Objective-C 底层对象探究-下

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目录

• 1、背景
• 2、从编译后的文件理解OC对象
• 3、位域与共用体
• 4、nonPointerIsa的分析
• 5、isa的位运算
• 6、init与new的区别
• 7、总结

1. 背景

学习不迷茫，无阻我飞扬！大家好我是Tommy！本篇是Objective-C 底层对象探究的最终篇，废话不说我们这就开始！

2.从编译后的文件理解OC对象

• 通过xcrun编译成C++文件

  • 再上一篇内容中我们是通过clang命令来进行的编译的，其实还有一种方法就是通过xcrun命令也可以达到一样的效果。

      xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp
  

• 对苹果开发语言的层次结构的理解

  • 这里简要的把我个人对苹果开发语言的一些理解简单说明一下，我们大家都知道目前苹果提供2种开发语言Objective-C和Swift，在2014年之前苹果都是选用OC来担任开发语言，直到2014年的WWDC才将Swift展现在广大开发者的面前，推出之后也是受到了广大开发人员的强烈关注；
  • 苹果之所以大费周章的推出一种新语言，我想是Objective-C已经无法达到苹果对于效率方面的满足了，如果你关注每年的WWDC的话，其实可以感觉出来苹果在效率的问题上一直是追求极致的，通过上两篇的学习我们也能通过底层代码感觉出由于Objective-C的一些语言特性导致苹果为其做出的效率上的牺牲，也就不难理解Objective-C在苹果追求效率的路上成为了最大的屏障，所以对其再重新创建一种语言也就合情合理了。
  • 其实对于我们开发者而言，无论是Objective-C还是Swift其实只是苹果给予开发者在上层结构的一种开发方式，举个例子：就相当于购买了一个电子产品，想要运行这个电子产品功能，就需要阅读说明指南，而Objective-C还是Swift就相当于一种操作指令，用户通过指令来控制这个产品的功能，上层指令不管方式如何改变（不管你是物理按钮，还是电子屏幕触控），都不会对影响到底层的功能。虽然底层功能不会发生改变，但是两种方式带来的效率就会产生差距了。

• 从编译后文件我们能知道什么？

  • 对象的本质就是结构体，我们通过查看编译成C++的文件就可以发现，一个叫做ZXPerson_IMPL的结构体，这个就是我们创建的ZXPerson对象 ps：如果把ZXPerson类的定义放到main.m中会看到更多内容
  • 如果想验证一下，我们可以通过在ZXPerson类中增加一个成员变量后，再编译成C++来观察变化。编译后我们就能看到在ZXPerson_IMPL内部新增了一个我们创建的成员name。
  • 除了我们新增的成员name外，我们发现还会有一个默认的成员结构体NSObject_IMPL NSObject_IVARS，这个是什么呢？通过搜索NSObject_IMPL我们就一目了然——其实就是isa。
  • Isa是指向类的结构体的指针，我们搜索Class可以看到其实是objc_class结构体的指针。
  • id类型是指向对象的指针，我们再往下看可以看到在OC中id类型其实是一个对象的指针。

• 属性取值的分析

  • 观察_I_ZXPerson_nikeName函数（在OC中其实就是getNikeName()方法）返回时的语句，我们看到在底层并不是直接将数值进行返回的，而是通过(char *)self（对象首地址）加上OBJC_IVAR_$_ZXPerson$_nikeName（变量的偏移量）来找到实际数值的地址，再进行类型转换最终返回。

• 节点小结：

  • 可以通过clang、xcrun方式对.m文件进行编译，编译后可以帮助我们理解底层对象的实现，本小结内容到此结束。

3. 位域与公用体

• 位域：

  • 所谓的位域其实是在struct结构体中的一种表达语法，他的含义是为结构体中的成员明确定义其占用的二进制位数，听起来有点绕哈，其实一点也不难理解，请看下面的例子：
  • 例子中结构体ZXStruct1包含4个成员，每个成员的类型是BOOL型（占用1个字节），打印占用的大小结果为4字节；
  • 例子中结构体ZXStruct2同样包含4个成员，每个成员的类型是BOOL型（占用1个字节），但是由于定位了位域所以成员声明后面增加了“:1”，最后打印占用的大小结果为1个字节；请看下面的说明图更便于理解。
  • ZXStruct1结构体共占用4字节，32个二进制位，但是BOOL类型的话只需要一个进制位就可以表达了，其他进制位都是补零，所以空间方面有所浪费。
  • ZXStruct2结构体共占用1字节，由于定义了位域，使每个成员BOOL只占用1个二进制位故需要4个二进制位，又因8个二进制位为1个字节，所以只需1个字节就可以满足占用需求，大大节省了空间。

