探祕Runtime - 剖析Runtime結構體

時間  2019-11-09
標籤 探祕 runtime 剖析 結構 简体版
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該文章屬於<簡書 — 劉小壯>原創，轉載請註明：

<簡書 — 劉小壯> https://www.jianshu.com/p/5b7e7c8075efgit

博客配圖

NSObject

以前的定義

在OC1.0中，Runtime不少定義都寫在NSObject.h文件中，若是以前研究過Runtime的同窗能夠應該見過下面的定義，定義了一些基礎的信息。github

// 聲明Class和id
typedef struct objc_class *Class;
typedef struct objc_object *id;

// 聲明經常使用變量
typedef struct objc_method *Method;
typedef struct objc_ivar *Ivar;
typedef struct objc_category *Category;
typedef struct objc_property *objc_property_t;

// objc_object和objc_class
struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

struct objc_class {  
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
    
#if !__OBJC2__
    Class super_class                                        OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char *name                                         OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list *ivars                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list **methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache *cache                                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list *protocols                     OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
    
} OBJC2_UNAVAILABLE;

以前的Runtime結構也比較簡單，都是一些很直接的結構體定義，如今新版的Runtime在操做的時候，各類地址偏移操做和位運算。swift

以後的定義

後來可能蘋果也不太想讓開發者知道Runtime內部的實現，因此就把源碼定義從NSObject中搬到Runtime中了。並且以前的定義也不用了，經過OBJC_TYPES_DEFINED預編譯指令，將以前的代碼廢棄調了。緩存

如今NSObject中的定義很是簡單，直接就是一個Class類型的isa變量，其餘信息都隱藏起來了。架構

@interface NSObject <NSObject> {
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wobjc-interface-ivars"
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#pragma clang diagnostic pop
}

這是最新的一些經常使用Runtime定義，和以前的定義也不太同樣了，用了最新的結構體對象，以前的結構體也都廢棄了。ide

typedef struct objc_class *Class;
typedef struct objc_object *id;

typedef struct method_t *Method;
typedef struct ivar_t *Ivar;
typedef struct category_t *Category;
typedef struct property_t *objc_property_t;

對象結構體

objc_object定義

在OC中每一個對象都是一個結構體，結構體中都包含一個isa的成員變量，其位於成員變量的第一位。isa的成員變量以前都是Class類型的，後來蘋果將其改成isa_t。函數

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;
};

OC中的類和元類也是同樣，都是結構體構成的。因爲類的結構體定義繼承自objc_object，因此其也是一個對象，而且具備對象的isa特徵。oop

對象結構體

因此能夠經過isa_t來查找對應的類或元類，查找方法應該是經過uintptr_t類型的bits，經過按位操做來查找isa_t指向的類的地址。佈局

實例對象或類對象的方法，並不會定義在各個對象中，而是都定義在isa_t指向的類中。查找到對應的類後，經過類的class_data_bits_t類型的bits結構體查找方法，對象、類、元類都是一樣的查找原理。優化

isa_t定義

isa_t是一個union的結構對象，union相似於C++結構體，其內部能夠定義成員變量和函數。在isa_t中定義了cls、bits、isa_t三部分，下面的struct結構體就是isa_t的結構體構成。

下面對isa_t中的結構體進行了位域聲明，地址從nonpointer起到extra_rc結束，從低到高進行排列。位域也是對結構體內存佈局進行了一個聲明，經過下面的結構體成員變量能夠直接操做某個地址。位域總共佔8字節，全部的位域加在一塊兒正好是64位。

小提示：union中bits能夠操做整個內存區，而位域只能操做對應的位。

下面的代碼是不完整代碼，只保留了arm64部分，其餘部分被忽略掉了。

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

    Class cls;
    uintptr_t bits;

# if __arm64__
#   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL
#   define ISA_MAGIC_MASK  0x000003f000000001ULL
#   define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL
    struct {
        uintptr_t nonpointer        : 1; // 是32位仍是64位
        uintptr_t has_assoc         : 1; // 對象是否含有或曾經含有關聯引用，若是沒有關聯引用，能夠更快的釋放對象
        uintptr_t has_cxx_dtor      : 1; // 表示是否有C++析構函數或OC的析構函數
        uintptr_t shiftcls          : 33; // 對象指向類的內存地址，也就是isa指向的地址
        uintptr_t magic             : 6; // 對象是否初始化完成
        uintptr_t weakly_referenced : 1; // 對象是否被弱引用或曾經被弱引用
        uintptr_t deallocating      : 1; // 對象是否被釋放中
        uintptr_t has_sidetable_rc  : 1; // 對象引用計數太大，是否超出存儲區域
        uintptr_t extra_rc          : 19; // 對象引用計數
#       define RC_ONE   (1ULL<<45)
#       define RC_HALF  (1ULL<<18)
    };

