Objective-C 底層對象探究-下

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目錄

• 一、背景
• 二、從編譯後的文件理解OC對象
• 三、位域與共用體
• 四、nonPointerIsa的分析
• 五、isa的位運算
• 六、init與new的區別
• 七、總結

1. 背景

學習不迷茫，無阻我飛揚！你們好我是Tommy！本篇是Objective-C 底層對象探究的最終篇，廢話不說咱們這就開始！

2.從編譯後的文件理解OC對象

• 經過xcrun編譯成C++文件

  • 再上一篇內容中咱們是經過clang命令來進行的編譯的，其實還有一種方法就是經過xcrun命令也能夠達到同樣的效果。

  xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp
  複製代碼

• 對蘋果開發語言的層次結構的理解

  • 這裏簡要的把我我的對蘋果開發語言的一些理解簡單說明一下，咱們你們都知道目前蘋果提供2種開發語言Objective-C和Swift，在2014年以前蘋果都是選用OC來擔任開發語言，直到2014年的WWDC纔將Swift展示在廣大開發者的面前，推出以後也是受到了廣大開發人員的強烈關注；
  • 蘋果之因此大費周章的推出一種新語言，我想是Objective-C已經沒法達到蘋果對於效率方面的知足了，若是你關注每一年的WWDC的話，其實能夠感受出來蘋果在效率的問題上一直是追求極致的，經過上兩篇的學習咱們也能經過底層代碼感受出因爲Objective-C的一些語言特性致使蘋果爲其作出的效率上的犧牲，也就不難理解Objective-C在蘋果追求效率的路上成爲了最大的屏障，因此對其再從新建立一種語言也就合情合理了。
  • 其實對於咱們開發者而言，不管是Objective-C仍是Swift其實只是蘋果給予開發者在上層結構的一種開發方式，舉個例子：就至關於購買了一個電子產品，想要運行這個電子產品功能，就須要閱讀說明指南，而Objective-C仍是Swift就至關於一種操做指令，用戶經過指令來控制這個產品的功能，上層指令無論方式如何改變（無論你是物理按鈕，仍是電子屏幕觸控），都不會對影響到底層的功能。雖然底層功能不會發生改變，可是兩種方式帶來的效率就會產生差距了。

• 從編譯後文件咱們能知道什麼？

  • 對象的本質就是結構體，咱們經過查看編譯成C++的文件就能夠發現，一個叫作ZXPerson_IMPL的結構體，這個就是咱們建立的ZXPerson對象

  ps：若是把ZXPerson類的定義放到main.m中會看到更多內容

  • 若是想驗證一下，咱們能夠經過在ZXPerson類中增長一個成員變量後，再編譯成C++來觀察變化。編譯後咱們就能看到在ZXPerson_IMPL內部新增了一個咱們建立的成員name。
  • 除了咱們新增的成員name外，咱們發現還會有一個默認的成員結構體NSObject_IMPL NSObject_IVARS，這個是什麼呢？經過搜索NSObject_IMPL咱們就一目瞭然——其實就是isa。
  • Isa是指向類的結構體的指針，咱們搜索Class能夠看到實際上是objc_class結構體的指針。
  • id類型是指向對象的指針，咱們再往下看能夠看到在OC中id類型實際上是一個對象的指針。

• 屬性取值的分析

  • 觀察_I_ZXPerson_nikeName函數（在OC中其實就是getNikeName()方法）返回時的語句，咱們看到在底層並非直接將數值進行返回的，而是經過(char *)self（對象首地址）加上OBJC_IVAR_$_ZXPerson$_nikeName（變量的偏移量）來找到實際數值的地址，再進行類型轉換最終返回。