• 公用体：

  • 我们知道结构体（Struct）是一种构造类型或复杂类型，它可以包含多个类型不同的成员。在C语言中，还有另外一种和结构体非常类似的语法，叫做共用体（Union），它的定义格式为：

  union 共用体名{
      成员列表
  };
  

  • 共用体有时也被称为联合或者联合体，这也是 Union 这个单词的本意。
  • 结构体与共用体在内存大小上也存在差异，结构体是各个成员会占用不同的内存，互相之间没有影响；而共用体是所有成员占用同一段内存，修改一个成员会影响其余所有成员，而内存的总大小已成员中最大占用的那个为准。
  • 主要区别在于：结构体的各个成员会占用不同的内存，互相之间没有影响；而共用体的所有成员占用同一段内存，修改一个成员会影响其余所有成员。请看下面的例子：
  • 例子中结构体 ZXStruct3 包含 4 个成员，打印占用的大小结果为 32 字节；并且每个成员的值都是独立存放的，不会因为给其他成员赋值而改变。
  • 例子中共用体ZXStruct4包含4个成员，打印占用的大小结果为8字节，是因为成员中含有指针类型name、nikeName，所以按照最大成员的大小进行分配。此外当我们分步骤进行成员变量赋值时，会发生改变其他成员变量值的现象。请看下面的说明图更便于理解。
• 理解说明：
  • 1、共用体未对任何成员进行赋值操作时成员都是nil；
  • 2、当 zx4.name="zhaoxin"进行赋值后内存地址发生变化，由于是指针类型需要占用8个字节，这时其实已经将整个共用体的内存占用满了；第二个成员nikeName也是指针类型，所以共用了成员name的内存，因此值与name一致；第三个成员age占用4个字节，由于IOS是小端模式，所以age的值为0x3f4c，转换为10进制正好是16204；最后一个成员height是double类型比较特殊所以值是‘0’；
  • 3、 当zx4.nikeName="zhaoxin"进行赋值后内存地址发生变化，与成员name的值一致；第三个成员age值为0x3f54；转换为10进制是16212;最后一个成员height依旧是‘0’；
  • 4、当zx4.age=20进行赋值后内存地址发生变化，成员name与nikeName值为58 07 00 00，转换为ASCII为‘X’（07的ASCII是BEL (bell)不会被显示）；age为20（16进制0x0014就是20），height依旧是‘0’；
  • 5、当zx4.height=179.2进行赋值后内存地址发送变化，成员name与nikeName值无法读取，age则超出了范围大小了直接显示了最大数；height通过p/f方式打印可以读取到数值。

赋值顺序	name	nikeName	age	height
name赋值时	zhaoxin	zhaoxin	16240	0
nikeName赋值时	Tommy	Tommy	16212	0
age赋值时	X	X	20	0
height赋值时	null	null	越界了	179.2

• 节点小结：

  • 通过设置位域可以定义成员变量占用的二进制位的大小；
  • 普通结构体：结构体中的所有成员都会分配独立的内存空间且相互不会干扰，优点：不会互相影响；缺点：没有使用到的成员的空间会被浪费掉；
  • 共同体（联合体）：共同体大小以成员中最大的那个为准，其中所有成员公用内存区域，优点：节省空间；缺点：成员的取值会发生变化；
  • 本小结内容到此结束。

4. nonPointerIsa的分析

• 什么是nonPointerIsa：

  • 我们都知道Isa是指向类的一个指针，但是Isa也有包含一个特殊的种类，除了包括类信息之外还包含其他的信息例如：bits、has_cxx_dtor、indexcls等信息的Isa，我们称作nonPointerIsa。（非单纯指针的Isa） （ps：在不设置环境变量OBJC_DISABLE_NONPOINTER_ISA =1的情况下，我们所用的Isa都是nonPointerIsa，后文有说明如何设置这个变量）
  • 可以通过objc源码来查看，从 _class_createInstanceFromZone() 开辟实例对象方法中对 obj->initIsa(cls) 代码进行追查。

• Isa里面存放了什么信息：

  • 通过上面的源码分析，我们得知了nonPointerIsa除了类信息之外还会存放其他数据，源码中是将数据存放到了名叫newisa的对象里，newisa是一个叫做isa_t结构体类型，我们可以继续追踪这个isa_t结构体。
  • isa_t的结构体比较简单，包括2个构造方法、一个私有的成员cls、以及对cls操作的相关对外方法、最后就是最关键的成员结构体ISA_BItFIELD，这个就是isa真正存放数据的关键。此外我们在上一小结 位域与联合体 的知识就可以用到了。

