iOS底层原理 03：OC对象初始化之本质与iSA

学习对象的本质，先引入工具Clang

一、`Clang`

1. 什么是`Clang`

Clang是一个C语言、C++、Objective-C语言的轻量级编译器。源代码发布于BSD协议下。 Clang将支持其普通lambda表达式、返回类型的简化处理以及更好的处理constexpr关键字。

Clang是一个由Apple主导编写，基于LLVM的C/C++/Objective-C编译器

2013年4月,Clang已经全面支持C++11标准，并开始实现C++1y特性(也就是C++14，这是 C++的下一个小更新版本)。Clang将支持其普通lambda表达式、返回类型的简化处理以及更好的处理constexpr关键字。

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++编译器。它与GNU C语言规范几乎完全兼容(当然，也有部分不兼容的内容，包括编译命令选项也会有点差异)，并在此基础上增加了额外的语法特性，比如C函数重载 (通过__attribute__((overloadable))来修饰函数)，其目标(之一)就是超越GCC。

2. `Clang` 的使用

clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp 把目标文件编译成c++文件

UIKit报错问题

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

xcode安装的时候顺带安装了xcrun命令，xcrun命令在clang的基础上进行了一些封装，要更好用一些

xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp (模拟器)

xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main- arm64.cpp (手机)

二、探究对象在底层的本质是否为结构体？

1. `LGPerson`对象分析

在main.m 中自定义一个对象LGPerson，有一个属性KCName

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进入main.m文件目录的终端，执行clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp命令将main.m件编译成main.cpp文件。
打开编译好的 main.cpp 源码文件，找到LGPerson的定义，发现LGPerson在底层会被编译成 struct 结构体

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结果分析：

LGPerson的底层是结构体
LGPerson_IMPL中的第一个属性其实就是 isa，是继承自NSObject，属于伪继承，伪继承的方式是直接将NSObject结构体定义为LGPerson中的第一个属性，意味着LGPerson 拥有 NSObject中的所有成员变量。
LGPerson中的第一个属性 NSObject_IVARS 等效于 NSObject中的 isa

2. `NSObject`分析

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源码分析：

NSObject 同样指向 struct objc_object
NSObject结构体中，有Class类型的成员变量isa

3. `Class`类型的底层本质分析

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isa的类型为Class，被定义为指向 objc_class的结构体指针
开发中id来表示任意对象，原因就是id被定义为指向objc_object的指针，也就指向NSObject的指针.

4. `get/set`方法

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通过源码分析可发下，无论是getorset，都含有隐藏参数。获取当前值是是通过当前对象的首地址+ 变量的偏移值。

总结

对象的本质是结构体
LGPerson的isa是继承NSObject中的isa
NSObject中只有一个成员变量isa

三、联合体位域

学习isa之前，先了解联合体位域，为什么isa的类型isa_t是使用联合体定义

案列分析，引入一个结构体分析

struct LGCar1 {
    BOOL front; // 0 1
    BOOL back;
    BOOL left;
    BOOL right;
};

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查看打印结果，当前结构体占用4个字节占用了32位，使用4个字节提现单一个功能，浪费了3倍空间.

改进如下：

// 位域
struct LGCar2 {
    BOOL front: 1;
    BOOL back : 1;
    BOOL left : 1;
    BOOL right: 1;
};

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改进代码使用了位域，BOOL front: 1表示占用了1位，这样LGCar2只需要4位即可，整体1个字节就可以满足需求了，0000 1111

1. 结构体`struct`特点分析分析

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当前的结构体占用了24个字节，结构体必须是内部最大成员的整数倍，不足的要补⻬。

变量	占用字节	offset	min	位置
char *name	8	0	min(0, 8)	0 ~ 7
int age	4	8	min(8, 4)	8 ~ 11
double height	8	16	min(16, 8)	16 ~ 24

开始阶段成员变量都是赋值为空的，执行完成，2个成员变量都能同时赋值的，处于共存状态。

2. 联合体`union`特点分析

// 联合体 : 互斥
union LGTeacher2 {
    char        *name;
    int         age;
    double      height ;
};

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根据打印结果分析，联合体只能有一个被使用

第一次打印，都为 0 ，第二次打印，赋值了name字段，其他字段都不为0了，原因是其他字段不被使用了(脏数据、脏内存) 第三次打印，赋值了age，name字段为空了，联合体只能有一个被使用