# elif __x86_64__
// ····
# else
// ····
# endif
};

在ARM64架構下，isa_t以如下結構進行佈局。在不一樣的CPU架構下，佈局方式會有所不一樣，但參數都是同樣的。

isa_t定義

類結構體

objc_class結構體

在Runtime中類也是一個對象，類的結構體objc_class是繼承自objc_object的，具有對象全部的特徵。在objc_class中定義了三個成員變量，superclass是一個objc_class類型的指針，指向其父類的objc_class結構體。cache用來處理已調用方法的緩存。

bits是objc_class的主角，其內部只定義了一個uintptr_t類型的bits成員變量，存儲了class_rw_t的地址。bits中還定義了一些基本操做，例如獲取class_rw_t、raw isa狀態、是否swift等函數。objc_class結構體中定義的一些函數，其內部都是經過bits實現的。

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             
    class_data_bits_t bits;    

    class_rw_t *data() { 
        return bits.data();
    }
    void setData(class_rw_t *newData) {
        bits.setData(newData);
    }
    // .....
}

從objc_class的源碼能夠看出，能夠經過bits結構體的data()函數，獲取class_rw_t指針。咱們進入源代碼中看一下，能夠看出是經過對uintptr_t類型的bits變量，作位運算查找對應的值。

class_rw_t* data() {
    return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
}

uintptr_t本質上是一個unsigned long的typedef，unsigned long在64位處理器中佔8字節，正好是64位二進制。經過FAST_DATA_MASK轉換爲二進制後，是取bits中的47-3的位置，正好是取出class_rw_t指針。

在OC中一個指針的長度是47，例如打印一個UIViewController的地址是0x7faf1b580450，轉換爲二進制是11111111010111100011011010110000000010001010000，最後面三位是佔位的，因此在取地址的時候會忽略最後三位。

// 查找第0位，表示是否swift
#define FAST_IS_SWIFT           (1UL<<0)
// 當前類或父類是否認義了retain、release等方法
#define FAST_HAS_DEFAULT_RR     (1UL<<1)
// 類或父類須要初始化isa
#define FAST_REQUIRES_RAW_ISA   (1UL<<2)
// 數據段的指針
#define FAST_DATA_MASK          0x00007ffffffffff8UL
// 11111111111111111111111111111111111111111111000 總共47位

由於在bits中最後三位是沒用的，因此能夠用來存儲一些其餘信息。在class_data_bits_t還定義了三個宏，用來對後三位作位運算。

class_ro_t和class_rw_t

和class_data_bits_t相關的有兩個很重要結構體，class_rw_t和class_ro_t，其中都定義着method list、protocol list、property list等關鍵信息。

struct class_rw_t {
    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;
};

在編譯後class_data_bits_t指向的是一個class_ro_t的地址，這個結構體是不可變的(只讀)。在運行時，纔會經過realizeClass函數將bits指向class_rw_t。

struct class_ro_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t instanceStart;
    uint32_t instanceSize;
    uint32_t reserved;

    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;
};

在程序開始運行後會初始化Class，在這個過程當中，會把編譯器存儲在bits中的class_ro_t取出，而後建立class_rw_t，並把ro賦值給rw，成爲rw的一個成員變量，最後把rw設置給bits，替代以前bits中存儲的ro。除了這些操做外，還會有一些其餘賦值的操做，下面是初始化Class的精簡版代碼。

static Class realizeClass(Class cls) 
{
    const class_ro_t *ro;
    class_rw_t *rw;
    Class supercls;
    Class metacls;
    bool isMeta;

    if (!cls) return nil;
    if (cls->isRealized()) return cls;

    ro = (const class_ro_t *)cls->data();
    rw = (class_rw_t *)calloc(sizeof(class_rw_t), 1);
    rw->ro = ro;
    rw->flags = RW_REALIZED|RW_REALIZING;
    cls->setData(rw);

