OC底层原理(三)、isa、对象和类结构、属性粗略分析

OC底层原理汇总

从探索isa的初始化开始

在OC底层原理(一).alloc实际调用流程分析内容最后的流程图中，_class_createInstanceFromZone，我们分为三步：

  • 1、size = cls->instanceSize(extraBytes);获取对象需要分配的内存大小
  • 2、obj = (id)calloc(1, size);如何申请内存
  • 3、obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor);初始化isa

在上一篇中我们分析了获取需要分配的大小，以及具体如何分配内存，也就是第1步和第2步。本篇我们继续对第三步进行探索，也就是isa的创建以及初始化。

分析initInstanceIsa方法的实现

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

    initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
}

initInstanceIsa内部调用了initIsa，并且传入第一个参数为cls(类的地址),第二个参数为true，第三个为hasCxxDtor，我们看看initIsa实现

inline void 
objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor) 
{ 
    ASSERT(!isTaggedPointer()); 
    
    if (!nonpointer) {
        //如果是纯指针的isa，那么isa仅仅用于存放类地址
        isa = isa_t((uintptr_t)cls);
    } else {
        ASSERT(!DisableNonpointerIsa);
        ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());

        //分配一个isa_t变量newisa,并把所有位清零
        isa_t newisa(0);
        /*
         是否支持索引，默认苹果平台都不支持的
         SUPPORT_INDEXED_ISA为1表示类表的索引
        */
#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
        /*
         0x001d 8000 0000 0001ULL
         给isa一个初始值0x001d800000000001ULL
         在这个初始值中，已经设置了nonpointer和magic的值
         */
        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;
        /*
         将类的地址信息右移三位，放入预设好的类的存储位置
         */
        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;
    }
}

在initIsa中，做了isa位域中四个初始化，分别是给magic、nonpointer、has_cxx_dtor，shiftcls赋了值。
大致流程如下：

initIsa流程

在OC底层原理(一).alloc实际调用流程分析内容中，我们知道initIsa来自于最初的alloc调用。也就是说，一个类调用alloc，除了分配内存以及内存对齐外，它还对内部的成员变量isa作了初始化，每个对象一定有一个叫isa的成员变量，那么，isa到底是什么呢？

isa是什么

使用clang重写分析

我们在main.m中创建一个继承自NSObject的类LWPerson，代码如下：

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface LWPerson : NSObject

@property (nonatomic,copy) NSString *name;

@property (nonatomic,assign) short age;

@property (nonatomic,assign) BOOL isMan;


@end

@implementation LWPerson

+ (void)LWPersonClassMethod{
    NSLog(@"%s",__func__);
}
- (int)LWPersonInstanceMethod{
    NSLog(@"%s",__func__);
    NSArray *array = @[@1,@2,@3];
    return [array[1] intValue];
}

@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
    
    LWPerson *person = [LWPerson alloc];
    person.name = @"Jobs";
    person.age = 5;
    person.isMan = YES;
    
    [person LWPersonInstanceMethod];
    [LWPerson LWPersonClassMethod];
    
    return 0;
}

我们在终端使用如下clang命令将main.m重写为C、C++实现

clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp

执行命令后，在目录中生成一个main.cpp文件，我们打开它，搜索LWPerson,我们删除和main中无关的数据后，得到最后的代码如下：

#ifndef _REWRITER_typedef_LWPerson
#define _REWRITER_typedef_LWPerson
typedef struct objc_object LWPerson;
typedef struct {} _objc_exc_LWPerson;
#endif

extern "C" unsigned long OBJC_IVAR_$_LWPerson$_name;
extern "C" unsigned long OBJC_IVAR_$_LWPerson$_age;
extern "C" unsigned long OBJC_IVAR_$_LWPerson$_isMan;
struct LWPerson_IMPL {
    //这就是isa
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
    BOOL _isMan;
    short _age;
    NSString *_name;
};


// @property (nonatomic,copy) NSString *name;

// @property (nonatomic,assign) short age;

// @property (nonatomic,assign) BOOL isMan;


