浅谈iOS对象的本质和神秘的nonPointerIsa

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对象的本质

探讨对象的本质前，我们先了解一下clang编译器：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++的轻量级编译器。 来一段main.m代码如下：

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface OCPeople : NSObject{
    NSString *nickName;
}
@property (nonatomic,copy) NSString *name;
@property (nonatomic,assign) int age;
@end

@implementation OCPeople

@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        NSLog(@"Hello, World!");
    }
    return 0;
}

这里介绍一个clang命令：clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp，这条命令是将main.m文件转化为main.cpp文件。 在终端输入上面的命令，main.m所在的文件夹內就会生成一个main.cpp文件，转化后的文件部分代码截图如下： 本质1.png 对此底层代码进行分析：发现对象OCPeople在底层被编译成了结构体。结构体OCPeople_IMPL内部还嵌套了一个结构体NSObject_IMPL NSObject_IVARS，是因为OCPeople继承自NSObject。

NSObject_IVARS是成员变量isa，如下图: isa.png

值得注意这里有一句：typedef struct objc_object OCPeople;，为什么OCPeople类本质的类型是objc_object这个类型呢？是因为OCPeople继承自NSObject，NSObject在底层的本质是objc_object。那class是什么类型呢？查找发现它是objc_class *，它是结构体类型的指针，如下图： class.png 为啥我们常用到的id可以指向任意对象且不用带*，是因为id本来就是objc_object *类型的结构体指针，在oc开发中，基本上所有的对象都是继承自NSObject，而它的本质是objc_object结构体类型。

底层代码main.cpp中有这样一段代码，如下图： getset.png 这段代码是属性name和age的get方法和set方法。从底层代码中可以看到系统自动给这两个属性添加了get方法和set方法。而我们定义的变量nickName，系统却没有自动添加get方法和set方法，这个要注意区分。OCPeople * self, SEL _cmd是底层的两个隐藏参数。((char *)self + OBJC_IVAR_$_OCPeople$_name)可以这样理解：OCPeople对象在堆区开辟内存空间，堆区空间存放isa，name，age等等一些变量，对象的首地址加上OBJC_IVAR_$_OCPeople$_name所在内存空间的平移量才能获得name的地址，拿到地址才能获取name里面的值。

总结：对象的本质是结构体objc_object，对象都包含一个class类型的isa是继承自NSObject，class的本质是结构体类型指针objc_class *。

位域、联合体

了解位域之前先来看一段代码：

struct OCBike1 {
    BOOL front;
    BOOL back;
    BOOL left;
    BOOL right;
};

通过这个结构体实例化一个bike1，打印它的size大小为4，如下图: 结构体1.png bike1的大小为4字节，一个字节8位，4字节就是32位，结构体OCBike1中每个成员都是布尔类型，布尔类型不是0就是1，那真正的存储这个结构体OCBike1中每个成员，其实只需要4位就可以了，相当于半个字节，但没有半个字节还是要用到1个字节存储，剩下3个字节其实都是浪费空间了。

对上面的结构体OCBike1我们进行一点修改变成结构体OCBike2，代码如下：

struct OCBike1 {
    BOOL front;
    BOOL back;
    BOOL left;
    BOOL right;
};

struct OCBike2 {
    BOOL front: 1;
    BOOL back : 1;
    BOOL left :1 ;
    BOOL right : 1;
};

结构体OCBike2相对于结构体OCBike1，只是为每个成员设置了位域，都设置成1，代表1位，占用一个位置，设置位域值不能大于8，否则系统提示出错。我们再实例化结构体OCBike2，然后观察这两个结构体实例化后的size大小，打印输出如下： 结构体2size.png bike1占用4字节，而bike2占用1字节，bike2大大的减少了占用空间，这也是写代码时的一种优化方式。代码里面我们设计一辆车，同一时刻只有一个方向，向前就不能向后，向左就不会向右，这种设计就是互斥。

接下来我们来看另外一个结构体，代码如下：

struct OCProfessor1 {
    char *name;
    int age;
    double height;
};

实例化结构体OCProfessor1，给professor1的成员赋值，然后边运行边打印输出professor1对象，如下图： professor1.png 刚开始professor1对象里面的成员都为空，后面所有成员变量都赋值成功。这里我们引入一个词“联合体”，联合体和结构体有什么区别？我们先来看下联合体OCProfessor2的代码，如下：

union OCProfessor2 {
    char *name;
    int age;
    double height;
};

联合体OCProfessor2的成员和结构体OCProfessor1的成员设计成一样，看起来一样，但它们还是有区别的，结构体里面的成员是可以共存的，但联合体里面的成员是互斥的。我们用联合体OCProfessor2实例化一个professor2，给professor2的成员赋值，边运行边打印输出professor2，看看和结构体professor1的输出是否还一样，如下图： professor2name.png 代码运行到line77时，professor2中的成员还没赋值，我们打印输出p professor2，name、age和height都赋值为空显示正常。继续运行到line78之后，我们再打印输出，name显示的是我们当前赋的值Jones，但是age和height的值发生了变化，从原来的0变成了16296和2.12一长串的数值。之所以发生这样的变化，是因为变量age和height所在的内存区域是脏内存，显示的是脏数据。继续运行到line79，我们再打印输出，name的值没有了，age为13，在这一时刻，name和age只能有一个被使用，共用了内存。