    isMeta = ro->flags & RO_META;
    rw->version = isMeta ? 7 : 0;

    supercls = realizeClass(remapClass(cls->superclass));
    metacls = realizeClass(remapClass(cls->ISA()))

    cls->superclass = supercls;
    cls->initClassIsa(metacls);
    cls->setInstanceSize(ro->instanceSize);

    if (supercls) {
        addSubclass(supercls, cls);
    } else {
        addRootClass(cls);
    }

    methodizeClass(cls);
    return cls;
}

在上面的代碼中咱們還發現了兩個函數，addRootClass和addSubclass函數，這兩個函數的職責是將某個類的子類串成一個列表，大體是下面的連接順序。由此可知，咱們是能夠經過class_rw_t，獲取到當前類的全部子類。

superClass.firstSubclass -> subClass1.nextSiblingClass -> subClass2.nextSiblingClass -> ...

初始化rw和ro以後，rw的method list、protocol list、property list都是空的，須要在下面methodizeClass函數中進行賦值。函數中會把ro的list都取出來，而後賦值給rw，若是在運行時動態修改，也是對rw作的操做。因此ro中存儲的是編譯時就已經決定的原數據，rw纔是運行時動態修改的數據。

static void methodizeClass(Class cls)
{
    bool isMeta = cls->isMetaClass();
    auto rw = cls->data();
    auto ro = rw->ro;

    method_list_t *list = ro->baseMethods();
    if (list) {
        prepareMethodLists(cls, &list, 1, YES, isBundleClass(cls));
        rw->methods.attachLists(&list, 1);
    }

    property_list_t *proplist = ro->baseProperties;
    if (proplist) {
        rw->properties.attachLists(&proplist, 1);
    }

    protocol_list_t *protolist = ro->baseProtocols;
    if (protolist) {
        rw->protocols.attachLists(&protolist, 1);
    }

    if (cls->isRootMetaclass()) {
        // root metaclass
        addMethod(cls, SEL_initialize, (IMP)&objc_noop_imp, "", NO);
    }

    // Attach categories.
    category_list *cats = unattachedCategoriesForClass(cls, true /*realizing*/);
    attachCategories(cls, cats, false /*don't flush caches*/);
}

假設建立一個類LXZObject，繼承自NSObject，併爲其加入一個testMethod方法，不作其餘操做。由於在編譯後objc_class的bits對應的是class_ro_t結構體，因此咱們打印一下結構體的成員變量，看一下編譯後的class_ro_t是什麼樣的。

struct class_ro_t {
  flags = 128
  instanceStart = 8
  instanceSize = 8
  reserved = 0
  ivarLayout = 0x0000000000000000 <no value available>
  name = 0x0000000100000f7a "LXZObject"
  baseMethodList = 0x00000001000010c8
  baseProtocols = 0x0000000000000000
  ivars = 0x0000000000000000
  weakIvarLayout = 0x0000000000000000 <no value available>
  baseProperties = 0x0000000000000000
}

通過打印能夠看出，一個類的class_ro_t中只會包含當前類的信息，不會包含其父類的信息，在LXZObject類中只會包含name和baseMethodList兩個字段，而baseMethodList中只有一個testMethod方法。由此可知，class_rw_t結構體也是同樣的。

類結構體

初始化過程

下面是已經初始化後的isa_t結構體的佈局，以及各個結構體成員在結構體中的位置。

結構圖

union常常配合結構體使用，第一次使用union就是對結構體區域作初始化。在對象初始化時，會對isa_t的bits字段賦值爲ISA_MAGIC_VALUE，這就是對union聯合體初始化的過程。

// 在objc-723中已經沒有了
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;
    }
}

在對象經過initIsa()函數初始化時，會經過ISA_MAGIC_VALUE對isa進行初始化。ISA_MAGIC_VALUE是一個16進制的值，將其轉換爲二進制後，會發現ISA_MAGIC_VALUE是對nonpointer和magic作初始化。

nonpointer是對以前32位處理器的兼容。在訪問對象所屬的類時，若是是32位則返回以前的isa指針地址，不然表示是64位處理器，則返回isa_t結構體。

# define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL
二進制：11010000000000000000000000000000000000001
補全二進制：23個零+11010000000000000000000000000000000000001

隨後會經過位域，對has_cxx_dtor和shiftcls作初始化，這時候就已經有四個字段被初始化了。has_cxx_dtor表示是否有C++或OC的析構方法，在打印方法列表時，常常能看到一個名爲.cxx_destruct的方法，就和這個字段有關係。