• isa_t的特点分析：

  • 首先isa_t是一个共用体，并占有8个字节大小；
  • isa_t中有2个成员，一个是私有的cls、另一个就是内部结构体成员 ISA_BItFIELD，它俩共享8字节的大小空间；
  • 如果是非nonPointerIsa则8字节大小只存放cls成员的信息，否则存放ISA_BItFIELD的信息；
  • 1个字节占用8个二进制位，isa_t占用8个字节即64个二进制位，ISA_BItFIELD通过定义了位域共占用64位，所以如果是nonPointerIsa则直接会占满。
  • ISA_BItFIELD的位域会根据当前系统进行调整，但是整体的大小不变，只是内部各个成员大小会发生细微变化。

• ISA_BItFIELD中成员的含义：

成员	代表的含义
nonpointer	表示是否对 isa 指针开启指针优化；为0时: 纯isa指针；为1时:不止是类对象地址,还包含了类信息、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	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。
unused	标志对象是否被使用。(源码版本objc-723这里是deallocating表示对象是否正在释放内存，我这里源码版本是objc-818.2使用unused来代替原deallocating；本身的意义应该是一致的)
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，则需要使用到上面的has_sidetable_rc。

• 通过LLDB打印isa的二进制位

  • 之前我们可以通过x/4gx来打印isa的地址，现在我们已经了解了isa是占用了64个二进制位，如果想验证一下我们可以通过p/t （打印二进制），输出之后就得到了完整的二进制了（起始是从右往左）。

• ISA_MASK是作用

  • ISA_MASK是一个掩码，他的主要作用是通过掩码将不想得到的数据过滤掉，只留下想要的数据。具体实际情况就是在isa中，最重要是就是类有关的信息也就是shiftcls的内容，所以这个ISA_MASK的作用就是过滤掉其他信息只返回类信息。

  

  • 依旧通过x/4gx来打印isa的地址，然后与上ISA_MASK的值，得到的就是类信息；在通过p/x ZXPerson.class来进行验证。结果是两个值都是一致的。

• 设置环境变量 OBJC_DISABLE_NONPOINTER_ISA

  • 上文中提到过可以通过设置环境变量OBJC_DISABLE_NONPOINTER_ISA来改变isa的类型，OBJC_DISABLE_NONPOINTER_ISA的含义是：当设置值为1时，当前创建的所以isa均为普通isa。
  • 在Edit_Scheme中添加变量：
  • 进行对比后我们发现isa二进制的首位发送了变化；普通的isa首位是‘0’，并且整体只保留了shiftcls的信息。

  

• 我是如何知道这些环境变量的？（2021-7-21补充）

  • 其实类似这种的环境变量还有很多，我是怎么知道有OBJC_DISABLE_NONPOINTER_ISA这个的呢？
  • 其实很简单，我们只需在终端输入 export OBJC_HELP=1 即可将所有环境变量打印出来，并且每个环境变量后面还有对应的用途与解释。大家不妨可以自己耍一耍。

5. isa的位运算

• 通过对isa地址进行位运算得到类信息

  • 上一节我们通过ISA_MASK来获取了类信息，本节我在介绍一种方式：采用对isa地址进行位运算来获取类信息。
  • 我们知道shiftcls的位置就存放类信息的地方，他在结构体中占用33位。我看先按右移3位、左移28+3位；、右移28位；三步骤就可以将shiftcls前后的数据进行清空，这时isa中剩下的数据就只有类信息了。请看如下示意图：
  • 下面是验证结果，最终结果与我们料想的一致。

• 节点小结：

  • 通过对isa占位的理解，通过对isa地址进行位运算的方式，同样可以获取到类信息。本小结内容到此结束。

6. init与new的区别

• init源码：

  • 我们通过command + shift + O 来搜索init，找到后点击进入；
  • 找到实例对象会调用的入口，但是里面没有任何处理直接将obj对象返回了。

• new源码：

  • 通过command + shift + O 来搜索new，找到后点击进入；
  • 找到入口后发现此方法就是再调用了callAlloc后再进行init的调用操作，所以验证了 [[alloc]init] 与 new 是效果是相等的。

• 节点小结：

  • 通过对源码的分析，我们得到的结论就是 init只是单纯的初始化，而new则是 alloc + init 。本小结内容到此结束。

7. 总结

• 1、可以通过clang、xcrun等命令对OC源码进行编译，编译后的代码可以让我们更明确的分析底层实现。
• 2、在结构体中可以通过设定位域来对内部成员进行独特的设置。
• 3、共用体的特性：所含成员中最大的占位就是共用体的大小；内部占用空间是共享的，给不同成员赋值时会改变其他成员的值；
• 4、nonPointerIsa是一种特殊的isa，里面除了包含class信息之外，还有其他额外的数据；
• 5、通过isa_t可以对其进行位运算来获取想要的数据；
• 6、init只是单纯的初始化方法，苹果没有对齐进行特殊处理；new是alloc + new的简便方式。

写到最后

• 学习资料：本小结代码例子gitHub下载地址
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