• 節點小結：

  • 能夠經過clang、xcrun方式對.m文件進行編譯，編譯後能夠幫助咱們理解底層對象的實現，本小結內容到此結束。

3. 位域與公用體

• 位域：

  • 所謂的位域實際上是在struct結構體中的一種表達語法，他的含義是爲結構體中的成員明肯定義其佔用的二進制位數，聽起來有點繞哈，其實一點也不難理解，請看下面的例子：
  • 例子中結構體ZXStruct1包含4個成員，每一個成員的類型是BOOL型（佔用1個字節），打印佔用的大小結果爲4字節；
  • 例子中結構體ZXStruct2一樣包含4個成員，每一個成員的類型是BOOL型（佔用1個字節），可是因爲定位了位域因此成員聲明後面增長了「:1」，最後打印佔用的大小結果爲1個字節；請看下面的說明圖更便於理解。
  • ZXStruct1結構體共佔用4字節，32個二進制位，可是BOOL類型的話只須要一個進制位就能夠表達了，其餘進制位都是補零，因此空間方面有所浪費。
  • ZXStruct2結構體共佔用1字節，因爲定義了位域，使每一個成員BOOL只佔用1個二進制位故須要4個二進制位，又因8個二進制位爲1個字節，因此只需1個字節就能夠知足佔用需求，大大節省了空間。

• 公用體：

  • 咱們知道結構體（Struct）是一種構造類型或複雜類型，它能夠包含多個類型不一樣的成員。在C語言中，還有另一種和結構體很是相似的語法，叫作共用體（Union），它的定義格式爲：

  union 共用體名{
      成員列表
  };
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  • 共用體有時也被稱爲聯合或者聯合體，這也是 Union 這個單詞的本意。
  • 結構體與共用體在內存大小上也存在差別，結構體是各個成員會佔用不一樣的內存，互相之間沒有影響；而共用體是全部成員佔用同一段內存，修改一個成員會影響其他全部成員，而內存的總大小已成員中最大佔用的那個爲準。
  • 主要區別在於：結構體的各個成員會佔用不一樣的內存，互相之間沒有影響；而共用體的全部成員佔用同一段內存，修改一個成員會影響其他全部成員。請看下面的例子：
  • 例子中結構體 ZXStruct3 包含 4 個成員，打印佔用的大小結果爲 32 字節；而且每一個成員的值都是獨立存放的，不會由於給其餘成員賦值而改變。
  • 例子中共用體ZXStruct4包含4個成員，打印佔用的大小結果爲8字節，是由於成員中含有指針類型name、nikeName，因此按照最大成員的大小進行分配。此外當咱們分步驟進行成員變量賦值時，會發生改變其餘成員變量值的現象。請看下面的說明圖更便於理解。
• 理解說明：
  • 一、共用體未對任何成員進行賦值操做時成員都是nil；
  • 二、當 zx4.name="zhaoxin"進行賦值後內存地址發生變化，因爲是指針類型須要佔用8個字節，這時其實已經將整個共用體的內存佔用滿了；第二個成員nikeName也是指針類型，因此共用了成員name的內存，所以值與name一致；第三個成員age佔用4個字節，因爲IOS是小端模式，因此age的值爲0x3f4c，轉換爲10進制正好是16204；最後一個成員height是double類型比較特殊因此值是‘0’；
  • 三、 當zx4.nikeName="zhaoxin"進行賦值後內存地址發生變化，與成員name的值一致；第三個成員age值爲0x3f54；轉換爲10進制是16212;最後一個成員height依舊是‘0’；
  • 四、當zx4.age=20進行賦值後內存地址發生變化，成員name與nikeName值爲58 07 00 00，轉換爲ASCII爲‘X’（07的ASCII是BEL (bell)不會被顯示）；age爲20（16進制0x0014就是20），height依舊是‘0’；
  • 五、當zx4.height=179.2進行賦值後內存地址發送變化，成員name與nikeName值沒法讀取，age則超出了範圍大小了直接顯示了最大數；height經過p/f方式打印能夠讀取到數值。

賦值順序	name	nikeName	age	height
name賦值時	zhaoxin	zhaoxin	16240	0
nikeName賦值時	Tommy	Tommy	16212	0
age賦值時	X	X	20	0
height賦值時	null	null	越界了	179.2

