iOS 底层探索：isa与类关联的原理

iOS 底层探索：学习大纲 OC篇

前言

这篇主要内容探索类与isa是如何关联的。
在之前iOS底层探索 alloc&init这篇文章中，我们知道了_class_createInstanceFromZone方法的关键三步：
a. 获取实例的内存空间大小: cls->instanceSize()
b. 根据内存大小，分配内存空间，让实例指向内存开始地址: calloc
c. 关联isa，实例的isa指向类: obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor)，结合位运算、联合体、位域和结构体的内存对齐的知识，我们探索oc对象的本质从关联isa，实例的isa指向类开始。

准备工作

先大概了解一个编译器：clang :

clang是一个由Apple主导编写，基于LLVM的C/C++/OC的编译器,主要是用于底层编译，将一些文件``输出成c++文件，例如main.m 输出成main.cpp;
其目的是为了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。

一、查看类的编译源码

1 .打开终端，cd到文件目录下，利用clang将main.m编译成 main.cpp .

//1、将 main.m 编译成 main.cpp
clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp

其他举例：

//1、将 ViewController.m 编译成  ViewController.cpp
clang -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-13.0.0 -isysroot / /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator13.7.sdk ViewController.m

//以下两种方式是通过指定架构模式的命令行，使用xcode工具 xcrun
//2、模拟器文件编译
- xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp 

//3、真机文件编译
- xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main- arm64.cpp

2 .打开 main.cpp，找到HJPerson，发现HJPerson在底层会被编译成 struct 结构体

点击NSObject_IMPL 跳转可以得到 isa

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};

先看这里：

struct HJPerson_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
    NSString *_name;
};

这里的知识点：

HJPerson中的第一个属性 NSObject_IVARS 等效于 NSObject中的isa, 每个类中都有默认属性isa ；

二、翻开objc源码可以看到 `NSObject`的`isa` 也是`class`类型

@interface NSObject <NSObject> {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
}

现在我们通过clang 看到类被编译成结构体之后，找到isa ，那么isa是如何关联类的信息的呢？
我们可以在 _class_createInstanceFromZone 的核心方法的第三步：关联isa，实例的isa指向类: obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor)中找到答案，这里做了一系列操作isa和类信息的操作，我们再去查看initInstanceIsa 内部源码

inline void
objc_object::initProtocolIsa(Class cls)
{
    return initClassIsa(cls);
}

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

    initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
}

//排队
inline void 
objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor) 
{ 
//断言
    ASSERT(!isTaggedPointer()); 
    
    if (!nonpointer) {
//关键代码： 初始化isa
        isa = isa_t((uintptr_t)cls);
    } else {
//禁用非指针Isa
        ASSERT(!DisableNonpointerIsa);
//实例需要原始Isa
        ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());
//关键代码： 初始化isa
        isa_t newisa(0);

#if SUPPORT_INDEXED_ISA
        ASSERT(cls->classArrayIndex() > 0);

        newisa.bits = ISA_INDEX_MAGIC_VALUE;
        // isa.magic是ISA_MAGIC_VALUE的一部分
         // isa.nonpointer是ISA_MAGIC_VALUE的一部分
        newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
        newisa.indexcls = (uintptr_t)cls->classArrayIndex();
#else
        newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;
        newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
        newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;
#endif
        isa = newisa;
    }
}

重要代码：isa_t：指针的初始化

isa = isa_t((uintptr_t)cls);
isa_t newisa(0);

关键单词：nonpointer 非指针

三、继续探索`isa_t`是怎么做的，我们再次进入源码跳转到`isa_t`内部如下：


union isa_t { //联合体 isa_t
//两个初始化方法
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
 //一个Class
    Class cls;
//一个 bits 。 uintptr_t ：在64位的机器上，intptr_t和uintptr_t分别是long int、unsigned long int的别名
    uintptr_t bits;
#if defined(ISA_BITFIELD)
    struct {
// ISA_BITFIELD 这是一个宏 
        ISA_BITFIELD;  // defined in isa.h
    };
#endif
};

从union isa_t定义可以看出：

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
1. 通过cls初始化，bits无默认值
2. 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：

ISA_BITFIELD

注：

nonpointer有两个值，表示自定义的类等，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，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，析构函数类似于 oc层面的 dealloc；

shiftclx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；

针对两种不同平台，其isa的存储情况如图所示

结构体的成员ISA_BITFIELD排列情况

我们lldb 调试可以看到经过一系列赋值将HJPerson类信息存进了shiftcls中

注：
为什么在shiftcls赋值时(newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3)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long。

至此，我们得出结论：在isa初始化obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor)的时候，通过isa_t联合体，在位域运算中，将类信息cls存进了存储类的指针的值shiftclx , 最后isa = newisa;isa中既有HJPerson的指针，又有HJPerson的信息。就这样isa与类关联到一起了。

四、拓展验证 isa 与类的关联

简单点我们在x86_64中通过isa & ISA_MSAK验证

image.png

流程：

1.在_class_createInstanceFromZone方法，此时cls 与isa已经关联完成，执行po objc
2.执行x/4gx obj,得到isa指针的地址0x001d8001000021fd
3.将isa指针地址 & ISA_MASK（处于macOS，使用x86_64中的宏定义），即 po 0x001d8001000021fd & 0x00007ffffffffff8，得出HJPerson.x86_64中，ISA_MASK 宏定义的值为0x00007ffffffffff8ULL

image.png

good~~~加油！

iOS 底层探索：isa与类关联的原理

前言

准备工作

一 、查看类的编译源码

二 、翻开objc源码 可以看到 NSObject的isa 也是class类型

三 、继续探索isa_t是怎么做的，我们再次进入源码跳转到isa_t内部如下：

四 、拓展 验证 isa 与 类 的关联

一、查看类的编译源码

二、翻开objc源码可以看到 `NSObject`的`isa` 也是`class`类型

三、继续探索`isa_t`是怎么做的，我们再次进入源码跳转到`isa_t`内部如下：

四、拓展验证 isa 与类的关联