- 对象的本质是什么？
- Clang和xcrun的基础定义。
- 如何将.m文件编译成.cpp文件。
- .cpp文件源码分析。
- 结构体和联合体的区别。
- 如何指定成员变量的位域？
- nonpointerIsa指针。
- isa的64个bit位都存了什么？
- 属性getter和setter是如何读写的。
对象的本质
探索方式：
由于Objective-C语言是C语言和C++的一种超集，那么可以通过轻量编译器Clang来对Objective-C代码进行rewrite，还原Objective-C代码的底层实现来进行探索。Clang可以将.m文件编译成.cpp文件。
Clang和xcrun
Clang:
Clang是一个由Apple主导的，用C++编写的，基于LLVM的，发布于BSD许可证下的C、C++、Objective-C的轻量级编译器，其目标（之一）就是超越GCC。
xcrun
xcrun是一个Xcode的脚本指令集，其在Clang的基础上进行了封装，更加方便使用。
准备阶段：
将.m文件编译成.cpp文件
Clang编译：
clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp
重写带有UIKit库的文件可能出现的问题：
In file included from ViewController.m:9:
./ViewController.h:9:9: fatal error: 'UIKit/UIKit.h' file not found
#import <UIKit/UIKit.h>
^~~~~~~~~~~~~~~
1 error generated.
解决方法：
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
xcrun编译：
// 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
分析阶段：
在main.m文件里声明一个XJPerson的类：
打开终端，进入main.m所在文件夹，运行上面命令生成main.cpp，打开main.cpp搜索XJPerson开始探索，会发现很多值得关注的东西：
关注点一：objc_object
在main.cpp文件里发现了XJPerson对象的内容，在.m文件中XJPerson继承自NSObject，但是在.cpp文件中却是objc_object。
结论一：针对
.m文件的声明和.cpp文件的源码对比，可以得出结论，对象在底层的本质就是objc_object结构体。
关注点二：isa
在XJPerson_IMPL结构体内看到了struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS结构体，转而在.cpp文件中搜索NSObject_IMPL结构体（XJPerson_IMPL结构体内嵌套NSObject_IMPL结构体，就是结构体的伪继承）。
结论二：
NSObject_IVARS就是成员变量isa。
关注点三：Class
搜索objc_object时在.cpp文件中发现了
typedef struct objc_class *Class;
结论三：
Class在底层的类型是objc_class *这样的结构体指针。
关注点四：id
typedef struct objc_object *id;
结论四：
id在底层的类型是objc_object *，所以可以表示任意类型的对象。
关注点五：属性的getter和setter方法
getter方法图解:
setter方法图解:
结论五：在
getter和setter方法中看到了两个参数XJPerson * self, SEL _cmd，在.m文件中自定义getter和setter方法对比可知这是隐藏参数，Objective-C创建的方法通常默认携带这两个参数，这就是在每一个方法里都可以使用self的原因；getter和setter方法是通过地址偏移的方式找到成员变量的位置进行存值、取值的。
结构体，联合体，位域
在探索isa之前先补充点结构体、联合体和位域的知识。
案例:
#import <Foundation/Foundation.h>
// 不指定位域
// 4字节 * 每字节8位 = 32位 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000
// 但BOOL值只有0和1，这4个BOOL值只需要用1个字节的后4位就可以表示了 0000 1111
// 只需要1个字节，却用了4个字节，浪费了3个字节
struct XJCar1 {
BOOL front; // 1字节
BOOL back;
BOOL left;
BOOL right;
};
// 指定位域后，每个BOOL值只占1位，整个结构体只需占用1字节
struct XJCar2 {
BOOL front: 1; // 指定位域为1bit，不是1字节
BOOL back : 1;
BOOL left : 1;
BOOL right: 1;
};
// 结构体：共存，占用内存为所有成员变量内存之和，然后以结构体内存对齐原则对齐
struct XJTeacher1 {
char *name; // 字符串，指针，8字节
int age; // 4字节
double height; // 8字节
}; // 8 + 4 + 8 = 20，再以8字节对齐，一共24字节
// 联合体：互斥，所有成员变量共用一块内存空间
union XJTeacher2 {
char *name; // 字符串，指针，8字节
int age; // 4字节
double height; // 8字节
}; // 8字节
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
struct XJCar1 car1;
struct XJCar2 car2;
NSLog(@"---- car1 sizeof = %ld ---- car2 sizeof = %ld ----",sizeof(car1), sizeof(car2));
struct XJTeacher1 teacher1;