/* @end */


// @implementation LWPerson

//类方法重写
static void _C_LWPerson_LWPersonClassMethod(Class self, SEL _cmd) {
    NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_h4_g62cv3xn0ys3gpzsj_wjmtmh0000gn_T_main_8bac4e_mi_0,__func__);
}
//实例方法重写
static int _I_LWPerson_LWPersonInstanceMethod(LWPerson * self, SEL _cmd) {
    NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_h4_g62cv3xn0ys3gpzsj_wjmtmh0000gn_T_main_8bac4e_mi_1,__func__);
    NSArray *array = ((NSArray *(*)(Class, SEL, ObjectType  _Nonnull const * _Nonnull, NSUInteger))(void *)objc_msgSend)(objc_getClass("NSArray"), sel_registerName("arrayWithObjects:count:"), (const id *)__NSContainer_literal(3U, ((NSNumber *(*)(Class, SEL, int))(void *)objc_msgSend)(objc_getClass("NSNumber"), sel_registerName("numberWithInt:"), 1), ((NSNumber *(*)(Class, SEL, int))(void *)objc_msgSend)(objc_getClass("NSNumber"), sel_registerName("numberWithInt:"), 2), ((NSNumber *(*)(Class, SEL, int))(void *)objc_msgSend)(objc_getClass("NSNumber"), sel_registerName("numberWithInt:"), 3)).arr, 3U);
    return ((int (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((id (*)(id, SEL, NSUInteger))(void *)objc_msgSend)((id)array, sel_registerName("objectAtIndexedSubscript:"), (NSUInteger)1), sel_registerName("intValue"));
}

//name的getter方法
static NSString * _I_LWPerson_name(LWPerson * self, SEL _cmd) { return (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_LWPerson$_name)); }
extern "C" __declspec(dllimport) void objc_setProperty (id, SEL, long, id, bool, bool);

//name的setter方法
static void _I_LWPerson_setName_(LWPerson * self, SEL _cmd, NSString *name) { objc_setProperty (self, _cmd, __OFFSETOFIVAR__(struct LWPerson, _name), (id)name, 0, 1); }
//age的getter方法
static short _I_LWPerson_age(LWPerson * self, SEL _cmd) { return (*(short *)((char *)self + OBJC_IVAR_$_LWPerson$_age)); }
//age的setter方法
static void _I_LWPerson_setAge_(LWPerson * self, SEL _cmd, short age) { (*(short *)((char *)self + OBJC_IVAR_$_LWPerson$_age)) = age; }
//isMan的setter方法
static BOOL _I_LWPerson_isMan(LWPerson * self, SEL _cmd) { return (*(BOOL *)((char *)self + OBJC_IVAR_$_LWPerson$_isMan)); }
//isMan的setter方法
static void _I_LWPerson_setIsMan_(LWPerson * self, SEL _cmd, BOOL isMan) { (*(BOOL *)((char *)self + OBJC_IVAR_$_LWPerson$_isMan)) = isMan; }
// @end
int main(int argc, const char * argv[]) {
    //alloc方法调用
    LWPerson *person = ((LWPerson *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("LWPerson"), sel_registerName("alloc"));
    //调用setName:
    ((void (*)(id, SEL, NSString *))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("setName:"), (NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_h4_g62cv3xn0ys3gpzsj_wjmtmh0000gn_T_main_8bac4e_mi_2);
    //调用setAge:
    ((void (*)(id, SEL, short))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("setAge:"), (short)5);
    //调用setIsMan:
    ((void (*)(id, SEL, BOOL))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("setIsMan:"), ((bool)1));

    //调用实例方法LWPersonInstanceMethod
    ((int (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("LWPersonInstanceMethod"));
    //调用类方法LWPersonClassMethod
    ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("LWPerson"), sel_registerName("LWPersonClassMethod"));

    return 0;
}

从上面的代码可以看出以下几点:

  • 1.OC类和对象底层都是结构体
  • 2.每个对象都有一个默认的isa变量，它由NSObject继承而来
  • 3.属性的本质，就是实例变量+setter+getter
  • 4.实例变量值的获取，就是对象首地址+地址偏移
  • 5.属性值的设置，对于简单类型值，直接通过地址偏移设置，其他底层都是调用了objc_setProperty函数。
  • 6.方法的调用，都是使用objc_msgSend发送消息

OC类和对象底层都是结构体

我们打开objc781源码，可以在objc-private.h中找到struct objc_object的定义，如下所示：

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;

public:

    // ISA() assumes this is NOT a tagged pointer object
    Class ISA();
    // rawISA() assumes this is NOT a tagged pointer object or a non pointer ISA
    Class rawISA();

    // getIsa() allows this to be a tagged pointer object
    Class getIsa();
    
    uintptr_t isaBits() const;
    ......
}

我们看到struct objc_object中，有一个成员变量isa，另外有三个获取isa的成员方法：

  • Class ISA()方法用于非taggedPointer对象获取isa
  • Class rawISA();方法用于非taggedPointer对象与非nonpointer对象获取isa
  • Class getIsa();方法用于taggedPointer对象获取isa

