iOS ——runtime（3）：淺析NSObject對象的isa_t

時間 2019-12-01

標籤 ios runtime 淺析 nsobject 對象 isa 欄目 iOS 简体版

原文原文鏈接

分析

在上一篇文章中咱們說到過isa實際上是個聯合體，那麼到底什麼是聯合體，做者再帶你們溫習一下：ios

聯合體
在進行某些算法的C語言編程的時候，須要使幾種不一樣類型的變量存放到同一段內存單元中。也就是使用覆蓋技術，幾個變量互相覆蓋。這種幾個不一樣的變量共同佔用一段內存的結構，在C語言中，被稱做「共用體」類型結構，簡稱共用體，也叫聯合體。算法

聯合體和結構體
「聯合」與「結構」有一些類似之處。但二者有本質上的不一樣。在結構中各成員有各自的內存空間，一個結構體變量的總長度大於等於各成員長度之和。而在「聯合」中，各成員共享一段內存空間，一個聯合變量的長度等於各成員中最長的長度。應該說明的是，這裏所謂的共享不是指把多個成員同時裝入一個聯合變量內，而是指該聯合變量可被賦予任一成員值，但每次只能賦一種值，賦入新值則衝去舊值。以下面介紹的「單位」變量，如定義爲一個可裝入「班級」或「教研室」的聯合後，就容許賦予整型值（班級)或字符型（教研室)。要麼賦予整型值，要麼賦予字符型，不能把二者同時賦予它。聯合類型的定義和聯合變量的說明：一個聯合類型必須通過定義以後，才能把變量說明爲該聯合類型。編程

演示代碼以下：bash

#include<iostream> 
using namespace std;  
  
union U1  
{  
    int n;  
    char s[11];  
    double d;  
};  
  
union U2  
{  
    int n;  
    char s[5];  
    double d;  
};  
  
int main()  
{  
    U1 u1;  
    U2 u2;  
    cout<<sizeof(u1)<<'\t'<<sizeof(u2)<<endl;  
    cout<<"u1各數據地址:\n"<<&u1<<'\t'<<&u1.d<<'\t'<<&u1.s<<'\t'<<&u1.n<<endl;  
    cout<<"u1各數據地址:\n"<<&u2<<'\t'<<&u2.d<<'\t'<<&u2.s<<'\t'<<&u2.n<<endl;  
}  
複製代碼

上述代碼中：
對於U1聯合體，s佔11字節，n佔4字節，d佔8字節，所以其至少需1字節的空間。然而其實際大小並非11，用運算符sizeof測試其大小爲16。這是由於這裏存在字節對齊的問題，11既不能被4整除，也不能被8整除。所以補充字節到16，這樣就符合全部成員的自身對齊了。從這裏能夠看出聯合體所佔的空間不只取決於最寬成員，還跟全部成員有關係，即其大小必須知足兩個條件：數據結構

(1)大小足夠容納最寬的成員；
(2)大小能被其包含的全部基本數據類型的大小所整除。

對於U2聯合體，同理知道，用運算符sizeof測試其大小爲8。ide

運行後的結果以下：函數

16  8
u1各數據地址:
0x7ffeefbff608  0x7ffeefbff608  0x7ffeefbff608  0x7ffeefbff608
u1各數據地址:
0x7ffeefbff5d0  0x7ffeefbff5d0  0x7ffeefbff5d0  0x7ffeefbff5d0
Program ended with exit code: 0
複製代碼

上篇文章中，咱們比對兩個類是否相等最終判斷了測試

isa.bits & ISA_MASK
複製代碼

的值是否相等。那爲何判斷這兩個的值是否相等便可呢，這便是本文討論的話題。
首先瀏覽一下isa源碼：優化

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)
    };

# else
# error unknown architecture for packed isa
# endif

// SUPPORT_PACKED_ISA
#endif


#if SUPPORT_INDEXED_ISA

# if __ARM_ARCH_7K__ >= 2

# define ISA_INDEX_IS_NPI 1
# define ISA_INDEX_MASK 0x0001FFFC
# define ISA_INDEX_SHIFT 2
# define ISA_INDEX_BITS 15
# define ISA_INDEX_COUNT (1 << ISA_INDEX_BITS)
# define ISA_INDEX_MAGIC_MASK 0x001E0001
# define ISA_INDEX_MAGIC_VALUE 0x001C0001
    struct {
        uintptr_t nonpointer        : 1;
        uintptr_t has_assoc         : 1;
        uintptr_t indexcls          : 15;
        uintptr_t magic             : 4;
        uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;
        uintptr_t weakly_referenced : 1;
        uintptr_t deallocating      : 1;
        uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;
        uintptr_t extra_rc          : 7;
# define RC_ONE (1ULL<<25)
# define RC_HALF (1ULL<<6)
    };

