iOS-OC对象— isa指针分析探究

前言:isa 是个很神奇的、很强大的、很低调的角色,她风里来雨里去,在iOS开发的过程中曾经多少次出现在我们的世界里,悄无声息、无怨无悔的为我们提供各种各样的服务!假如你知道NSObject,那么你就一定要知道isa,可以说,她是一个对象的灵魂,如果没有她,一切都将失去了颜色......

一、从对象的alloc探索isa

PS:友情链接

《OC对象原理探究(上)——对象的alloc》

《OC对象原理探究(下)—— 联合体(共用体)与位域》

1、isa和对象alloc的关系

  • 前面讲过alloc的过程分析,涉及到对象的创建和关联部分,如下源码:
 if (!zone && fast) {
        obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor);
    } else {
        // Use raw pointer isa on the assumption that they might be
        // doing something weird with the zone or RR.
        obj->initIsa(cls);
    }

涉及到对象的内存分配部分,追踪核心代码 obj->initIsa(cls)。

...
union isa_t {
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }

    uintptr_t bits;

private:
  
    Class cls;

#if defined(ISA_BITFIELD)
    struct {
        ISA_BITFIELD;  // defined in isa.h
    };

2、ISA_BITFIELD的定义

我们在分析了OC对象的本质之后,知道了对象的内部,都至少存在一个isa成员变量,isa占用的空间大小为8字节,也就是8x8=64位。

如果我们把这些空间都用于存放指针,那么造成的空间浪费是巨大的。而类中除了指针,还可能有其他的东西需要进行存储,如果能够对这8字节空间进行一系列优化,就可以节省很多的内存开销。

  • 类中与存储相关的一个类型就是nonPointerIsa,涉及到存储的变量信息主要有以下: ① 是否正在释放? ② 引用计数 ③ weak ④ map ⑤ 关联对象 ⑥ 析构函数 存储空间的释放——>内部是C/C++的释放
  • 查看nonPointerIsa的相关定义:
# if __arm64__
#     define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL
#     define ISA_MAGIC_MASK  0x000003f000000001ULL
#     define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL
#     define ISA_HAS_CXX_DTOR_BIT 1
#     define ISA_BITFIELD 
        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 unused            : 1;                                       \
        uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;                                       \
        uintptr_t extra_rc          : 19
#     define RC_ONE   (1ULL<<45)
#     define RC_HALF  (1ULL<<18)
#   endif

在以上isa.h中定义了arm64架构下isa的类型,其中我们关注ISA_BITFIELD的结构:

可以看到,ISA_BITFIELD被定义为位域的结构。

3、ISA_BITFIELD中不同位域的作用

① 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

② has_assoc:关联对象标志位,0没有,1存在

③ 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。

④ 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。

⑤ 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

⑥ 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

⑦ 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。

4、isa和class的关系

imageng

通过查看YTPerson类的内存,

① 获取YTPerson对象地址:$5 = 0x00000001000080e8 YTPerson

② 获取到isa的地址 0x001d8001000080e9

③ 用isa的地址和ISA_MASK进行&运算,得到计算后的地址:$6 = 0x00000001000080e8

④ 对比5和6的地址,发现关系:对象的地址 = isa的地址 & ISA_MASK

二、isa和class赋值过程

1、从class拿类的核心内容

  • 从前面的分析,我们得知,isa的类核心信息,都存在uintptr_t shiftcls之中,于是我们可以根据一个类的地址,通过位移运算,得到cls的实际地址值。
#   define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL
#   define ISA_MAGIC_MASK  0x001f800000000001ULL
#   define ISA_MAGIC_VALUE 0x001d800000000001ULL
#   define ISA_HAS_CXX_DTOR_BIT 1
#   define ISA_BITFIELD                                                        \
      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 unused            : 1;                                         \
      uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;                                         \
      uintptr_t extra_rc          : 8
#   define RC_ONE   (1ULL<<56)
#   define RC_HALF  (1ULL<<7)

2、通过class获取isa的值

image99png
  • 过程分析 ① 获取YTPerson对象p的地址:0x001d8001000080e9

② 将p的地址左移 3 位,得到$8 = 0x0003b0002000101d

③ 将8的地址右移20位,得到9 = 0x0002000101d00000

④ 将9的地址左移17位,得到10 = 0x00000001000080e8

⑤ 查看YTPerson的地址11 = 0x00000001000080e8 =10

文末总结:
1、一个类的核心信息,实际上存在于ISA_BITFIELD中,由于位域公用一片内存的特点,可以根据地址的偏移,去拿到存储类信息的位域 shiftcls 的地址,也即是示例中YTPerson的isa地址。
2、类中的联合体位域的存储结构,优化了存储空间,提升了运算能力,对有限的内存空间下的软件开发,有着极其重要的意义!

青山不改,绿水常流。谢谢大家!

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