Runtime中的 isa 結構體

時間 2019-11-06

標籤 runtime isa 結構简体版

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有必定經驗的iOS開發者，或多或少的都聽過Runtime。Runtime，也就是運行時，是Objective-C語言的特性之一。平常開發中，可能直接和Runtime打交道的機會很少。然而，"發消息"、"消息轉發"這些名詞開發者應該常常聽到，這些名詞所用到的技術基礎就是Runtime。瞭解Runtime，有助於開發者深刻理解Objective-C這門語言。github

在具體瞭解Runtime以前，先提一個問題，什麼是動態語言？安全

Objective-C是一門動態語言

使用Objective-C作iOS開發的同窗必定都據說過一句話：Objective-C是一門動態語言。動態語言，確定是和靜態語言相對應的。那麼，靜態語言有哪些特性，動態語言又有哪些特性？bash

回顧一下大學時期，學的第一門語言C語言，學習C語言的過程當中歷來沒據說過運行時，也沒據說過什麼靜態語言，動態語言。所以咱們有理由相信，C語言是一門靜態語言。數據結構

事實上也確實如此，C語言是一門靜態語言，Objective-C是一門動態語言。然而，仍是說不出靜態語言和動態語言到底有什麼區別……架構

靜態語言和動態語言

靜態語言，能夠理解成在編譯期間就肯定一切的語言。以C語言來舉例，C語言編譯後會成爲一個可執行文件。假設咱們在C代碼中寫了一個hello函數，而且在主程序中調用了這個hello函數。假若在編譯期間，hello函數的入口地址相對於主程序入口地址的偏移量是0x0000abcdef(不要在乎這個值，只是用來舉例)，那麼在執行該程序時，執行到hello函數時，必定執行的是相對主程序入口地址偏移量爲0x0000abcdef的代碼塊。也就是說，靜態語言，在編譯期間就已經肯定一切，運行期間只是遵照編譯期肯定的指令在執行。app

做爲對比，再看一下動態語言，以常常用到的Objective-C爲例。假設在Objective-C中寫了hello方法，而且在主程序中調用了hello方法，也就是發送hello消息。在編譯期間，只能肯定要向某個對象發送hello消息，可是具體執行哪一個內存塊的代碼是不肯定的，具體執行的代碼須要在運行期間才能肯定。ide

到這裏，靜態語言和動態語言的區別已經很明顯了。靜態語言在編譯期間就已經肯定一切，而動態語言編譯期間只能肯定一部分，還有一部分須要在運行期間才能肯定。也就是說，動態語言成爲一個可執行程序並可以正確的執行，除了須要一個編譯器外，還須要一套運行時系統，用於肯定到底執行哪一塊代碼。Objective-C中的運行時系統內就是Runtime。函數

Runtime源碼

Runtime源碼是一套用C語言實現的API，整套代碼是開源的，能夠從蘋果開源網站上下載Runtime源碼。默認下載的Runtime源碼是不能編譯的，經過修改配置和導入必要的頭文件，能夠編譯成功Runtime源碼。我在github上放了編譯成功的Runtime源碼，且有我在看Runtime源碼時的一些註釋，本篇文章中的代碼也是基於此Runtime源碼。學習

因爲Runtime源碼代碼量比較大，一篇文章介紹完Runtime源碼是不可能的。所以這篇文章主要介紹Runtime中的isa結構體，做爲Runtime的入門。

isa結構體

有經驗的iOS開發者可能都聽過一句話：在Objective-C語言中，類也是對象，且每一個對象都包含一個isa指針，isa指針指向該對象所屬的類。不過如今Runtime中的對象定義已經不是這樣了，如今使用的是isa_t類型的結構體。每個對象都有一個isa_t類型的結構體isa。以前的isa指針做用是指向該對象的類，那麼isa結構體做爲isa指針的替代者，是如何完成這個功能的呢？

在解決這個問題以前，咱們先來看一下Runtime源碼中對象和類的定義。

objc_object

看一下Runtime中對id類型的定義

typedef struct objc_object *id;
複製代碼

這裏的id也就是Objective-C中的id類型，表明任意對象，相似於C語言中的 void *。能夠看到，*id其實是一個指向結構體objc_object的指針。

