Runtime源碼淺析(內部分享)

時間  2019-11-08
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前段時間，公司內部開發小組進行了一場Runtime分享交流會，我也從新拾遺了一些與Runtime相關的知識，現分享出來，一塊兒學習。git

1.準備：

以前文章：
Runtime在工做中的運用github

Runtime經典面試題(附答案)面試

源碼：算法

Runtime開源代碼
編譯好的objc-750編程

關鍵詞：數組

OC對象、Class、isa指針緩存

2.NSObject對象的Class

2.1 Class類型bash

@interface NSObject <NSObject> {
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wobjc-interface-ivars"
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#pragma clang diagnostic pop
}
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在Runtime源碼中，咱們能發現NSObject對象只有一個Class類型的成員變量：isa架構

typedef struct objc_class *Class;
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Class對象實際上是一個指向objc_class結構體的指針。app

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;
// 這裏省略成員變量以及方法...
}
複製代碼

Class類型本質是個結構體，該結構體中存儲了該NSObject中的全部信息。

那麼一個NSObject對象佔用多少內存？

NSObjcet其實是隻有一個名爲isa的指針的結構體，所以佔用一個指針變量所佔用的內存空間大小，若是64bit(64位架構中)佔用8個字節，若是32bit佔用4個字節。

2.2 Class方法

- (Class)class {
    return object_getClass(self);
}
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在Runtime源碼中，咱們調用Class方法，實際上是在調用object_getClass(self)，最終經過下面代碼獲取結果值。

inline Class 
objc_object::ISA() 
{
   // 忽略其它方法
    return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);
}
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2.3 isa.bits & ISA_MASK

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

    Class cls;
    uintptr_t bits;
};
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上述源碼能夠知道，isa_t是個聯合體。

typedef unsigned long		uintptr_t;
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bits是long類型的數值。

在isa.h中，能夠找到ISA_MASK源碼

# if __arm64__
# define ISA_MASK 0x0000000ffffffff8ULL
# elif __x86_64__
# define ISA_MASK 0x00007ffffffffff8ULL
# else
# error unknown architecture for packed isa
# endif
複製代碼

可知，其實ISA_MASK仍是個數值類型

咱們能夠看到class方法最終獲取的便是：

結構體objc_object的isa.bits & ISA_MASK的數值計算結果。

3.NSObject對象的isa_t

3.1 isa_t

// 精簡過的isa_t共用體
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;
        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)
    };
#endif
};
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上述源碼中isa_t是union(共用體)類型。能夠看到共用體中有一個結構體，結構體內部分別定義了一些變量，變量後面的值表明的是該變量佔用多少個二進制位，也就是位域技術。

源碼中經過共用體的形式存儲了64位的值，這些值在結構體中被展現出來，經過對bits進行位運算而取出相應位置的值。

3.2 共用體

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。

優勢：能夠很大程度上節省內存空間。

union U1  
{  
    int n;  
    char s[11];  
    double d;  
};
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對於U1共用體，s佔11字節，n佔4字節，d佔8字節，所以其至少需11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。這是由於內存對齊原則，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。因此聯合體的內存除了取最大成員內存外，還要保證是全部成員類型size的最小公倍數

對比類的內存對齊：

原則 1. 前面的地址必須是後面的地址正數倍,不是就補齊。 原則 2. 整個Struct的地址必須是最大字節的整數倍。

@interface MXRPerson : NSObject{
    int _age;
}
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person對象的第一個地址要存放isa指針須要8個字節，第二個地址要存放_age成員變量須要4個字節，所以person對象就佔用16個字節空間。

代碼驗證：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // 驗證內存地址
        NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];
        NSLog(@"%zd",class_getInstanceSize([NSObject class]));
        NSLog(@"%zd",class_getInstanceSize([MXRPerson class]));
    }
    return 0;
}
// 8  16
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3.3 isa中存儲的信息及做用

struct {
    // 0表明普通的指針，存儲着Class，Meta-Class對象的內存地址。
    // 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，若是沒有，釋放時會更快
    uintptr_t has_assoc         : 1;

    // 是否有C++析構函數，若是沒有，釋放時會更快
    uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;

    // 存儲着Class、Meta-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;
};
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此時咱們從新來看ISA_MASK的值 0000000ffffffff8 轉爲二進制：

111111111111111111111111111111111000

能夠看出ISA_MASK的值轉化爲二進制中有33位都爲1，因此按位與的做用是能夠取出這33位中的值。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。那麼ISA_MASK同shiftcls進行按位與運算便可以取出Class或Meta-Class的值(內存地址的值)。

同時能夠看出ISA_MASK最後三位的值爲0，那麼任何數同ISA_MASK按位與運算以後，獲得的最後三位一定都爲0，所以任何類對象或元類對象的內存地址最後三位一定爲0，轉化爲十六進制末位一定爲8或者0。

對象的isa指針須要同ISA_MASK通過一次&（按位與）運算才能得出真正的Class對象地址。

代碼驗證

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    MXRPerson *person = [[MXRPerson alloc]init];
    NSLog(@"%p",[person class]);
    NSLog(@"%@",person);
}
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2019-04-24 18:21:30.424630+0800 IsaTestDemo[58799:8221193] 0x1005c8db0
(lldb) p/x person->isa
(Class) $0 = 0x000001a1005c8db1 MXRPerson
複製代碼

shiftcls中存儲類對象地址。把轉爲2進制的實例對象isa地址與轉爲2進制的類對象地址做對比，能夠看出存儲類對象地址的33位二進制內容徹底相同。

4.Class對象在內存中存儲的信息

4.1 instance對象在內存中存儲的信息包括

  1. isa指針
  2. 其餘成員變量

4.2 class對象在內存中存儲的信息主要包括

  1. isa指針
  2. superclass指針
  3. 類的屬性信息（@property），類的成員變量信息（ivar）
  4. 類的對象方法信息（instance method），類的協議信息（protocol）

