OC底层原理03-对象本质和isa

一荤一素一碗粥
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对象本质

@interface LGPerson : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@end

@implementation LGPerson
@end

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

用clang编译生成main.cpp. 查看main.cpp中LGPerson类被编译成LGPerson_IMPL：

//main.cpp
//LGPerson类被编译成 LGPerson_IMPL
struct LGPerson_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;//等效于 Class isa;
    NSString *_name;
};

//NSObject 的底层编译成 NSObject_IMPL
struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};

//NSObject的定义
@interface NSObject <NSObject> {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
}
  • LGPerson类被编译成LGPerson_IMPL，第一个属性NSObject_IVARS等效于Class isa，定义为父类结构体;
    • 结构体在c++可以继承，但在c中可以通过此种方式实现伪继承。意味着LGPerson 拥有 NSObject中的所有成员变量。
    • OC对象本质是一个结构体。

为什么isa的类型是Class?

  • 在对象原理-alloc和init源码分析文章中，提及过alloc方法的核心之一的initInstanceIsa方法，通过查看这个方法的源码实现，我们发现，在初始化isa指针时，是通过isa_t类型初始化的，

  • 而在NSObject定义中isa的类型是Class，其根本原因是由于isa 对外反馈的是类信息，为了让开发人员更加清晰明确，需要在isa返回时做了一个类型强制转换，类似于swift中的 as 的强转。源码中isa的强转如下图所示： image.png

name的get和set方法

//name的get方法
static NSString * _I_LGPerson_name(LGPerson * self, SEL _cmd) { return (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_LGPerson$_name)); }
extern "C" __declspec(dllimport) void objc_setProperty (id, SEL, long, id, bool, bool);

//name的set方法
static void _I_LGPerson_setName_(LGPerson * self, SEL _cmd, NSString *name) {
    objc_setProperty (self, _cmd, __OFFSETOFIVAR__(struct LGPerson, _name), (id)name, 0, 1);
}

set方法的实现依赖于runtime中的objc_setProperty
objc_setProperty源码如下： image.png 进入reallySetProperty的源码实现，其方法的原理就是新值retain，旧值release
image.png

针对objc_setProperty的底层源码探究总结

image.png

  • objc_setProperty方法的目的适用于关联 上层的set方法 以及 底层的set方法，其本质就是一个接口。通过接口隔离objc_setProperty适配一个统一入口，通过cmd区分不同set。

  • 这么设计的原因是，上层的set方法有很多，如果直接调用底层set方法中，会产生很多的临时变量，当你想查找一个sel时，会非常麻烦

  • 基于上述原因，苹果采用了适配器设计模式（即将底层接口适配为客户端需要的接口），对外提供一个接口，供上层的set方法使用，对内调用底层的set方法，使其相互不受影响，即无论上层怎么变，下层都是不变的，或者下层的变化也无法影响上层，主要是达到上下层接口隔离的目的。

cls 与 类 的关联原理

在对象原理-alloc和init源码分析中分析了alloc中3个核心方法的前两个，今天来探索initInstanceIsa是如何将cls与isa关联的。

在此之前，需要先了解什么是联合体，为什么isa的类型isa_t是使用联合体定义

联合体（union）

联合体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.其占用的内存等于最大的成员占用的内存.

isa的类型 isa_t

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的考虑，这里的内存优化是指在isa指针中通过char + 位域（即二进制中每一位均可表示不同的信息）的原理实现。通常来说，isa指针占用的内存大小是8字节，即64位，已经足够存储很多的信息了，这样可以极大的节省内存，以提高性能. 从isa_t的定义中可以看出：

  • 提供了两个成员，cls 和 bits，由联合体的定义所知，这两个成员是互斥的，也就意味着，当初始化isa指针时，有两种初始化方式

    • 通过cls初始化，bits无默认值
    • 通过bits初始化，cls有默认值

  • 还提供了一个结构体定义的位域，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），以下是它们的一些宏定义，如下图所示： image.png

    • nonpointer有两个值，表示自定义的类等，从第0位开始，占1位
      • 0：纯isa指针
      • 1：不只是类对象地址，isa中包含了类信息、对象的引用计数等
    • has_assoc表示关联对象标志位，从第1位开始，占1位
      • 0：没有关联对象
      • 1：存在关联对象
    • has_cxx_dtor 表示该对象是否有C++/OC的析构器（类似于dealloc），占1位
      • 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表示存储类的指针的值（类的地址）， 即类信息
      • 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，占6位
    • weakly_refrenced是 指对象是否被指向 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 标志对象是是否正在释放内存
    • has_sidetable_rc表示 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（额外的引用计数） ,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（这个仅为举例说明），实际上iPhone 真机上的 extra_rc 是使用 19位来存储引用计数的

针对两种不同平台，其isa的存储情况如图所示： image.png

源码探究

  • 通过alloc --> _objc_rootAlloc --> callAlloc --> _objc_rootAllocWithZone --> _class_createInstanceFromZone方法路径，查找到initInstanceIsa，并进入其原理实现
inline void 
objc_object::initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor)
{
    ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());
    ASSERT(hasCxxDtor == cls->hasCxxDtor());
    //初始化isa
    initIsa(cls, true, hasCxxDtor); 
}

  • 进入initIsa方法的源码实现，主要是初始化isa指针

    image.png

    该方法的逻辑主要分为两部分:

    • 通过 cls 初始化 isa
    • 通过 bits 初始化 isa
验证 isa指针 位域（0-64）

根据前文提及的0-64位域，可以在这里通过initIsa方法中证明有isa指针中有这些位域（目前是处于macOS，所以使用的是x86_64）

  • 首先通过main中的LGPerson 断点 --> initInstanceIsa --> initIsa --> 走到else中的 isa初始化

    image.png

  • 执行lldb命令：p newisa，得到newisa的详细信息

    image.png

  • 继续往下执行，走到newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;下一行，表示为isa的bits成员赋值，重新执行lldb命令p newisa，得到的结果如下

    image.png

  • 通过与前一个newisa的信息对比，发现isa指针中有一些变化，如下图所示

    image.png

  • 其中magic是59是由于将isa指针地址转换为二进制，从47（因为前面有4个位域，共占用47位，地址是从0开始）位开始读取6位，再转换为十进制，如下图所示

    image.png

isa 关联了指针和类

cls 与 isa 关联原理就是isa指针中的shiftcls位域中存储了类信息，其中initInstanceIsa的过程是将 calloc 指针 和当前的 类cls 关联起来，有以下几种验证方式：

  • 【方式一】通过源码initIsa方法中的newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;验证

  • 【方式二】通过isa指针地址与ISA_MSAK 的值 & 来验证

  • 【方式三】通过runtime的方法object_getClass验证

  • 【方式四】通过位运算验证

方式一：通过 initIsa 方法

运行至newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;前一步，其中 shiftcls存储当前类的值信息

  • 此时查看cls，是LGPerson类

  • shiftcls赋值的逻辑是将 LGPerson进行编码后，右移3位

    image.png

  • 执行lldb命令p (uintptr_t)cls，结果为(uintptr_t) $2 = 4294975720,再右移三位，有以下两种方式（任选其一），将得到536871965存储到newisa的shiftcls中

    • p (uintptr_t)cls >> 3
    • 通过上一步的结果$2，执行lldb命令p $2 >> 3

    image.png

  • 继续执行程序到isa = newisa;部分，此时执行p newisa

    image.png

与bits赋值结果的对比，bits的位域中有两处变化

  • cls 由默认值，变成了LGPerson，将isa与cls完美关联
  • shiftcls由0变成了536871965

image.png 所以isa中通过初始化后的成员的值变化过程，如下图所示： image.png 为什么在shiftcls赋值时需要类型强转？

因为内存的存储不能存储字符串，机器码只能识别 0 、1这两种数字，所以需要将其转换为uintptr_t数据类型，这样shiftcls中存储的类信息才能被机器码理解， 其中uintptr_t是unsigned long

为什么需要右移3位？

主要是由于shiftcls处于isa指针地址的中间部分，前面还有3个位域，为了不影响前面的3个位域的数据，需要右移将其抹零。

方式二：通过 isa & ISA_MSAK

  • 在方式一后，继续执行，回到_class_createInstanceFromZone方法，此时cls 与 isa已经关联完成，执行po objc

  • 执行x/4gx obj,得到isa指针的地址0x001d8001000020e9

  • 将isa指针地址 & ISA_MASK （处于macOS，使用x86_64中的宏定义），即 po 0x001d8001000020e9 & 0x00007ffffffffff8ULL ，得出LGPerson

    • arm64中，ISA_MASK 宏定义的值为0x0000000ffffffff8ULL
    • x86_64中，ISA_MASK 宏定义的值为0x00007ffffffffff8ULL

    image.png

方式三：通过 object_getClass

通过查看object_getClass的源码实现，同样可以验证isa与类关联的原理，有以下几步：

  • main中导入#import <objc/runtime.h>
  • 通过runtime的api，即object_getClass函数获取类信息。
object_getClass(<#id  _Nullable obj#>)

  • 查看object_getClass函数 源码的实现

    image.png

  • 点击进入object_getClass 底层实现

    image.png

  • 进入getIsa的源码实现

image.png

  • 点击ISA()，进入源码，可以看到如果是indexed类型，执行if流程，反之 执行的是else流程

    image.png

    • 在else流程中，拿到isa的bits这个位，再 & ISA_MASK，这与方式二中的原理是一致的，获得当前的类信息
    • 从这里也可以得出 cls 与 isa 已经完美关联

方式四：通过位运算

  • 回到_class_createInstanceFromZone方法。通过x/4gx obj 得到obj的存储信息，当前类的信息存储在isa指针中，且isa中的shiftcls此时占44位（因为处于macOS环境）

    image.png

  • 想要读取中间的44位 类信息，就需要经过位运算 ，将右边3位，和左边除去44位以外的部分都抹零，其相对位置是不变的。其位运算过程如图所示，其中shiftcls即为需要读取的类信息

    image.png

    • 将isa地址右移3位：p/x 0x001d8001000020e9 >> 3 ，得到0x0003b0002000041d

    • 在将得到的0x0003b0002000041d``左移20位：p/x 0x0003b0002000041d << 20 ,得到0x0002000041d00000

      • 为什么是左移20位？因为先右移了3位，相当于向右偏移了3位，而左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0x0002000041d00000 再右移17位：p/x 0x0002000041d00000 >> 17 得到新的0x00000001000020e8

  • 获取cls的地址 与 上面的进行验证 ：p/x cls 也得出0x00000001000020e8，所以由此可以证明 cls 与 isa 是关联的

    image.png

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