再來看一下objc_object的定義，該定義位於objc-private.h文件中：

struct objc_object {
    // isa結構體
private:
    isa_t isa;
}
複製代碼

結構體中還包含一些public的方法。能夠看到，對象結構體（objc_object）中的第一個變量就是isa_t 類型的isa。關於isa_t具體是什麼，後續再介紹。

Objective-C語言中最主要的就是對象和類，看完了對象在Runtime中的定義，再看一下類在Runtime中的定義。

objc_class

Runtime中對於Class的定義

typedef struct objc_class *Class;
複製代碼

Class其實是一個指向objc_class結構體的指針。

看一下結構體objc_class的定義，objc_class的定義位於objc-runtime-new.h文件中

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
}
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結構體中還包含一些方法。

注意，objc_class是繼承於objc_object的，所以objc_class中也包含isa_t類型的isa。objc_class的定義能夠理解成下面這樣：

struct objc_class {
    isa_t isa;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
}
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isa的做用

上面也提到了，isa可以使該對象找到本身所屬的類。爲何對象須要知道本身所屬的類呢？這主要是由於對象的方法是存儲在該對象所屬的類中的。

這一點是很容易理解的，一個類能夠有多個對象，假若每一個對象都含有本身可以執行的方法，那對於內存來講是災難級的。

在向對象發送消息，也就是實例方法被調用時，對象經過本身的isa找到所屬的類，而後在類的結構中找到對應方法的實現（關於在類結構中如何找到方法的實現，後續的文章再介紹）。

咱們知道，Objective-C中區分類方法和實例方法。實例方法是如何找到的咱們瞭解了，那麼類方法是如何找到的呢？類結構體中也有isa，類對象的isa指向哪裏呢？

元類（metaClass）

爲了解決類方法調用，Objective-C引入了元類（metaClass），類對象的isa指向該類的元類，一個類對象對應一個元類對象。

元類對象也是類對象，既然是類對象，那麼元類對象中也有isa，那麼元類的isa又指向哪裏呢？總不能指向元元類吧……這樣是無窮無盡的。

Objective-C語言的設計者已經考慮到了這個問題，全部元類的isa都指向一個元類對象，該元類對象就是 meta Root Class,能夠理解成根元類。關於實例對象、類、元類之間的關係，蘋果官方給了一張圖，很是清晰的代表了三者的關係，以下

isa結構體定義

瞭解了isa的做用，如今來看一下isa的定義。isa是isa_t類型，isa_t也是一個結構體，其定義在objc-private.h中：

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

    Class cls;
    // 至關因而unsigned long bits;
    uintptr_t bits;
#if defined(ISA_BITFIELD)
    struct {
        ISA_BITFIELD;  // defined in isa.h
    };
#endif
};
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ISA_BITFIELD的定義在 isa.h文件中：

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

注意：這裏的代碼都是x86_64架構下的，arm64架構下和x86_64架構下有區別，可是不影響咱們理解isa_t結構體。

將isa_t結構體中的ISA_BITFIELD使用isa.h文件中的ISA_BITFIELD替換，isa_t的定義能夠表示以下：

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

    Class cls;
    // 至關因而unsigned long bits;
    uintptr_t bits;
#if defined(ISA_BITFIELD)
    struct {
        uintptr_t nonpointer        : 1; 
        uintptr_t has_assoc         : 1;
        uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;
        uintptr_t shiftcls          : 44;
        uintptr_t magic             : 6;
        uintptr_t weakly_referenced : 1;
        uintptr_t deallocating      : 1;
        uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;
        uintptr_t extra_rc          : 8;
    };
#endif
};
複製代碼

注意isa_t是聯合體，也就是說isa_t中的變量，cls、bits和內部的結構體全都位於同一塊地址空間。

本篇文章主要分析下isa_t中內部結構體中各個變量的做用

struct {
    uintptr_t nonpointer        : 1; 
    uintptr_t has_assoc         : 1;
    uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;
    uintptr_t shiftcls          : 44;
    uintptr_t magic             : 6;
    uintptr_t weakly_referenced : 1;
    uintptr_t deallocating      : 1;
    uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;
    uintptr_t extra_rc          : 8;
};
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該結構體共佔64位，其內存分佈以下：