• 節點小結：

  • 經過設置位域能夠定義成員變量佔用的二進制位的大小；
  • 普通結構體：結構體中的全部成員都會分配獨立的內存空間且相互不會干擾，優勢：不會互相影響；缺點：沒有使用到的成員的空間會被浪費掉；
  • 共同體（聯合體）：共同體大小以成員中最大的那個爲準，其中全部成員公用內存區域，優勢：節省空間；缺點：成員的取值會發生變化；
  • 本小結內容到此結束。

4. nonPointerIsa的分析

• 什麼是nonPointerIsa：

  • 咱們都知道Isa是指向類的一個指針，可是Isa也有包含一個特殊的種類，除了包括類信息以外還包含其餘的信息例如：bits、has_cxx_dtor、indexcls等信息的Isa，咱們稱做nonPointerIsa。（非單純指針的Isa） （ps：在不設置環境變量OBJC_DISABLE_NONPOINTER_ISA =1的狀況下，咱們所用的Isa都是nonPointerIsa，後文有說明如何設置這個變量）
  • 能夠經過objc源碼來查看，從 _class_createInstanceFromZone() 開闢實例對象方法中對 obj->initIsa(cls) 代碼進行追查。

• Isa裏面存放了什麼信息：

  • 經過上面的源碼分析，咱們得知了nonPointerIsa除了類信息以外還會存放其餘數據，源碼中是將數據存放到了名叫newisa的對象裏，newisa是一個叫作isa_t結構體類型，咱們能夠繼續追蹤這個isa_t結構體。
  • isa_t的結構體比較簡單，包括2個構造方法、一個私有的成員cls、以及對cls操做的相關對外方法、最後就是最關鍵的成員結構體ISA_BItFIELD，這個就是isa真正存放數據的關鍵。此外咱們在上一小結 位域與聯合體 的知識就能夠用到了。

• isa_t的特色分析：

  • 首先isa_t是一個共用體，並佔有8個字節大小；
  • isa_t中有2個成員，一個是私有的cls、另外一個就是內部結構體成員 ISA_BItFIELD，它倆共享8字節的大小空間；
  • 若是是非nonPointerIsa則8字節大小隻存放cls成員的信息，不然存放ISA_BItFIELD的信息；
  • 1個字節佔用8個二進制位，isa_t佔用8個字節即64個二進制位，ISA_BItFIELD經過定義了位域共佔用64位，因此若是是nonPointerIsa則直接會佔滿。
  • ISA_BItFIELD的位域會根據當前系統進行調整，可是總體的大小不變，只是內部各個成員大小會發生細微變化。

• ISA_BItFIELD中成員的含義：

成員	表明的含義
nonpointer	表示是否對 isa 指針開啓指針優化；爲0時: 純isa指針；爲1時:不止是類對象地址,還包含了類信息、對象的引用計數等。
has_assoc	關聯對象標誌位，0：沒有，1：存在 。
has_cxx_dtor	該對象是否有 C++ 或者 Objc 的析構器,若是有析構函數,則須要作析構邏輯, 若是沒有,則能夠更快的釋放對象 。
shiftcls	儲類指針的值。開啓指針優化的狀況下，在arm64 架構中有33 位用來存儲類指針。
magic	用於調試器判斷當前對象是真的對象仍是沒有初始化的空間 。
weakly_referenced	志對象是否被指向或者曾經指向一個 ARC 的弱變量，沒有弱引用的對象能夠更快釋放。
unused	標誌對象是否被使用。(源碼版本objc-723這裏是deallocating表示對象是否正在釋放內存，我這裏源碼版本是objc-818.2使用unused來代替原deallocating；自己的意義應該是一致的)
has_sidetable_rc	當對象引用技術大於 10 時，則須要借用該變量存儲進位 。
extra_rc	當表示該對象的引用計數值，其實是引用計數值減1，例如：若是對象的引用計數爲10，那麼extra_rc 爲9。若是引用計數大於 10，則須要使用到上面的has_sidetable_rc。