  • 结构体struct中所有变量都是共存的，缺点是结构体内存空间的分配是粗放的，不管用不用都会分配。
  • 联合体union中各变量是互斥的，优点是内存使用更精细灵活，节省了内存空间。一般联合体搭配位域一起使用。

联合体（也叫共用体）中的所有成员是共享一段内存的，因此每个成员的存放首地址相对于联合体变量的基地址的偏移量为0，即所有成员的首地址都是一样的。为了使得所有成员能够共享一段内存，因此该空间必须足够容纳这些成员中最宽的成员。

使用位域的主要目的是压缩存储，大致规则：如果相邻位域字段的类型相同，且其位宽之和小于类型的sizeof大小，则后面的字段将紧邻前一个字段存储，直到不能容纳为止；如果相邻位域字段的类型相同，但其位宽之和大于类型的sizeof大小，则后面的字段将从新的存储单元开始，其偏移量为其类型大小的整数倍。

isa

我们在探索alloc的流程的流程时，在_class_createInstanceFromZone函数中有用到initIsa，进入initIsa代码如下：

_class_createInstanceFromZone函数，堆内存申请的结构体指针和cls绑定在一起:

_class_createInstanceFromZone(Class cls, size_t extraBytes, void *zone,
                              int construct_flags = OBJECT_CONSTRUCT_NONE,
                              bool cxxConstruct = true,
                              size_t *outAllocatedSize = nil)
{
    ASSERT(cls->isRealized());

    // Read class's info bits all at once for performance
    bool hasCxxCtor = cxxConstruct && cls->hasCxxCtor();
    bool hasCxxDtor = cls->hasCxxDtor();
    bool fast = cls->canAllocNonpointer();
    size_t size;

    size = cls->instanceSize(extraBytes);
    if (outAllocatedSize) *outAllocatedSize = size;
    ...
    ...
    ...
    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);
    }
    ...
    ...
    ...
}

进入到initIsa函数如下：

inline void 
objc_object::initIsa(Class cls)
{
    initIsa(cls, false, false);
}

继续进入到下层的initIsa，如下图： initIsa.png

上面的函数有一个isa_t，我们看下这个isa_t，如下图： isa_t.png 我们发现这个isa_t就是一个联合体，line81和line82就是isa_t的构造方法，bits是属性。

在表现类的地址过程中，经常会出现一个名词：nonPointerIsa，nonPointerIsa是什么呢？它不是一个简简单单的指针。类是一个对象，也是一个指针，类里面有很多的信息是可以存储的， 当前指针是8字节，8 * 8 = 64 位，这64位如果只是存一个指针，那这个空间就大大的浪费了，我们可以优化一些空间，因为每个类几乎都有一个isa，导致它很浪费，所以苹果就想优化一下这些空间。在isa中，我们经常关注的类，和类相关的变量等一些东西我们可以写在里面。比如是否正在释放、引用计数、weak、关联对象、析构函数（oc下层是c/c++，oc层的释放不是真正的释放，而是下层c/c++的释放，下层的函数不释放它就不会释放。）等等。这些信息都和类有关，可以把这些信息存到这64位里面，所以就出现了nonPointerIsa。

要看这个联合体isa_t里面存了什么东西，重点要看位域，接下来看一下ISA_BITFIELD，如下图： ISA_BITFIELD.png 这是x86_64架构下（macOS）的ISA_BITFIELD结构，也有arm64位架构下（iOS）的ISA_BITFIELD结构。

  • nonpointer是1位，表示是否对isa指针开启指针优化，0:表示纯isa指针，1:表示不止是类对象地址，isa中包含了类信息、对象的引用计数等。
  • has_assoc是关联对象标志位，0表示没有关联，1表示存在关联。
  • 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是类的指针地址，存储类指针的值。开启指针优化的情况下，在x86_64架构中有44位来存储类指针，在arm64架构中真机是有33位来存储类指针。
  • 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。
  • unused是否没使用。
  • has_sidetable_rc散列表，当对象引用计数大于10时，则需要借用该变量存储进位。
  • extra_rc表示该对象的引用计数值，实际上是引用计数值减1。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，则需要用到has_sidetable_rc。 我们画了一个x86_64架构下的ISA_BITFIELD存储分布图，如下： 作业3截图.png

总共是64位。第0位存储nonpointer，第1位存储has_assoc，第2位存储has_cxx_dtor，第3位到第46位存储shiftcls，第47位到第52位存储magic，第53位存储weakly_referenced，第54位存储unused，第55位存储has_sidetable_rc，第56位到63位存储extra_rc。纯poniterIsa是只存储类的指针地址，默认创建的都是nonPointerIsa。通过nonPointerIsa我们最主要的是拿到shiftcls。