在計算機中爲了對存儲區(Memory or Disk)讀取方便，因此在寫入和讀取時，會對內存有對其操做。通常是以字節爲單位進行對其，這樣也是對讀寫速度的優化。在對shiftcls進行賦值時，對Class的指針進行了位移操做，向右位移三位。這是由於類指針爲了內存對其，將最後三位用0填充，因此這三位是沒有意義的。

isa結構體
0000000001011101100000000000000100000000001110101110000011111001
0x5d8001003ae0f8

類對象地址
100000000001110101110000011111000
0x1003ae0f8

將類對象地址右移三位爲100000000001110101110000011111，正好符合isa_t地址中shiftcls的部分，前面不足補零。

外界獲取Class時，應該經過ISA()函數，而不是像以前同樣直接訪問isa指針。在ISA()函數中，是對isa_t的結構體作與運算，是經過ISA_MASK宏進行的，轉換爲二進制的話，正好是把shiftcls的地址取出來。

inline Class 
objc_object::ISA() 
{
    return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);
}

#define ISA_MASK 0x0000000ffffffff8ULL
111111111111111111111111111111111000

Tagged Pointer

從iPhone5s開始，iOS設備開始引入了64位處理器，以前的處理器一直都是32位的。

可是在64位處理器中，指針長度以及一些變量所佔內存都發生了改變，32位一個指針佔用4字節，但64位一個指針佔用8字節；32位一個long佔用4字節，64位一個long佔用8字節等，因此在64位上內存佔用會多出不少。

**蘋果爲了優化這個問題，推出了Tagged Pointer新特性。以前一個指針指向一個地址，而Tagged Pointer中一個指針就表明一個值，**以NSNumber爲例。

NSNumber *number1 = @1;
NSNumber *number2 = @3;
NSNumber *number3 = @54;

// 輸出
(lldb) p number1
(__NSCFNumber *) $3 = 0xb000000000000012 (int)1
(lldb) p number2
(__NSCFNumber *) $4 = 0xb000000000000032 (int)3
(lldb) p number3
(__NSCFNumber *) $5 = 0xb000000000000362 (int)54

經過上面代碼能夠看出，使用了Tagged Pointer新特性後，指針中就存儲着對象的值。例如一個值爲1的NSNumber，指針就是0xb000000000000012，若是拋去前面的0xb和後面的2，中間正好就是16進制的值。

蘋果經過Tagged Pointer的特性，明顯的提高了執行效率並節省了不少內存。在64位處理器下，內存佔用減小了將近一半，執行效率也大大提高。因爲經過指針來直接表示數值，因此沒有了malloc和free的過程，對象的建立和銷燬速度提高几十倍。

isa_t

對於對象指針也是同樣，在OC1.0時代isa是一個真的指針，指向一個堆區的地址。而OC2.0時代，一個指針長度是八字節也就是64位，在64位中直接存儲着對象的信息。當查找對象所屬的類時，直接在isa指針中進行位運算便可，並且因爲是在棧區進行操做，查找速度是很是快的。

struct {
    uintptr_t nonpointer        : 1;
    uintptr_t has_assoc         : 1;
    uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;
    uintptr_t shiftcls          : 33;
    uintptr_t magic             : 6;
    uintptr_t weakly_referenced : 1;
    uintptr_t deallocating      : 1;
    uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;
    uintptr_t extra_rc          : 19;
};

例如isa_t本質上是一個結構體，若是建立結構體再用指針指向這個結構體，內存佔用是很大的。可是Tagged Pointer特性中，直接把結構體的值都存儲到指針中，這就至關節省內存了。

蘋果不容許直接訪問isa指針，和Tagged Pointer也是有關係的。由於在Tagged Pointer的狀況下，isa並非一個指針指向另外一塊內存區，而是直接表示對象的值，因此經過直接訪問isa獲取到的信息是錯誤的。

Tagged Pointer

簡書因爲排版的問題，閱讀體驗並很差，佈局、圖片顯示、代碼等不少問題。因此建議到我Github上，下載Runtime PDF合集。把全部Runtime文章總計九篇，都寫在這個PDF中，並且左側有目錄，方便閱讀。

Runtime PDF

下載地址：Runtime PDF 麻煩各位大佬點個贊，謝謝！

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