teacher1.name = "Cooci";
NSLog(@"---- struct XJTeacher1 (name = %s, age = %d, height = %f)-----sizeof = %ld----", teacher1.name, teacher1.age, teacher1.height, sizeof(teacher1));
teacher1.age = 18;
NSLog(@"---- struct XJTeacher1 (name = %s, age = %d, height = %f)-----sizeof = %ld----", teacher1.name, teacher1.age, teacher1.height, sizeof(teacher1));
union XJTeacher2 teacher2;
teacher2.name = "Cooci";
NSLog(@"---- union XJTeacher2 (name = %s, age = %d, height = %f)-----sizeof = %ld----", teacher2.name, teacher2.age, teacher2.height, sizeof(teacher2));
teacher2.age = 18;
NSLog(@"---- union XJTeacher2 (name = %s, age = %d, height = %f)-----sizeof = %ld----", teacher2.name, teacher2.age, teacher2.height, sizeof(teacher2));
}
return 0;
}
********************** 运行结果 ************************
2021-06-17 19:01:57.983162+0800 001-联合体位域[3350:202587] ---- car1 sizeof = 4 ---- car2 sizeof = 1 ----
2021-06-17 19:01:57.983463+0800 001-联合体位域[3350:202587] ---- struct XJTeacher1 (name = Cooci, age = 0, height = 0.000000)-----sizeof = 24----
2021-06-17 19:01:57.983489+0800 001-联合体位域[3350:202587] ---- struct XJTeacher1 (name = Cooci, age = 18, height = 0.000000)-----sizeof = 24----
2021-06-17 19:01:57.983502+0800 001-联合体位域[3350:202587] ---- union XJTeacher2 (name = Cooci, age = 15791, height = 0.000000)-----sizeof = 8----
2021-06-17 19:01:57.983535+0800 001-联合体位域[3350:202587] ---- union XJTeacher2 (name = , age = 18, height = 0.000000)-----sizeof = 8----
图解：
结论：
- 结构体(
struct)中所有变量是共存的，优点是“有容乃大”，全面；缺点是内存空间的分配是粗放的，不管是否使用，全部分配。- 结构体(
struct)可以通过为成员变量指定位域的方式来优化内存。- 联合体(
union)中各变量是互斥的，优点是内存使用更为精细灵活，节省了内存空间，缺点就是不够包容。
nonPointerIsa
前文OC底层原理初探之对象的本质（一）alloc探索上探索alloc底层实现时发现进入objc_object::initIsa函数后对象和类就绑定起来了，现在就来分析下isa。
isa
从图中可以看出isa的类型是isa_t，control + command + 鼠标左键点击isa_t，观看其定义，发现isa_t是一个联合体（union）。
ISA_BITFIELD
查看宏定义ISA_BITFIELD，探索isa指针内都存放了什么，分为两种架构模式。
# 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)
# 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; // 是否有关联对象 \
uintptr_t has_cxx_dtor : 1; // 是否有C++析构函数 \
uintptr_t shiftcls : 33; // 类的指针地址 /*MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x1000000000*/ \
uintptr_t magic : 6; \
uintptr_t weakly_referenced : 1; // 弱引用 \
uintptr_t unused : 1; \
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; // 是否有关联对象 \
uintptr_t has_cxx_dtor : 1; // 是否有C++析构函数 \
uintptr_t shiftcls : 44; // 类的指针地址 /*MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x7fffffe00000*/ \
uintptr_t magic : 6; \
uintptr_t weakly_referenced : 1; // 弱引用 \
uintptr_t unused : 1; \
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
__has_feature(ptrauth_calls)介绍
- __has_feature(ptrauth_calls)的作用是判断编译器是否支持指针身份验证功能。
- __has_feature：此函数的功能是判断编译器是否支持某个功能。
