是类的内存地址，还包含了其它信息，譬如：引用计数，析构状态，被其他 weak 变量引用情况。

  • 我们要研究的就是isa_t里位域bits的内容。为了增加可读性，苹果定义了ISA_BITFIELD，我们点开它(点不进去的同学，command+B先编译一下)，可以看到这样一段代码：

# 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;                                         \
      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 unused            : 1;                                         \
      uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;                                         \
      uintptr_t extra_rc          : 8
#   define RC_ONE   (1ULL<<56)
#   define RC_HALF  (1ULL<<7)

为了方便阅读，我这边附上解释：

- nonpointer       //标识是否为nonpointer:0代表纯指针，1 代表不止是类对象地址，isa 中包含了类信息、对象的引用计数等。
- has_assoc        //是否有关联对象
- has_cxx_dtor     //是否有C++的一些操作,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         //对象地址,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            //魔数,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 //是否有弱引用,存储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。
- uintptr_t deallocating  //是否正在释放,标志对象是否正在释放内存
- uintptr_t has_sidetable_rc //是否在sidetable中有存储引用计数,当对象引用技术大于 10 时，则需要借用该变量存储进位
- uintptr_t extra_rc        //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

接下来，我们写点案例来证明一下：

01.png

那么，怎么通过isa找到类的内存地址呢？这里需要加上一个面具ISA_MASK值：

# 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;                                      ...
         ...
#   endif

由此可以得到ISA_MASK为0x007ffffffffffff8ULL，再加上之前的isa地址：

02.png 由此可以得出结论：对象通过isa+掩码，得到类的信息。

我们继续回到上面那个objc_object::initIsa方法：

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) {
    //如果是纯isa，就进入这里
        newisa.setClass(cls, this);
    } else {
    //如果是不纯的isa，就进入这里
        ASSERT(!DisableNonpointerIsa);
        ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());

    ///进行位域
#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;
    }
    ...
    isa = newisa;
}

通过上述代码，我可以知道，如果是纯isa会直接走setClass方法，如果是不纯的isa则需要先进行位域赋值，然后再走setClass方法。接下来我们看看setClass方法都干了什么：

inline void
isa_t::setClass(Class newCls, UNUSED_WITHOUT_PTRAUTH objc_object *obj)
{
    ...
    ...

    shiftcls_and_sig = signedCls >> 3;

#elif SUPPORT_INDEXED_ISA
    // Indexed isa only uses this method to set a raw pointer class.
    // Setting an indexed class is handled separately.
    cls = newCls;

#else // Nonpointer isa, no ptrauth
    shiftcls = (uintptr_t)newCls >> 3;
#endif
}

简单来说，就是通过isa的位运算，把不是shiftcls的部分给挤出去，缺失位置补0（前面在分析isa位域的时候知道了类的信息保存在uintptr_t shiftcls）。 由于我的手机连接的是iPhone11，所以架构是arm64，找到isa位域对应代码块：

# 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;                                       \
        uintptr_t has_assoc         : 1;                                       \
        uintptr_t weakly_referenced : 1;                                       \
        uintptr_t shiftcls_and_sig  : 52;                                      \
        uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;                                       \
        uintptr_t extra_rc          : 8
#     define RC_ONE   (1ULL<<56)
#     define RC_HALF  (1ULL<<7)

03.png isa内存地址左移3位，右移12位，左移9位恢复原位，就可以得到类的内存地址，下面直接上代码：

04.png

至此，成功找到了类的信息。

补充：

通过控制台打印，可以看到用64位只保存内存地址，真的很浪费。

05.png

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