在瞭解內個結構體各個變量的做用前，先經過Runtime代碼看一下isa結構體是如何初始化的。

isa結構體初始化

isa結構體初始化定義在objc_object結構體中，看一下官方提供的函數和註釋：

// initIsa() should be used to init the isa of new objects only.
// If this object already has an isa, use changeIsa() for correctness.
// initInstanceIsa(): objects with no custom RR/AWZ
// initClassIsa(): class objects
// initProtocolIsa(): protocol objects
// initIsa(): other objects
void initIsa(Class cls /*nonpointer=false*/);
void initClassIsa(Class cls /*nonpointer=maybe*/);
void initProtocolIsa(Class cls /*nonpointer=maybe*/);
void initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor);
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官方提供的有類對象初始化isa,協議對象初始化isa，實例對象初始化isa，其餘對象初始化isa，分別對應不一樣的函數。

看下每一個函數的實現：

inline void objc_object::initIsa(Class cls)
{
    initIsa(cls, false, false);
}

inline void objc_object::initClassIsa(Class cls)
{
    if (DisableNonpointerIsa  ||  cls->instancesRequireRawIsa()) {
        initIsa(cls, false/*not nonpointer*/, false);
    } else {
        initIsa(cls, true/*nonpointer*/, false);
    }
}

inline void objc_object::initProtocolIsa(Class cls)
{
    return initClassIsa(cls);
}

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

    initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
}
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能夠看到，不管是類對象，實例對象，協議對象，仍是其餘對象，初始化isa結構體最終都調用了

inline void objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor)
複製代碼

函數，只是所傳的參數不一樣而已。

最終調用的initIsa函數的代碼，通過簡化後以下：

inline void objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor) 
{ 
    if (!nonpointer) {
        isa.cls = cls;
    } else {
        // 實例對象的isa初始化直接走else分之
        // 初始化一個心得isa_t結構體
        isa_t newisa(0);
        // 對新結構體newisa賦值
        // ISA_MAGIC_VALUE的值是0x001d800000000001ULL，轉化成二進制是64位
        // 根據註釋，使用ISA_MAGIC_VALUE賦值，實際上只是賦值了isa.magic和isa.nonpointer
        newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;
        newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
        // 將當前對象的類指針賦值到shiftcls
        // 類的指針是按照字節（8bits）對齊的，其指針後三位都是沒有意義的0，所以能夠右移3位
        newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;
        // 賦值。看註釋這個地方不是線程安全的？？
        isa = newisa;
    }
}
複製代碼

初始化實例對象的isa時，傳入的nonpointer參數是true，因此直接走了else分之。在else分之中，對isa的bits分之賦值ISA_MAGIC_VALUE。根據註釋，這樣代碼實際上只是對isa中的magic和nonpointer進行了賦值，來看一下爲何。

ISA_MAGIC_VALUE的值是0x001d800000000001ULL，轉化成二進制就是0000 0000 0001 1101 1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001,將每一位對應到isa內部的結構體中，看一下對哪些變量產生了影響：

能夠看到將nonpointer賦值爲1；將magci賦值爲110111；其餘的仍然都是0。因此說只賦值了isa.magci和isa.nonpointer。

nonpointer

在文章開頭也提到了，在Objective-C語言中，類也是對象，且每一個對象都包含一個isa指針，如今改成了isa結構體。nonpointer做用就是區分這二者。

若是nonpointer爲1，表明不是isa指針，而是isa結構體。雖然不是isa指針，可是經過isa結構體仍然能得到類指針（下面會分析）。
若是nonpointer爲0，表明當前是isa指針，訪問對象的isa會直接返回類指針。

magic

magic的值調試器會用到，調試器根據magci的值判斷當前對象已經初始過了，仍是還沒有初始化的空間。

has_cxx_dtor

接下來就是對has_cxx_dtor進行賦值。has_cxx_dtor表示當前對象是否有C++的析構函數（destructor）,若是沒有，釋放時會快速的釋放內存。

shiftcls

在函數

inline void objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor) 
複製代碼

中，參數cls就是類的指針。而

newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;
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shiftcls存儲的究竟是什麼呢？

實際上，shiftcls存儲的就是當前對象類的指針。之因此右移三位是出於節省空間上的考慮。

在Objective-C中，類的指針是按照字節(8 bits)對齊的，也就是說類指針地址轉化成十進制後，都是8的倍數，也就是說，類指針地址轉化成二進制後，後三位都是0。既然是沒有意義的0，那麼在存儲時就能夠省略，用節省下來的空間存儲一些其餘信息。

