iOS 底层探索篇 —— OC对象本质 & noPointerIsa｜8月更文挑战

一. 对象的本质探索

Clang

clang是一个由Apple主导编写，基于LLVM的C/C++/OC的编译器。

操作代码

实例

通过这个指令，就可以把main.m 编译成 main.cpp 文件，可以更好的观察底层的一些结构及实现的逻辑，方便理解底层原理。

对象的本质

对象在底层的本质是结构体，那么是如何得到这个结论的呢。 首先我们在main.m 文件中声明一个类LGPerson，有一个属性 NSString LSName（为了避免是巧合，取一个特殊的名字）。

然后我们按照上文中的方法将 main.m 编译成 main.cpp 文件，然后将main.cpp 文件打开，并且搜索一下我们的类LGPerson。

我们可以看到LGPerson 中有两个参数 第一个参数就是isa，是继承自NSObject_IMPL，属于伪继承，伪继承的方式是直接将NSObject_IMPL结构体定义为LGPerson中的第一个属性，意味着LGPerson 拥有 NSObject_IMPL中的所有成员变量。 第二个参数就是我们的成员变量 LSName。

同时我们注意到，在main.cpp中，LGPerson的本质类型是 objc_object,这是为什么呢？ 这是因为LGPerson继承自NSObject， 而NSObject 在底层中的实现就是objc_object，因此LGPerson的本质类型是 objc_object。

Class类型的本质类型

我们在main.cpp中寻找，找到上图可知， 得出class 是 objc_class 的结构体指针。并且我们也可以得知为什么id 不加*， 因为底层中已经加过了。

getter 和 setter

继续在main.cpp 中寻找，我们找到

从名字以及参数中，我们大致可以看出这个是LGPerson 的getter 和setter 方法，但是这个参数我们从来没有见到过。这些参数是隐藏参数。 为什么return 是 self + objc_ivar 呢？因为我们需要拿到内存地址才能拿到内存的值，拿到person首地址，然后拿到ivar 空间平移的量进行平移，才能获得LSName所在的地址，拿到地址才能获取里面的值。

二. 联合体位域

在这个结构体中，存了四个bool值，每个bool值占一个字节，根据内存对齐原则，可以得出这个struct总共占了4个字节。

而用sizeof可以得出，这个struct真的是占用了4个字节。显然，bool 不是 0 就是1，实际上用4位去存就可以了，用四个字节去存有点浪费内存了。

位域

这里，我们可以用位域，来指定这个成员占多少位。举个🌰。

这里在成员后面加了： 1，代表这个成员只占用1位，这样四个成员加起来就只占四位了。因为我们至少也需要一个字节，所以这个结构体就只占用一个字节了。我们来验证一下：

从输出栏可以看到，car2 现在确实只占了1个字节。

结构体（struct）所有变量是共存的

结构体是指把不同的数据组合成一个整体，其变量是共存的，结构体内存 >= 所有成员占用的内存总和。

• 优点：是有容乃大，全面。
• 缺点是struct内存空间的分配是粗放的，不管用不用，全分配。

联合体（union）中是各变量是互斥的

联合体也是由不同的数据类型组成，但其变量是互斥的，所有的成员共占一段内存，占用的内存等于最大的成员占用的内存。

• 缺点：不够包容，采用了内存覆盖技术，同一时刻只能保存一个成员的值，如果对新的成员赋值，就会将原来成员的值覆盖掉。
• 优点：内存使用更加精细灵活，也节省了内存空间。

三. noPointerIsa

我们先在源码中找到isa。

1. initIsa

2. initIsa(cls, false, false);

3. isa_t

4. union isa_t

到这里，我们发现了isa_t是一个联合体位域。因为指针有8字节，而类上有很多信息可以存储，如果8个字节只是用来存指针，那么内存就会大大的浪费，所以这里定义了一个结构体位域ISA_BITFIELD，用于存储类信息及其他信息，结构体的成员ISA_BITFIELD，这是一个宏定义，有两个版本 arm64（对应ios 移动端） 和 x86_64（对应macOS）

• arm64

• x86_64

• 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。

针对两种不同平台，其isa的存储情况如图所示

• 实战演练： 我们根据打印出来的结果得知，0x001d800100008275 没有占满8个字节，否则应该是0xXX1d800100008275。

我们假设内存是0x111d800100008275，那么和0x001d800100008275相差就是1223979098744774912。

更直观一点，我们可以把64 位打印出来

从图片可以看到，64位中还有好多位没有被使用。 那么我们如何证明类的地址和对象的地址关联了呢。

首先我们找到之前的结构体位域ISA_BITFIELD，如何在他的上面看到一个叫做ISA_MASK的家伙，这个是ISA的掩码。得到了ISA的掩码，我们只要拿到原来的地址，并于掩码进行与运算，就可以得到类的地址。 实际操作一下：

我们也可以通过位运算来进行验证。我们之前得到结构体位域ISA_BITFIELD，由于程序是运行在mac上的，所以此时的 shiftcls占44位。

• 将isa地址左移3位：p/x 0x011d800100008275 >> 3，得到0x0023b0002000104e

• 在将得到的0x0023b0002000104e右移20位：p/x 0x0023b0002000104e << 20 ,得到0x0002000104e00000

• 为什么是右移20位？因为先左移了3位，相当于向左偏移了3位，而右边需要抹零的位数有17位，所以一共需要移动20位

• 将得到的0x0002000104e00000 再左移17位：p/x 0x0002000104e00000 >> 17 得到新的0x0000000100008270， 可以看出来我们得到的和LGPerson.class 是一样的