Runtime源碼閱讀分享之對象的本質，瞭解isa

時間  2019-11-30
標籤 runtime 源碼 閱讀 分享 對象 本質 瞭解 isa 简体版
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引言

咱們都知道，Runtime 是 Objective-C 這門動態語言的核心，只有理解了它，咱們纔可以更好的理解 Objective-C 究竟是如何工做的，在編程時，也會更加駕輕就熟。因爲時間和精力有限，這次我主要想從如下幾方面來進行 Runtime 源碼的閱讀，往後將會逐步完善。因爲整體篇幅較長，因此我將會每一部分拆分紅一篇文章來具體分析。html

目錄

1、對象的本質，瞭解 isa編程

2、對象的生命週期數組

3、對象的引用計數緩存

4、對象的擴展方法app

5、Runtime 的應用ide

對象的本質，瞭解 isa

首先來看一看對象和類的定義

/// 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();
};


// 其內部有一個指向 Class 的指針，而 Class 是什麼呢

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

// 再來看一下 objc_class 的定義,須要注意的是，objc_class 也是繼承自 objc_object， 因爲 objc_object 中已經定義了一個 isa 指針，因爲結構體中全部的成員都是 public 的，因此 objc_class 也就擁有了 isa 而且也擁有訪問 isa 的權限。
struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA; // 此時，類中的 isa 指針指向的是 metaClass 元類
    Class superclass;  // 父類
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable 類的方法緩存，由於 Runtime 時會把第一次遇到的方法緩存到方法緩存中，此後將直接從緩存中讀取方法，極大提升了效率
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
  // class_data_bits_t <==> class_rw_t + 一個 rr/alloc 位
};
複製代碼

因此到這裏，咱們也就理解到了，實際上，類也是一個對象源碼分析

  • 咱們須要知道的是，在 Objective-C 中，對象的方法並沒有存儲於對象的結構體中（若是每個對象都保存了本身能執行的方法，那麼對內存的佔用有極大的影響）。在調用實例方法時，而是經過 isa 指針來尋找相應的類，經過 class_data_bits_t 來尋找類中的方法。具體是如何尋找的，咱們看👇ui

    // 首先 class_data_bits_t 中有一個 bits 位
struct class_data_bits_t {

    // Values are the FAST_ flags above.
    uintptr_t bits;
 public:

  // 這裏返回的數據是 class_rw_t* 指針類型的數據，在這個方法中咱們能夠看出，將 bits 與 FAST_DATA_MASK 進行位運算，只取其中的 [3, 47] 位轉換成 class_rw_t * 返回。
    class_rw_t* data() {
        return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
    }
}

// data() 返回的是一個 class_rw_t* 指針， class_rw_t 又是什麼？

// 類中的屬性、方法還有遵循的協議等信息都保存在 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
};
// 由此咱們能夠看出， class_rw_t 中包含了一些關於類的信息，好比 flag， 版本號， 方法數組， 屬性數組等。而其中又有一個指向 class_ro_t 的指針， class_ro_t 又是什麼？
// 原來，class_ro_t 中存儲了當前類在編譯期就已經肯定的屬性、方法以及遵循的協議。
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;
    }
}; 
複製代碼

  • 因此由此，咱們知道 class_ro_t 保存的是在編譯期時就已經肯定的方法，因此當在編譯期時， class_data_bits_t 將直接指向 class_ro_t ，然後在 Runtime 時，將會調用 class_data_bits_t 的 data() 直接將結果從 class_rw_t 轉化成 class_ro_t 指針， 而後再初始化一個 class_rw_t 指針，此時它中的數據都爲空，而後再設置它的 ro 變量和 flag， 最後再爲其設置正確的 datathis

    /*********************************************************************** * 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?

  // 強制轉化爲 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.
      // 這時候首先給 rw 分配內存空間而且初始化爲 0
        rw = (class_rw_t *)calloc(sizeof(class_rw_t), 1);
      // 使 rw 指向 ro
        rw->ro = ro;
      // 設置 rw 的 flag 爲 正在初始化和已經初始化
/** // 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);
    }

  // 判斷是否爲 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
// 在這個方法中將 rw 的方法列表，屬性列表，協議列表賦值
  methodizeClass(cls);

  return cls;
};
複製代碼

    此時，通過 Runtime 的做用以後，如今內存中的關係是，類中的 data 指針指向 class_data_bits_t， class_data_bits_t 結構體中的 data() 方法獲取到的是 class_rw_t 指針， class_rw_t 結構體中的 ro 指針指向 class_ro_t。圖以下：atom

圖片來自一位大神的博客，侵權刪

  • 可是問題來了，類的方法是如何被查找和調用的呢？因爲咱們已經知道了，在 ObjC 中，實際上類也是一個特殊的對象，查找類的方法實際上就和查找實例方法採用一樣的機制，可是如何才能讓他們採用一樣的機制呢？這時，元類的做用就顯現了出來。

    • metaClass 保證了類中也有一個指向 Class 類型的指針，保證了類和對象的一致性，保證了類查找方法的機制與對象查找方法的機制保持同步。
      • 當實例方法調用時，經過對象的 isa 在類中獲取方法的實現
      • 當類方法調用時，經過類的 isa 在元類中獲取方法的實現

如今，咱們的重點終於到了， isa 究竟是什麼？

  • 咱們在 Runtime 的源碼中能夠看到,在不一樣的處理器上，這個共同體所分配的內存位數是不一樣的。

    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)
    };
};
複製代碼

    以 x86_64_ 爲例，

    圖片來自一位大神的博客，侵權刪

  • 更深一步，從 isa 的初始化來看 isa 的結構

    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;
    }
}

// 因爲對象的 isa 初始化時傳入 indexed 爲 true ，因此，可簡化爲
inline void 
objc_object::initIsa(Class cls, bool indexed, bool hasCxxDtor) 
{ 
  // 其中 ISA_MAGIC_VALUE 爲 0x000001a000000001ULL
        isa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;
        isa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
        isa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;
}
複製代碼

    • 此時，當執行完 isa.bits = ISA_MAGIC_VALUE; 後 isa 的結構爲 ，能夠看到 ISA_MAGIC_VALUE 將 magic 和 indexed 都初始化了

    • 接着 isa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor; 這一位會設置 has_cxx_dtor 的值，若是是 1， 則表示當前對象是否有析構器，若是沒有，就會快速釋放

    • 最後， isa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3; 將當前對象對應的類指針賦值給 shiftcls 這些位，之因此向右移三位，移三位的主要緣由是用於將 Class 指針中無用的後三位清楚減少內存的消耗，由於類的指針要按照字節（8 bits）對齊內存，其指針後三位都是沒有意義的 0。賦值以後以下

      至此，也就證實了咱們以前對於初始化 isa 時對 initIsa 方法的分析是正確的。它設置了 indexed、magic 以及 shiftcls。

獲取 isa

  • 因爲咱們如今使用告終構體 isa_t 來替代 Class 類型的指針， 因此咱們也就須要一個指針可以返回 isa 所指的類，因此咱們此時須要一個 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
}

// 簡化後以下
inline Class 
objc_object::ISA() 
{
    assert(!isTaggedPointer());
  // 由此能夠看到，實際上 ISA() 返回的是 isa.bits 與 0x0000000ffffffff8ULL 進行的按位與操做，確實能夠返回當前的類
    return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);
}
複製代碼

總結

  • 至此，這次源碼分析的第一部分也就此結束，若是您發現了什麼問題和不足歡迎與我探討和指教。

參考資料

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