isa底層結構分析

時間  2021-08-14
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1、對象的本質

main.m文件算法

#import <Foundation/Foundation.h>
#import <objc/runtime.h>

@interface FXPerson : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@end

@implementation FXPerson
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        NSLog(@"Hello, World!");
    }
    return 0;
}
複製代碼

首先，咱們使用終端先跳轉到把main.m的根目錄，把main.m文件使用clang編譯命令轉爲cpp文件，會獲得下面main.cpp文件markdown

clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp
複製代碼

main.cpp文件數據結構

typedef struct objc_object FXPerson;
typedef struct {} _objc_exc_FXPerson;
#endif

extern "C" unsigned long OBJC_IVAR_$_FXPerson$_name;
struct FXPerson_IMPL {
	struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
	NSString *_name;
};
複製代碼

從main.cpp文件中咱們能夠看到對象的本質其實都是結構體。而結構體當中的struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS其實對應的就是咱們的isa指針。架構

2、聯合體、位域

@interface FXCar : NSObject

@property (nonatomic, assign) BOOL front;
@property (nonatomic, assign) BOOL back;
@property (nonatomic, assign) BOOL left;
@property (nonatomic, assign) BOOL right;

// 對象 - 屬性
// 1*4 = 4字節*8位 = 32位 浪費

- (void)setFront:(BOOL)isFront;  // 存儲 : 1字節 = 8位 0000 1111  char + 位域  bit 結構體
- (BOOL)isFront;

- (void)setBack:(BOOL)isBack;
- (BOOL)isBack;

@end
複製代碼

假設咱們一個對象(FXCar)裏面有4個屬性(front、back、left、right)，每一個BOOL屬性佔1個字節，4個屬性就佔4個字節（32位數據）。其實只須要一個字節後面4位的內容就能夠存儲這4個屬性。ide

結構體（struct）中全部變量是「共存」的函數

  • 優勢: 「有容乃大」、全面；
  • 缺點: struct內存空間的分配是粗放的，無論用不用，全分配。

聯合體（union）中是各變量是「互斥」的oop

  • 優勢: 內存使用更爲精細靈活，也節省了內存空間;
  • 缺點: 就是不夠「包容」。

蘋果也針對於這種現象作了一些優化，採用聯合體、位域的方式來節省內存以存儲更多內容。優化

@interface FXCar(){
    // 聯合體
    union {
        char bits;
        // 位域
        struct { // 0000 1111
            char front  : 1;
            char back   : 1;
            char left   : 1;
            char right  : 1;
        };
    } _direction;
}
@end
複製代碼

3、isa結構信息

在alloc流程分析中咱們針對alloc進行源碼調試過程當中，咱們會走到obj->initInstanceIsa這個方法，咱們按照obj->initInstanceIsa ->initIsa -> isa_t流程能夠分別看到下面幾個方法ui

obj->initInstanceIsaatom

inline void 
objc_object::initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor)
{
    ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());
    ASSERT(hasCxxDtor == cls->hasCxxDtor());

    initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
}
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obj->initInstanceIsa方法中的initIsa方法

inline void 
objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor) 
{ 
    ASSERT(!isTaggedPointer()); 
    
    if (!nonpointer) {
        isa = isa_t((uintptr_t)cls);
    } else {
        ASSERT(!DisableNonpointerIsa);
        ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());

        isa_t newisa(0);

#if SUPPORT_INDEXED_ISA
        ASSERT(cls->classArrayIndex() > 0);
        newisa.bits = ISA_INDEX_MAGIC_VALUE;
        // isa.magic is part of ISA_MAGIC_VALUE
        // isa.nonpointer is part of ISA_MAGIC_VALUE
        newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
        newisa.indexcls = (uintptr_t)cls->classArrayIndex();
#else
        newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;
        // isa.magic is part of ISA_MAGIC_VALUE
        // isa.nonpointer is part of ISA_MAGIC_VALUE
        newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
        newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;
#endif

        // This write must be performed in a single store in some cases
        // (for example when realizing a class because other threads
        // may simultaneously try to use the class).
        // fixme use atomics here to guarantee single-store and to
        // guarantee memory order w.r.t. the class index table
        // ...but not too atomic because we don't want to hurt instantiation
        isa = newisa;
    }
}
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從initIsa方法中，咱們能夠看到isa = isa_t((uintptr_t)cls);，isa的數據結構其實爲 isa_t，而後咱們再進入isa_t看一下。 isa_t源碼

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

    Class cls;
    uintptr_t bits;
#if defined(ISA_BITFIELD)
    struct {
        ISA_BITFIELD;  // defined in isa.h
    };
#endif
};
複製代碼

經過上述源碼發現isa_t是一個union（共用體/聯合體） 其中 ISA_BITFIELD 宏定義在不一樣架構下表示以下 :

# if __arm64__
#   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 deallocating      : 1;                                       \
      uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;                                       \
      uintptr_t extra_rc          : 19
# elif __x86_64__
#   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 deallocating      : 1;                                         \
      uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;                                         \
      uintptr_t extra_rc          : 8
複製代碼

首先看到isa_t是一個聯合體的數據結構 , 聯合體意味着公用內存 , 也就是說isa其實總共仍是佔用 8 個字節內存 , 共 64 個二進制位 。

而上述不一樣架構的宏定義中定義的位域就是 64 個二進制位中 , 每一個位置存儲的是什麼內容。

  • 因爲聯合體的特性 ,cls,bits以及struct都是 8 字節內存 , 也就是說他們在內存中是徹底重疊的。
  • 實際上在runtime中，任何對struct的操做和獲取某些值，如 extra_rc，實際上都是經過對bits作位運算實現的。
  • bits 和struct的關係能夠看作 : bits 向外提供了操做struct的接口，而struct自己則說明了bits中各個二進制位的定義。

