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引言

我们都知道，Runtime 是 Objective-C 这门动态语言的核心，只有理解了它，我们才能够更好的理解 Objective-C 到底是如何工作的，在编程时，也会更加得心应手。由于时间和精力有限，此次我主要想从以下几方面来进行 Runtime 源码的阅读，日后将会逐步完善。由于总体篇幅较长，所以我将会每一部分拆分成一篇文章来具体分析。

目录

一、对象的本质，了解 isa

二、对象的生命周期

三、对象的引用计数

四、对象的扩展方法

五、Runtime 的应用

对象的本质，了解 isa

首先来看一看对象和类的定义

/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
private:
    isa_t isa;

public:
    // ISA() assumes this is NOT a tagged pointer object
    Class ISA();
};


// 其内部有一个指向 Class 的指针，而 Class 是什么呢

// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;

// 再来看一下  objc_class 的定义,需要注意的是，objc_class 也是继承自 objc_object， 由于 objc_object 中已经定义了一个 isa 指针，由于结构体中所有的成员都是 public 的，所以 objc_class 也就拥有了 isa 并且也拥有访问 isa 的权限。
struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;   // 此时，类中的 isa 指针指向的是 metaClass 元类
    Class superclass;  // 父类
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable 类的方法缓存，因为 Runtime 时会把第一次遇到的方法缓存到方法缓存中，此后将直接从缓存中读取方法，极大提高了效率
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
  //  class_data_bits_t <==> class_rw_t + 一个 rr/alloc 位
};

所以到这里，我们也就理解到了，实际上，类也是一个对象

• 我们需要知道的是，在 Objective-C 中，对象的方法并没有存储于对象的结构体中（如果每一个对象都保存了自己能执行的方法，那么对内存的占用有极大的影响）。在调用实例方法时，而是通过 isa 指针来寻找相应的类，通过 class_data_bits_t 来寻找类中的方法。具体是如何寻找的，我们看👇

  // 首先 class_data_bits_t 中有一个 bits 位
  struct class_data_bits_t {
  
      // Values are the FAST_ flags above.
      uintptr_t bits;
   public:
  
    // 这里返回的数据是 class_rw_t* 指针类型的数据，在这个方法中我们可以看出，将 bits 与 FAST_DATA_MASK 进行位运算，只取其中的 [3, 47] 位转换成 class_rw_t * 返回。
      class_rw_t* data() {
          return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
      }
  }
  
  // data() 返回的是一个 class_rw_t* 指针， class_rw_t 又是什么？
  
  // 类中的属性、方法还有遵循的协议等信息都保存在 class_rw_t 中：
  struct class_rw_t {
      // Be warned that Symbolication knows the layout of this structure.
      uint32_t flags;
      uint32_t version;
  
      const class_ro_t *ro;
  
      method_array_t methods;
      property_array_t properties;
      protocol_array_t protocols;
  
      Class firstSubclass;
      Class nextSiblingClass;
  
      char *demangledName;
  
  #if SUPPORT_INDEXED_ISA
      uint32_t index;
  #endif
  };
  // 由此我们可以看出， class_rw_t 中包含了一些关于类的信息，比如 flag， 版本号， 方法数组， 属性数组等。而其中又有一个指向 class_ro_t 的指针， class_ro_t 又是什么？
  // 原来，class_ro_t 中存储了当前类在编译期就已经确定的属性、方法以及遵循的协议。
  struct class_ro_t {
      uint32_t flags;
      uint32_t instanceStart;
      uint32_t instanceSize;
  #ifdef __LP64__
      uint32_t reserved;
  #endif
  
      const uint8_t * ivarLayout;
      
      const char * name;
      method_list_t * baseMethodList;
      protocol_list_t * baseProtocols;
      const ivar_list_t * ivars;
  
      const uint8_t * weakIvarLayout;
      property_list_t *baseProperties;
  
      method_list_t *baseMethods() const {
          return baseMethodList;
      }
  }; 
  