3.总结分析

结构体

结构体(struct)是指把不同的数据组合成一个整体，其变量是共存的，变量不管是否使用，都会分配内存。

优点：存储有容乃大、包容性强，且成员之间不会相互影响
缺点：struct内存空间的分配是粗放的，不管用不用，所有属性全分配内存。比较浪费，假设有4个BOOL成员，一共分配了4字节的内存，但是在使用时，你只使用了1字节，剩余的3字节就是属于内存的浪费

联合体

联合体(union)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。而且共用体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：所有成员共用一段内存，使内存的使用更为精细灵活，同时也节省了内存空间
缺点：不够“包容”

两者的区别

内存占用情况
- 结构体的各个成员会占用不同的内存，互相之间没有影响
- 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
内存分配大小
- 结构体内存 >= 所有成员占用的内存总和（成员之间可能会有缝隙）
- 共用体占用的内存等于最大的成员占用的内存

四、`isa`分析

1. `isa`的类型`isa_t`

以下就是isa指针的类型isa_t的定义，从定义中可以看出是通过联合体(union)定义的

union isa_t {  // 联合体
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
    // 提供了cls和bits,两者是互斥关系
    Class cls;
    uintptr_t bits;
#if defined(ISA_BITFIELD)
    struct {
        ISA_BITFIELD;  // defined in isa.h
    };
#endif
};

isa_t类型使用联合体的原因也是基于内存优化，isa指针占用的内存大小是8字节

从isa_t定义中可看出：

提供了两个成员变量，cls和bits，由联合体的定义可知，这两个成员是互斥的，
还提供了一个结构体定义的位域，结构体成员ISA_BITFIELD，是一个宏定义，有2个版本__arm64__（iOS移动端）和__x86_64__（macOS），如下是他们的宏定义，如下图所示

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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: 没有关联对象
- 1: 存在关联对象
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，既类的信息
- arm64中占33位，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。
- x86_64中占44位
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。

原理探索

探索路径 alloc -> _objc_rootAlloc -> callAlloc -> _objc_rootAllocWithZone -> _class_createInstanceFromZone，然后找到 initInstanceIsa进入其实现方法。

inline void 
objc_object::initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor)
{
    ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());
    ASSERT(hasCxxDtor == cls->hasCxxDtor());

    initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
}

进入initIsa函数，主要初始化 isa指针

2. `isa` 关联类探索

cls 与 isa 关联类的原理就是isa指针中的shiftcls存储了类信息，主要有以下几种验证方式

方式①：通过initIsa方法中的newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3 验证
方式②：isa&ISA_MASK
方式③：isa位运算

方式①：通过initIsa方法

设置断点，调试程序。如下图所示：

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isa_t为联合体，初始化nonpointer isa，cls属性为空，bits结构体初始化，默认都为0，继续调试代码到 ISA_MAGIC_VALUE后一步，可观察到第一位值位1

对isa开启指针优化，从47位到53位，可得出magic=59，表示当前对象初始化。通过计算得出59的二进制为0011 1011

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继续执行代码，将类的地址右移动3位，赋值给shiftcls，见下图。

方式②：isa&ISA_MASK

ISA_MASK是一个宏定义

__arm64__：ISA_MASK宏定义的值为0x0000000ffffffff8ULL
__x86_64__：ISA_MASK宏定义的值为0x00007ffffffffff8ULL

图中打印po 0x011d80010000820d & 0x0000000ffffffff8ULL(__arm64__)和po 0x011d80010000820d & 0x00007ffffffffff8ULL(__x86_64__)结果都是LGPerson。说明isa已经关联了类

方式③：isa位运算

类的信息存储在isa指针中，且isa中的shiftcls此时占44位（__x86_64__），想要读取shiftcls的44位类信息，需进过位运算，位运算是目的是只保留shiftcls的44位信息，其它位的信息都抹零，计算结果如下：
isa位运算过程图

iOS底层原理 03：OC对象初始化之本质与iSA

一、Clang

1. 什么是Clang

2. Clang 的使用

二、探究对象在底层的本质是否为结构体 ？

1. LGPerson对象分析

2. NSObject分析

3. Class类型的底层本质分析

4. get/set方法

总结