參照arm64架構下 ,ISA_BITFIELD咱們來看看每一個字段都存儲了什麼內容 , 以便更深入的理解對象的本質。

成員 位 含義
nonpointer 1bit 表示是否對 isa 指針開啓指針優化。 0：純 isa 指針；1：不止是類對象地址。isa 中包含了類信息、對象的引用計數等
has_assoc 1bit 標誌位: 代表對象是否有關聯對象。0：沒有；1：存在。沒有關聯對象的對象釋放的更快
has_cxx_dtor 1bit 標誌位： 代表對象是否有C++或ARC析構函數。沒有析構函數的對象釋放的更快
shiftcls 33bit 存儲類指針的值。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 6bit 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 , 固定爲 0x1a
weakly_referenced 1bit 標誌位：用於表示該對象是否被別ARC對象弱引用或者引用過。沒有被弱引用的對象釋放的更快
deallocating 1bit 標誌位： 用於表示該對象是否正在被釋放
has_sidetable_rc 1bit 標誌位： 用於標識是否當前的引用計數過大 ( 大於 10 ) ，沒法在 isa 中存儲，則須要借用sidetable來存儲，標誌是否有外掛的散列表
extra_rc 19bit 其實是對象的引用計數減 1 . 好比，一個 object 對象的引用計數爲7，則此時 extra_rc 的值爲 6
### 4、isa關聯類
在上面的initIsa方法中，isa初始化方法中會有以下賦值，咱們也能夠斷點調試 newisa 的值
isa初始化方法 
newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;
// isa.magic is part of ISA_MAGIC_VALUE
// isa.nonpointer is part of ISA_MAGIC_VALUE
newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;
···
`newisa` 的值
···
(lldb) p newisa
(isa_t) $2 = {
  cls = 0x001d800000000001
 ··
   = {
    nonpointer = 1
    has_assoc = 0
    has_cxx_dtor = 0
    shiftcls = 0
    magic = 59
    weakly_referenced = 0
    deallocating = 0
    has_sidetable_rc = 0
    extra_rc = 0
  }
}
複製代碼

isa初始化方法當中的宏 ISA_MAGIC_VALUE（ULL表示unsign long long類型）

#   define ISA_MAGIC_VALUE 0x001d800000000001ULL
複製代碼

咱們能夠用計算器看一下isa當中的 cls = 0x001d800000000001 信息， 計算器查看cls信息.png cls的十進制信息.png 咱們能夠看到從47位開始有一個111011，而後咱們再打印一下 isa當中的 magic = 59 信息，使用計算器打印一下59的二進制信息，咱們會發現也是11101。而後咱們再看一下cls = 0x001d800000000001 信息的十進制信息，發現就等於 bits = 8303511812964353 ，這也就說明了cls,bits以及struct都是 8 字節內存 , 也就是說他們在內存中是徹底重疊的。

而後咱們把斷點調試到下面這行代碼執行完畢

newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;
複製代碼

咱們 (uintptr_t)cls 右移3位，能夠打印以下信息

(lldb) p (uintptr_t)cls
(uintptr_t) $4 = 4294976104
(lldb) p $4 >> 3
(uintptr_t) $5 = 536872013
(lldb) p newisa
(isa_t) $6 = {
  cls = FXPerson
  bits = 8303516107940461
   = {
    nonpointer = 1
    has_assoc = 0
    has_cxx_dtor = 1
    shiftcls = 536872013
    magic = 59
    weakly_referenced = 0
    deallocating = 0
    has_sidetable_rc = 0
    extra_rc = 0
  }
}
複製代碼

從上面咱們能夠看到，shiftcls 存儲類指針的值，而且將類 FXPerson 和 shiftcls = 536872013 關聯起來了。

5、isa經過位運算驗證關聯類

咱們先將斷點調試到 obj->initInstanceIsa 這個方法以後，而後打印 obj 信息，經過位運算驗證關聯 FXPerson 信息 位運算驗證關聯類.png

位運算方法解析：isa結構體信息以下圖所示： isa結構體信息.png

  1. 先將 isa指針 右移 3位 將 isa指針 的右邊 3位 信息抹掉，左邊空出 3位 使用 0 來填充。
  2. 將 isa指針 左移 20位 ，將 步驟1當中新增的3位 + isa指針的左邊17信息抹掉。
  3. 最後將 isa指針 右移 17 位便可恢復 44位shiftcls 的位置信息
(lldb) x/4gx obj
0x103225090: 0x001d800100002275 0x0000000000000000
0x1032250a0: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
(lldb) p/x 0x001d800100002275 >> 3
(long) $2 = 0x0003b0002000044e
(lldb) p/x 0x0003b0002000044e << 20
(long) $3 = 0x0002000044e00000
(lldb) p/x 0x0002000044e00000 >> 17
(long) $4 = 0x0000000100002270
(lldb) p/x cls
(Class) $5 = 0x0000000100002270 FXPerson
複製代碼

到此isa位運算關聯類信息驗證完畢！

6、經過 isa & ISA_MSAK能夠查看isa指向類信息

arm64 和 x86_64 中掩碼 ISA_MASK 定義

# if __arm64__
#   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL
...
# elif __x86_64__
#   define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL
...
複製代碼

其實一步一步的位運算難免顯得有些繁瑣，蘋果爲你們提供了和alloc流程分析中內存對齊同樣的算法，提供一個掩碼執行 與操做 (&)，便可得出 isa 指向的類信息。

(lldb) po 0x001d800100002275 & 0x00007ffffffffff8ULL
FXPerson
複製代碼
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