• 所以由此，我们知道 class_ro_t 保存的是在编译期时就已经确定的方法，所以当在编译期时， class_data_bits_t 将直接指向 class_ro_t ，而后在 Runtime 时，将会调用 class_data_bits_t 的 data() 直接将结果从 class_rw_t 转化成 class_ro_t 指针， 然后再初始化一个 class_rw_t 指针，此时它中的数据都为空，然后再设置它的 ro 变量和 flag， 最后再为其设置正确的 data

  /***********************************************************************
  * realizeClass
  * Performs first-time initialization on class cls, 
  * including allocating its read-write data.
  * Returns the real class structure for the class. 
  * Locking: runtimeLock must be write-locked by the caller
  **********************************************************************/
  static Class realizeClass(Class cls)
  {
      runtimeLock.assertWriting();
  
      const class_ro_t *ro;
      class_rw_t *rw;
      Class supercls;
      Class metacls;
      bool isMeta;
  
      if (!cls) return nil;
      if (cls->isRealized()) return cls;
      assert(cls == remapClass(cls));
  
      // fixme verify class is not in an un-dlopened part of the shared cache?
  
    // 强制转化为 ro
      ro = (const class_ro_t *)cls->data();
      if (ro->flags & RO_FUTURE) {
          // This was a future class. rw data is already allocated.
          rw = cls->data();
          ro = cls->data()->ro;
          cls->changeInfo(RW_REALIZED|RW_REALIZING, RW_FUTURE);
      } else {
          // Normal class. Allocate writeable class data.
        // 这时候首先给 rw 分配内存空间并且初始化为 0
          rw = (class_rw_t *)calloc(sizeof(class_rw_t), 1);
        // 使 rw 指向 ro
          rw->ro = ro;
        // 设置 rw 的 flag 为 正在初始化和已经初始化
  /**
        // class is realized - must never be set by compiler
            #define RO_REALIZED           (1<<31)
  
        // Values for class_rw_t->flags
        // These are not emitted by the compiler and are never used in class_ro_t. 
        // Their presence should be considered in future ABI versions.
        // class_t->data is class_rw_t, not class_ro_t
            #define RW_REALIZED           (1<<31)
  */
          rw->flags = RW_REALIZED|RW_REALIZING;
          cls->setData(rw);
      }
  
    // 判断是否为 metaClass  RO_META (1 << 0)
      isMeta = ro->flags & RO_META;
  
      rw->version = isMeta ? 7 : 0;  // old runtime went up to 6
      // Choose an index for this class.
    // Sets cls->instancesRequireRawIsa if indexes no more indexes are available
    cls->chooseClassArrayIndex();
  
    if (PrintConnecting) {
        _objc_inform("CLASS: realizing class '%s'%s %p %p #%u", 
                     cls->nameForLogging(), isMeta ? " (meta)" : "", 
                     (void*)cls, ro, cls->classArrayIndex());
    }
  
    // Realize superclass and metaclass, if they aren't already.
    // This needs to be done after RW_REALIZED is set above, for root classes.
    // This needs to be done after class index is chosen, for root metaclasses.
    supercls = realizeClass(remapClass(cls->superclass));
    metacls = realizeClass(remapClass(cls->ISA()));
    #if SUPPORT_NONPOINTER_ISA
      // Disable non-pointer isa for some classes and/or platforms.
    // Set instancesRequireRawIsa.
    bool instancesRequireRawIsa = cls->instancesRequireRawIsa();
    bool rawIsaIsInherited = false;
    static bool hackedDispatch = false;
  