在objc-runtime-new.mm文件的

static __attribute__((always_inline)) id _class_createInstanceFromZone(Class cls, size_t extraBytes, void *zone, 
                              bool cxxConstruct = true, 
                              size_t *outAllocatedSize = nil)
複製代碼

函數，類初始化時會調用該函數。能夠在該函數中打印類對象的地址

if (!cls) return nil;
// 這裏能夠打印類指針的地址,類指針地址最後一位是十六進制的8或者0，說明
// 類指針地址後三位都是0
printf("cls address = %p\n",cls);
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打印出的部分信息以下：

cls address = 0x7fff83bca218
cls address = 0x7fff83bcab28
cls address = 0x7fff83bc5290
cls address = 0x7fff83717f58
cls address = 0x7fff83717f58
cls address = 0x100b15140
cls address = 0x7fff83717fa8
cls address = 0x7fff837164c8
cls address = 0x7fff837164c8
cls address = 0x7fff83716e78
cls address = 0x100b15140
cls address = 0x7fff837175a8
cls address = 0x7fff837175a8
cls address = 0x7fff83717fa8
複製代碼

能夠看到類對象的地址最後一位都是8或者0，說明類對象確實是按照字節對齊，後三位都是0。所以在賦值shiftcls時，右移三位是安全的，不會丟失類指針信息。

咱們能夠寫代碼驗證一下對象的isa和類對象指針的關係。代碼以下：

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

// 把一個十進制的數轉爲二進制
NSString * binaryWithInteger(NSUInteger decInt){
    NSString *string = @"";
    NSUInteger x = decInt;
    while(x > 0){
        string = [[NSString stringWithFormat:@"%lu",x&1] stringByAppendingString:string];
        x = x >> 1;
    }
    return string;
}

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // 把對象轉爲objc_object結構體
        struct objc_object *object = (__bridge struct objc_object *)([NSObject new]);
        NSLog(@"binary = %@",binaryWithInteger(object->isa));
        // uintptr_t實際上就是unsigned long
        NSLog(@"binary = %@",binaryWithInteger((uintptr_t)[NSObject class]));
    }
    return 0;
}
複製代碼

打印出isa的內容是：1011101100000000000000100000000101100010101000101000001，NSObject類對象的指針是：100000000101100010101000101000000。首先將isa的內容補充至64位

0000 0101 1101 1000 0000 0000 0001 0000 0000 1011 0001 0101 0001 0100 0001
複製代碼

取第4位到第47位之間的內容，也就是shiftcls的值：

000 0000 0000 0001 0000 0000 1011 0001 0101 0001 0100 0
複製代碼

將類對象的指針右移三位，即去除後三位的0，獲得

100000000101100010101000101000
複製代碼

和上面的shiftcls對比：

10 0000 0001 0110 0010 1010 0010 1000
0000 0000 0000 0010 0000 0001 0110 0010 1010 0010 1000
複製代碼

能夠確認：shiftcls中的確包含了類對象的指針。

其餘位

上面已經介紹了nonpointer、magic、shiftcls、has_cxx_dtor，還有一些其餘位沒有介紹，這裏簡單瞭解一下。

has_assoc: 表示對象是否含有關聯引用(associatedObject)
weakly_referenced: 表示對象是否含有弱引用對象
deallocating: 表示對象是否正在釋放
has_sidetable_rc: 表示對象的引用計數是否太大，若是太大，則須要用其餘的數據結構來存
extra_rc：對象的引用計數大於1，則會將引用計數的個數存到extra_rc裏面。好比對象的引用計數爲5，則extra_rc的值爲4。

extra_rc和has_sidetable_c能夠一塊兒理解。extra_rc用於存放引用計數的個數，extra_rc佔8位，也就是最大表示255，當對象的引用計數個數超過257時，has_sidetable_rc的值應該爲1。

總結

至此，isa結構體的介紹就完了。須要提醒的是，上面的代碼是運行在macOS上，也就是x86_64架構上的，isa結構體也是基於x86_64架構的。在arm64架構上，isa結構體中變量所佔用的位數和x86_64架構是不同的，可是表示的含義是同樣的。理解了x86_64架構下的isa結構體，相信對於理解arm架構下的isa結構體，應該不是什麼難事。