- ptrauth_calls：指针身份验证，针对arm64e架构；使用Apple A12或更高版本A系列处理器的设备（如iPhone XS、iPhone XS Max和iPhone XR或更新的设备）支持arm64e架构。
- 参考链接developer.apple.com/documentati…。
图解（arm64）:
isa还原类信息
位运算还原：
上面已经分析了isa指针内存放的数据内容，现在就通过位运算来验证一下（M1芯片iMac，arm64架构）。
案例:
#import <Foundation/Foundation.h>
#import "XJPerson.h"
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
XJPerson *p1 = [XJPerson alloc];
NSLog(@"%@", p1);
}
return 0;
}
********************** 位运算测试结果 ************************
(lldb) x/4gx p1
0x1009c2080: 0x000021a1000082c1 0x0000000000000000 // 格式化输出p1，拿到isa地址0x000021a1000082c1
0x1009c2090: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
(lldb) p/x 0x000021a1000082c1 >> 3 // 右移三位，得到新的地址
(long) $1 = 0x0000043420001058
(lldb) p/x 0x0000043420001058 << 31 // 将新的地址左移31位，得到新的地址
(long) $2 = 0x1000082c00000000
(lldb) p/x 0x1000082c00000000 >> 28 // 将新的地址右移28位，得到新的地址
(long) $3 = 0x00000001000082c0
(lldb) po 0x00000001000082c0 // 输出新地址，得到XJPerson
XJPerson
图解：
测试所用电脑为M1芯片iMac，arm64架构，生成的对象的ISA_BITFIELD第3位至第35位为XJPerson的信息，还原方式说明：
- 通过
x/4gx p1格式化输出p1对象的内存信息，首地址为isa指针0x000021a1000082c1。 - 将
isa的前3个bit位移除，即0x000021a1000082c1向右移3位，通过p/x得到新的指针0x0000043420001058。 - 将
isa指针的后28个bit位移除，由于刚刚向右移了3个bit位，那么现在就需要向左移31个bit位，即0x0000043420001058向左移28 + 3 = 31位，通过p/x得到新的指针0x1000082c00000000。 - 最后将
isa内代表XJPerson信息的33个bit位还原，即0x1000082c00000000向右移28个bit位，通过p/x得到新的指针0x00000001000082c0。 - 最后
po输出0x00000001000082c0，得到的结果为XJPerson。
ISA_MASK还原：
#import <Foundation/Foundation.h>
#import "XJPerson.h"
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
XJPerson *p1 = [XJPerson alloc];
NSLog(@"%@", p1);
}
return 0;
}
********************** 位运算测试结果 ************************
(lldb) x/4gx p1
0x1009c2080: 0x000021a1000082c1 0x0000000000000000 // 格式化输出p1，拿到isa地址0x000021a1000082c1
0x1009c2090: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
(lldb) p/x 0x000021a1000082c1 & 0x0000000ffffffff8ULL // isa & ISA_MASK（0x0000000ffffffff8ULL），得到新的地址
(long) $1 = 0x00000001000082c0
(lldb) po 0x00000001000082c0 // 输出新地址，得到XJPerson
XJPerson
ISA_MASK还原说明：
- 通过
x/4gx p1格式化输出p1对象的内存信息，首地址为isa指针0x000021a1000082c1。 - 将
isa指针&上ISA_MASK，即0x000021a1000082c1&0x0000000ffffffff8ULL，通过p/x得到新的指针0x00000001000082c0。 po输出0x00000001000082c0，得到的结果为XJPerson。
备注：iOS属于小端模式，数据读写从右往左。
init
源码分析：
- (id)init {
return _objc_rootInit(self);
}
id
_objc_rootInit(id obj)
{
// In practice, it will be hard to rely on this function.
// Many classes do not properly chain -init calls.
return obj;
}
结论：通过源码可以看出来，
init只是直接返回了对象本身而已，这是工厂设计模式的构造方法，用于提供接口给子类重写，便于扩展。
new
源码分析：
+ (id)new {
return [callAlloc(self, false/*checkNil*/) init];
}
结论：通过源码可以看出，
new方法就等于alloc + init。不建议直接使用new方法来初始化对象，因为没法使用initWithXXX这种构造方法。