    if (DisableNonpointerIsa) {
        // Non-pointer isa disabled by environment or app SDK version
        instancesRequireRawIsa = true;
    }
    else if (!hackedDispatch  &&  !(ro->flags & RO_META)  &&  
             0 == strcmp(ro->name, "OS_object")) 
    {
        // hack for libdispatch et al - isa also acts as vtable pointer
        hackedDispatch = true;
        instancesRequireRawIsa = true;
    }
    else if (supercls  &&  supercls->superclass  &&  
             supercls->instancesRequireRawIsa()) 
    {
        // This is also propagated by addSubclass() 
        // but nonpointer isa setup needs it earlier.
        // Special case: instancesRequireRawIsa does not propagate 
        // from root class to root metaclass
        instancesRequireRawIsa = true;
        rawIsaIsInherited = true;
    }
    
    if (instancesRequireRawIsa) {
        cls->setInstancesRequireRawIsa(rawIsaIsInherited);
    }
      // SUPPORT_NONPOINTER_ISA
    #endif
      
      // Update superclass and metaclass in case of remapping
    cls->superclass = supercls;
    cls->initClassIsa(metacls);
  
    // Reconcile instance variable offsets / layout.
    // This may reallocate class_ro_t, updating our ro variable.
    if (supercls  &&  !isMeta) reconcileInstanceVariables(cls, supercls, ro);
  
    // Set fastInstanceSize if it wasn't set already.
    cls->setInstanceSize(ro->instanceSize);
  
    // Copy some flags from ro to rw
    if (ro->flags & RO_HAS_CXX_STRUCTORS) {
        cls->setHasCxxDtor();
        if (! (ro->flags & RO_HAS_CXX_DTOR_ONLY)) {
            cls->setHasCxxCtor();
        }
    }
  
    // Connect this class to its superclass's subclass lists
    if (supercls) {
        addSubclass(supercls, cls);
    } else {
        addRootClass(cls);
    }
  
    // Attach categories
  // 在这个方法中将 rw 的方法列表，属性列表，协议列表赋值
    methodizeClass(cls);
  
    return cls;
  };
  

此时，经过 Runtime 的作用之后，现在内存中的关系是，类中的 data 指针指向 class_data_bits_t， class_data_bits_t 结构体中的 data() 方法获取到的是 class_rw_t 指针， class_rw_t 结构体中的 ro 指针指向 class_ro_t。图如下：

图片来自一位大神的博客，侵权删

• 但是问题来了，类的方法是如何被查找和调用的呢？由于我们已经知道了，在 ObjC 中，实际上类也是一个特殊的对象，查找类的方法实际上就和查找实例方法采用同样的机制，但是如何才能让他们采用同样的机制呢？这时，元类的作用就显现了出来。

  • metaClass 保证了类中也有一个指向 Class 类型的指针，保证了类和对象的一致性，保证了类查找方法的机制与对象查找方法的机制保持同步。
    • 当实例方法调用时，通过对象的 isa 在类中获取方法的实现
    • 当类方法调用时，通过类的 isa 在元类中获取方法的实现

现在，我们的重点终于到了， isa 到底是什么？

• 我们在 Runtime 的源码中可以看到,在不同的处理器上，这个共同体所分配的内存位数是不同的。

  union isa_t 
  {
      isa_t() { }
      isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
  
      Class cls;
      uintptr_t bits;
  
  #if SUPPORT_PACKED_ISA
  
      // extra_rc must be the MSB-most field (so it matches carry/overflow flags)
      // nonpointer must be the LSB (fixme or get rid of it)
      // shiftcls must occupy the same bits that a real class pointer would
      // bits + RC_ONE is equivalent to extra_rc + 1
      // RC_HALF is the high bit of extra_rc (i.e. half of its range)
  
      // future expansion:
      // uintptr_t fast_rr : 1;     // no r/r overrides
      // uintptr_t lock : 2;        // lock for atomic property, @synch
      // uintptr_t extraBytes : 1;  // allocated with extra bytes
  
  # if __arm64__
  #   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL
  #   define ISA_MAGIC_MASK  0x000003f000000001ULL
  #   define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL
      struct {
          uintptr_t nonpointer        : 1;
          uintptr_t has_assoc         : 1;
          uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;
          uintptr_t shiftcls          : 33; // MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x1000000000
          uintptr_t magic             : 6;
          uintptr_t weakly_referenced : 1;
          uintptr_t deallocating      : 1;
          uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;
          uintptr_t extra_rc          : 19;
  #       define RC_ONE   (1ULL<<45)
  #       define RC_HALF  (1ULL<<18)
      };
  