4.3 class_rw_t & class_ro_t

咱們發現class_rw_t中存儲着方法列表，屬性列表，協議列表等內容。

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // 方法進行緩存
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags

    class_rw_t *data() { 
        return bits.data();
    }
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class_rw_t中的methods是二維數組的結構，而且可讀可寫，所以能夠動態的添加方法，而且更加便於分類方法的添加。

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;
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而class_rw_t是經過bits調用data方法得來的，咱們來到data方法內部實現。咱們能夠看到，data函數內部僅僅對bits進行&FAST_DATA_MASK操做

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

成員變量信息則是存儲在class_ro_t內部中的，咱們來到class_ro_t內查看。

struct class_ro_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t instanceStart;
    uint32_t instanceSize;  //實例對象大小
#ifdef __LP64__
    uint32_t reserved;
#endif

    const uint8_t * ivarLayout;
    
    const char * name;  // 類名
    method_list_t * baseMethodList;
    protocol_list_t * baseProtocols;
    const ivar_list_t * ivars;  // 成員變量

    const uint8_t * weakIvarLayout;
    property_list_t *baseProperties;

    method_list_t *baseMethods() const {
        return baseMethodList;
    }
};
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4.4 每一個類在內存中有且只有一個meta-class對象,在內存中存儲的信息主要包括

  1. isa指針
  2. superclass指針
  3. 類的類方法的信息（class method）

5.驗證對象的isa指針指向

1.當對象調用實例方法的時候，咱們上面講到，實例方法信息是存儲在class類對象中的，那麼要想找到實例方法，就必須找到class類對象，那麼此時isa的做用就來了

instance的isa指向class，當調用對象方法時，經過instance的isa找到class，最後找到對象方法的實現進行調用。

2.當類對象調用類方法的時候，同上，類方法是存儲在meta-class元類對象中的。那麼要找到類方法，就須要找到meta-class元類對象，而class類對象的isa指針就指向元類對象

class的isa指向meta-class當調用類方法時，經過class的isa找到meta-class，最後找到類方法的實現進行調用

3.當對象調用其父類對象方法的時候，又是怎麼找到父類對象方法的呢？，此時就須要使用到class類對象superclass指針。

當Student的instance對象要調用Person的對象方法時，會先經過isa找到Student的class，而後經過superclass找到Person的class，最後找到對象方法的實現進行調用，一樣若是Person發現本身沒有響應的對象方法，又會經過Person的superclass指針找到NSObject的class對象，去尋找響應的方法

4.當類對象調用父類的類方法時，就須要先經過isa指針找到meta-class，而後經過superclass去尋找響應的方法

當Student的class要調用Person的類方法時，會先經過isa找到Student的meta-class，而後經過superclass找到Person的meta-class，最後找到類方法的實現進行調用

經典isa指向圖

代碼驗證：

struct mxr_objc_class{
    Class isa;
};
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // 如何證實isa指針的指向真的如上面所說？
        NSObject *object = [[NSObject alloc] init];
        Class objectClass = [NSObject class];
        // 咱們本身建立一個一樣的結構體並經過強制轉化拿到isa指針。
        struct mxr_objc_class *objectClass2 = (__bridge struct mxr_objc_class *)(objectClass);
        Class objectMetaClass = object_getClass([NSObject class]);
        NSLog(@"%p %p %p", object, objectClass, objectMetaClass);
    }
    return 0;
}
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驗證結果1

(lldb) p/x object->isa
 (Class) $0 = 0x001d800100b16141 NSObject
 (lldb) p/x objectClass
 (Class) $1 = 0x0000000100b16140 NSObject
 
 (lldb) p/x 0x00007ffffffffff8 & 0x001d800100b16141
 (long) $2 = 0x0000000100b16140
複製代碼

object-isa指針地址0x001dffff96537141通過同0x00007ffffffffff8位運算，得出objectClass的地址0x00007fff96537140

驗證結果2

咱們來驗證class對象的isa指針是否一樣須要位運算計算出meta-class對象的地址。 以一樣的方式打印objectClass->isa指針時，發現沒法打印。

(lldb) p/x objectClass->isa
error: member reference base type 'Class' is not a structure or union
複製代碼

爲了拿到isa指針的地址，咱們本身建立一個一樣的結構體並經過強制轉化拿到isa指針。

(lldb) p/x objectClass2->isa
 (Class) $0 = 0x001d800100b160f1
 (lldb) p/x objectMetaClass
 (Class) $1 = 0x0000000100b160f0
 (lldb) p/x 0x00007ffffffffff8 & 0x001d800100b160f1
 (long) $2 = 0x0000000100b160f0
複製代碼

objectClass2的isa指針通過位運算以後的地址是meta-class的地址。

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最新Runtime源碼objc4-750編譯
探尋OC對象的本質
淺析NSObject對象的Class
神經病院Objective-C Runtime入院第一天——isa和Class

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