• 經過LLDB打印isa的二進制位

  • 以前咱們能夠經過x/4gx來打印isa的地址，如今咱們已經瞭解了isa是佔用了64個二進制位，若是想驗證一下咱們能夠經過p/t （打印二進制），輸出以後就獲得了完整的二進制了（起始是從右往左）。

• ISA_MASK是做用

  • ISA_MASK是一個掩碼，他的主要做用是經過掩碼將不想獲得的數據過濾掉，只留下想要的數據。具體實際狀況就是在isa中，最重要是就是類有關的信息也就是shiftcls的內容，因此這個ISA_MASK的做用就是過濾掉其餘信息只返回類信息。
  • 依舊經過x/4gx來打印isa的地址，而後與上ISA_MASK的值，獲得的就是類信息；在經過p/x ZXPerson.class來進行驗證。結果是兩個值都是一致的。

• 設置環境變量 OBJC_DISABLE_NONPOINTER_ISA

  • 上文中提到過能夠經過設置環境變量OBJC_DISABLE_NONPOINTER_ISA來改變isa的類型，OBJC_DISABLE_NONPOINTER_ISA的含義是：當設置值爲1時，當前建立的因此isa均爲普通isa。
  • 在Edit_Scheme中添加變量：
  • 進行對比後咱們發現isa二進制的首位發送了變化；普通的isa首位是‘0’，而且總體只保留了shiftcls的信息。

• 我是如何知道這些環境變量的？（2021-7-21補充）

  • 其實相似這種的環境變量還有不少，我是怎麼知道有OBJC_DISABLE_NONPOINTER_ISA這個的呢？
  • 其實很簡單，咱們只需在終端輸入 export OBJC_HELP=1 便可將全部環境變量打印出來，而且每一個環境變量後面還有對應的用途與解釋。你們不妨能夠本身耍一耍。

5. isa的位運算

• 經過對isa地址進行位運算獲得類信息

  • 上一節咱們經過ISA_MASK來獲取了類信息，本節我在介紹一種方式：採用對isa地址進行位運算來獲取類信息。
  • 咱們知道shiftcls的位置就存放類信息的地方，他在結構體中佔用33位。我看先按右移3位、左移28+3位；、右移28位；三步驟就能夠將shiftcls先後的數據進行清空，這時isa中剩下的數據就只有類信息了。請看以下示意圖：
  • 下面是驗證結果，最終結果與咱們料想的一致。

• 節點小結：

  • 經過對isa佔位的理解，經過對isa地址進行位運算的方式，一樣能夠獲取到類信息。本小結內容到此結束。

6. init與new的區別

• init源碼：

  • 咱們經過command + shift + O 來搜索init，找到後點擊進入；
  • 找到實例對象會調用的入口，可是裏面沒有任何處理直接將obj對象返回了。

• new源碼：

  • 經過command + shift + O 來搜索new，找到後點擊進入；
  • 找到入口後發現此方法就是再調用了callAlloc後再進行init的調用操做，因此驗證了 [[alloc]init] 與 new 是效果是相等的。

• 節點小結：

  • 經過對源碼的分析，咱們獲得的結論就是 init只是單純的初始化，而new則是 alloc + init 。本小結內容到此結束。

7. 總結

• 一、能夠經過clang、xcrun等命令對OC源碼進行編譯，編譯後的代碼可讓咱們更明確的分析底層實現。
• 二、在結構體中能夠經過設定位域來對內部成員進行獨特的設置。
• 三、共用體的特性：所含成員中最大的佔位就是共用體的大小；內部佔用空間是共享的，給不一樣成員賦值時會改變其餘成員的值；
• 四、nonPointerIsa是一種特殊的isa，裏面除了包含class信息以外，還有其餘額外的數據；
• 五、經過isa_t能夠對其進行位運算來獲取想要的數據；
• 六、init只是單純的初始化方法，蘋果沒有對齊進行特殊處理；new是alloc + new的簡便方式。

寫到最後

• 學習資料：本小結代碼例子gitHub下載地址
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