  # elif __x86_64__
  #   define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL
  #   define ISA_MAGIC_MASK  0x001f800000000001ULL
  #   define ISA_MAGIC_VALUE 0x001d800000000001ULL
      struct {
          uintptr_t nonpointer        : 1;
          uintptr_t has_assoc         : 1;
          uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;
          uintptr_t shiftcls          : 44; // MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x7fffffe00000
          uintptr_t magic             : 6;
          uintptr_t weakly_referenced : 1;
          uintptr_t deallocating      : 1;
          uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;
          uintptr_t extra_rc          : 8;
  #       define RC_ONE   (1ULL<<56)
  #       define RC_HALF  (1ULL<<7)
      };
  };
  

  以 x86_64_ 为例，
  

  图片来自一位大神的博客，侵权删

• 更深一步，从 isa 的初始化来看 isa 的结构

  inline void 
  objc_object::initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor)
  {
      initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
  }
  
  inline void 
  objc_object::initIsa(Class cls, bool indexed, bool hasCxxDtor) 
  { 
      if (!indexed) {
          isa.cls = cls;
      } else {
          isa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;
          isa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
          isa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;
      }
  }
  
  // 由于对象的 isa 初始化时传入 indexed 为 true ，所以，可简化为
  inline void 
  objc_object::initIsa(Class cls, bool indexed, bool hasCxxDtor) 
  { 
    // 其中 ISA_MAGIC_VALUE 为 0x000001a000000001ULL
          isa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;
          isa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
          isa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;
  }
  

  • 此时，当执行完 isa.bits = ISA_MAGIC_VALUE; 后 isa 的结构为 ，可以看到 ISA_MAGIC_VALUE 将 magic 和 indexed 都初始化了

    image

  • 接着 isa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor; 这一位会设置 has_cxx_dtor 的值，如果是 1， 则表示当前对象是否有析构器，如果没有，就会快速释放

  • 最后， isa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3; 将当前对象对应的类指针赋值给 shiftcls 这些位，之所以向右移三位，移三位的主要原因是用于将 Class 指针中无用的后三位清楚减小内存的消耗，因为类的指针要按照字节（8 bits）对齐内存，其指针后三位都是没有意义的 0。赋值之后如下

![image](http://upload-images.jianshu.io/upload_images/3262069-f3a02c34c16975e6?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240)

至此，也就证明了我们之前对于初始化 `isa` 时对 `initIsa` 方法的分析是正确的。它设置了 `indexed`、`magic` 以及 `shiftcls`。

获取 isa

• 由于我们现在使用了结构体 isa_t 来替代 Class 类型的指针， 所以我们也就需要一个指针能够返回 isa 所指的类，所以我们此时需要一个 ISA() 方法。

  inline Class 
  objc_object::ISA() 
  {
      assert(!isTaggedPointer()); 
  #if SUPPORT_INDEXED_ISA
      if (isa.nonpointer) {
          uintptr_t slot = isa.indexcls;
          return classForIndex((unsigned)slot);
      }
      return (Class)isa.bits;
  #else
      return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);
  #endif
  }
  
  // 简化后如下
  inline Class 
  objc_object::ISA() 
  {
      assert(!isTaggedPointer());
    // 由此可以看到，实际上 ISA() 返回的是 isa.bits 与 0x0000000ffffffff8ULL 进行的按位与操作，确实可以返回当前的类
      return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);
  }
  

总结

• 至此，此次源码分析的第一部分也就此结束，如果您发现了什么问题和不足欢迎与我探讨和指教。

参考资料

• apple源码
• ObjC对象的前世今生
• ObjC消息机制，代码背后发生的事