# else
# error unknown architecture for indexed isa
# endif

// SUPPORT_INDEXED_ISA
#endif

};
複製代碼

去掉註釋，以及其餘平臺的兼容性代碼（主要是x86_64相關的代碼）後簡化以下：ui

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

    Class cls;
    uintptr_t bits;

# 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)
    };
};
複製代碼

初步看到isa_t的時候，相信你們仍是比較難以理解：

結構體後的冒號是什麼意思
# define ISA_MASK 0x0000000ffffffff8ULL定義的數字的含義

1.冒號是位域

位域
位域是指信息在存儲時，並不須要佔用一個完整的字節，而只需佔幾個或一個二進制位。例如在存放一個開關量時，只有0和1 兩種狀態，用一位二進位便可。爲了節省存儲空間，並使處理簡便，C語言又提供了一種數據結構，稱爲「位域」或「位段」。所謂「位域」是把一個字節中的二進位劃分爲幾個不一樣的區域，並說明每一個區域的位數。每一個域有一個域名，容許在程序中按域名進行操做。這樣就能夠把幾個不一樣的對象用一個字節的二進制位域來表示。

首先你們須要知道，無論X86仍是arm的處理器都是64位的。16位操做系統中，int 佔16位；在32位操做系統中，int 佔32位。可是後來人們已經習慣了 int 佔32位，所以在64位操做系統中，int 仍爲32位。64位整型用 long long 或者64位即8個字節，即64位。
在文章結構體對齊（圖解）與位域中你們能夠了解到位域對於結構體的大小起到必定的做用。

所以咱們不難理解：isa_t中的bits佔用了64位的數據。
上一篇文章中的

isa.bits & ISA_MASK
複製代碼

中

# define ISA_MASK 0x0000000ffffffff8ULL
複製代碼

咱們來看一下，這個0x0000000ffffffff8ULL換算成二進制

本文完整版詳見筆者小專欄：https://xiaozhuanlan.com/runtime

有31位都是1。對isa.bits和ISA_MASK進行與操做，會發生什麼「化學反應」呢？

位操做符
位操做符包括：&（按位與）、|（按位或）、^（按位異或）。這三個操做符很是簡單，須要注意的是，這三個操做符操做的必須是整數。

這裏以&爲例：
當&兩邊是bool類型的值時，該運算符做爲邏輯運算符。做用以下：
當運算符兩邊的表達式的結果都爲true時，整個運算結果才爲true，不然，只要有一方爲false，則結果爲false。
當&兩邊不是bool類型的時候，該運算符做爲位運算符，將兩邊的值做爲二進制展開，依次對每一位進行按位與。做用以下：

11100101 & 01011010 = 01000000
複製代碼

通過以上分析，咱們不可貴出：
上圖中能夠看出ISA_MASK的值轉化爲二進制中有33位都爲1，上面的例子能夠看出，按位與的做用是能夠取出這33位中的值。那麼此時很明顯了，同ISA_MASK進行按位與運算便可以取出Class的值。

寫到這裏，咱們再回頭看看isa_t的源碼，不難發現，這33位對應的是結構體的shiftcls的位域。其餘的位域在最後也一併作個預習吧：

struct {
    // 1表明優化後的使用位域存儲更多的信息。
    uintptr_t nonpointer        : 1; 

   // 是否有設置過關聯對象
    uintptr_t has_assoc         : 1;

    // 是否有C++析構函數
    uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;

    // 存儲着Class對象的內存地址信息
    uintptr_t shiftcls          : 33; 

    // 用於在調試時分辨對象是否未完成初始化
    uintptr_t magic             : 6;

    // 是否有被弱引用指向過。
    uintptr_t weakly_referenced : 1;

    // 對象是否正在釋放
    uintptr_t deallocating      : 1;

    // 引用計數器是否過大沒法存儲在isa中
    // 若是爲1，那麼引用計數會存儲在一個叫SideTable的類的屬性中
    uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;

    // 裏面存儲的值是引用計數器減1
    uintptr_t extra_rc          : 19;
};

複製代碼