从实际代码中来分析下这个isa，创建一个demo1，main.m文件中代码如下：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        OCPeople *p = [OCPeople alloc];
        NSLog(@"%@",p);
    }
    return 0;
}

断点运行起来，打印输出一下p，如图： 4gxp.png

把p的内存地址中的第一条16进制数据(isa)以二进制输出，以及打印输出OCPeople类的内存地址，如下图： pt.png 0x011d8001000080e9以二进制打印出来，可以看到它的64位是没有全部存满的，还有7位没有用到，浪费很多。当前对象p关联到了类OCPeople，那对象的地址是怎么和类的地址0x00000001000080e8关联的呢？这里就需要引入ISA_MASK了。

ISA_MASK

刚刚讲的x86_64架构下（macOS）的ISA_BITFIELD结构时，截图里面有个宏定义# define ISA_MASK 0x00007ffffffffff8ULL，ISA_MASK是面具，针对类的面具，将0x011d8001000080e9和ISA_MASK进行与操作，就能得出我们想要的信息（类的地址0x00000001000080e8），如下图： 对象的地址与上isamask.png 对象p通过isa，这个isa是不纯的，通过掩码操作一下，得到了类cls。为什么可以这样操作呢？因为原来存就是这样存的，现在是反过来去取。正常的是通过类关联到对象，现在是反过来从对象到类。

接下来我们回到上面提到的initIsa函数，把objc的源码跑起来，其中main.m中的代码如下图：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        
        OCPeople *ocp = [OCPeople alloc];
        NSLog(@"%@",ocp);
        }
    return 0;
}

进入到initIsa函数： 截屏2021-06-21 上午12.21.37.png

此时的nonpointer为true，我们打印一下newisa，如下： 截屏2021-06-21 上午12.24.29.png

newisa是通过联合体isa_t声明的，此时newisa里面所有的变量都是0或者nil，代码继续运行，运行到line363，打印newisa，如图： 截屏2021-06-21 上午12.32.47.png 此时的newisa.bits是有值了，ISA_MAGIC_VALUE是宏定义，为 0x001d800000000001ULL，打印出来bits的值是8303511812964353，这个值等于ISA_MAGIC_VALUE，只不过一个是10进制一个是16进制。 给bits赋值后，cls的值也变化了，bits的值也赋值给了cls。 p/t 0x001d800000000001打印出0x001d800000000001的二进制为0b0000 0000 0001 1101 1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001，是64位的，其中的第0位1赋值给了nonpointer，表示不是纯的isa指针，它不仅包括类对象的地址信息，还包括了类信息和引用计数等信息。第47位到52位是111011，p 0b111011刚好是59，赋值给了magic。

代码继续运行，如图： 截屏2021-06-21 上午1.13.49.png

从这句newisa.setClass(cls, this);我们断点进入到setClass函数： 截屏2021-06-21 上午1.17.21.png 这里的if...else比较多，我采用的是最笨的方法，在分支语句处打断点，发现这个函数进来后，直接进入了line213这句。我们通过p/x newCls命令以16进制打印输出newCls的地址，再打印此地址右移3位的结果为536875229，shiftcls就等于536875229。

代码继续运行到line367，打印输出newisa，如图： 截屏2021-06-21 上午1.24.08.png shiftcls打印出来的值就是我们上面计算的536875229，一模一样。OCPeople类的地址，右移3位就是shiftcls的值。此时的newisa与类OCPeople已经关联，打印出来的cls等于了OCPeople。

继续往下运行，到line376，打印输出newisa。此时的extra_rc也有了值为1。bits的值也发生了变化，bits = 80361110145894121。但shiftcls的值没变，在上一步的探索中已经关联成功。如下图： 截屏2021-06-21 下午3.18.19.png 总结一下：cls与isa关联就是isa指针中的shiftcls存储了类信息。

接下来，我们再回到demo1中，断点运行，x/4gx p打印输出p对象： 截屏2021-06-21 下午3.46.11.png 对象p的isa是0x011d8001000080e9，0x011d8001000080e9右移3位是0x0023b0002000101d，0x0023b0002000101d左移20位是0x0002000101d00000，0x0002000101d00000右移17位是0x00000001000080e8。打印出类OCPeople的地址是0x00000001000080e8，和isa进行位移运算后最终的结果是一样的。可以看到对象p的isa已经关联了类OCPeople。

isa位移运算过程图解，如下： 位移过程.png

总结一下isa与类关联：

  • 类的地址右移3位就是shiftcls的值，shiftcls是isa中的ISA_BITFIELD下的字段。
  • isa进行位移运算就是类的地址。
  • isa跟ISA_MASK进行与(&)操作也能得到类的地址。

关于对象的本质和isa就探究到这里，本文的创作参考了逻辑cooci大神的讲解和学员的博客，感谢他们的分享！文章如有错误，欢迎指正

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