另外，它还提供了直接获取isa中bits成员的方法uintptr_t isaBits() const，用const在函数末尾修饰，代表一个常成员函数，仅能读取。

此外，我们可以看到我们常用于指向对象类型的id类型，它是struct objc_object *的别名。

/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;

在objc-runtime-new.h文件中，我们可以找到struct objc_class的定义，如下所示：

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

    class_rw_t *data() const {
        return bits.data();
    }
}

从上面可以看出，struct objc_class继承于objc_object，它有四个成员：

  • isa，来自于它的父类，isa_t类型
  • superclass，它是一个指向父类的指针
  • cache，cache_t类型，存储缓存的结构体
  • bits，class_data_bits_t类型的结构体，存储了类中方法、协议、成员列表等的信息。

同样，我们可以找到关于Class的定义，它是struct objc_class *的别名

/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;

对象和类结构如下图


对象与类结构体

isa结构

我们可以找到isa的定义，如下图所示：

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
};

从代码我们可以看出，isa_t是一个联合体，它有两个成员，分别为Class cls和uintptr_t bits。

我们知道，所谓联合体，也叫共用体，它的所有成员变量共用一段内存，它的大小等于最大的成员变量的大小，所以，我们可以得出，isa_t内存所占大小为8字节，64位。

我们再看定义中更重要的一段定义ISA_BITFIELD;，它在isa.h中，如下所示

# if __arm64__
#   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL
#   define ISA_MAGIC_MASK  0x000003f000000001ULL
#   define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL
#   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
#   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
#   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
#   define RC_ONE   (1ULL<<56)
#   define RC_HALF  (1ULL<<7)

我们先不讨论内部的执行结果，我们先谈谈关于联合体中定义struct，而struct中定义一连串的成员，这个是什么呢，在C语言中，我们将它叫做位域。

位域

位域，也叫位段，它是一种特殊的结构体类型，其所有成员的长度均是以二进制位为单位定义的，结构体的成员被称为位段，位段定义的一般形式如下：

struct 结构名
{
  类型 变量名1：长度
  类型 变量名2：长度
  ……
  类型 变量名n：长度
}

位段定义类型必须是int、unsigned或signed中的一种，也就是必须为整形

位段的特性如下:

  • 从低位到高位排列
  • 一个位段必须存在一个存储单元中，不能跨两个存储单元，如果本单元不够容纳某位段，则从下一个单元开始存储该位段
  • 可以用%d、%x、%u、%o等格式字符，以整数形式输出位段
  • 在数值表达式中引用位段时，系统自动将位段转换为整形数。

isa中的位域意义

isa位段定义的意义如下图所示

isa位域

在不同平台下，isa的内部存储区域如下图

isa位域占位

使用lldb对验证isa存储类地址

在之前，我们提到struct objc_obejct的成员函数ISA()是获取nonpointer isa的类地址的方法，我们来看看它的实现

inline Class 
objc_object::ISA() 
{
    ASSERT(!isTaggedPointer()); 
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
    if (isa.nonpointer) {
        uintptr_t slot = isa.indexcls;
        return classForIndex((unsigned)slot);
    }
    return (Class)isa.bits;
#else
    return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);
#endif
}

核心代码为(Class)(isa.bits & ISA_MASK);，这一步将isa的数据与一个ISA_MASK进行按位与，就得到了类的地址信息。

define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL

我们使用一开始例子，打断点如下


断点

然后断点执行到这一步时候，我们使用如下命令得到结果

(lldb) x/4gx person
0x10054aa30: 0x001d8001000032f5 0x0000000000050001
0x10054aa40: 0x0000000100002040 0x0000000000000000
(lldb) po 0x001d8001000032f5 & 0x0000000ffffffff8ULL
LWPerson

这样就验证了isa是存储类信息的。

objc_setProperty源码分析

objc_setProperty源码如下：

void objc_setProperty(id self, SEL _cmd, ptrdiff_t offset, id newValue, BOOL atomic, signed char shouldCopy) 
{
    bool copy = (shouldCopy && shouldCopy != MUTABLE_COPY);
    bool mutableCopy = (shouldCopy == MUTABLE_COPY);
    reallySetProperty(self, _cmd, newValue, offset, atomic, copy, mutableCopy);
}

static inline void reallySetProperty(id self, SEL _cmd, id newValue, ptrdiff_t offset, bool atomic, bool copy, bool mutableCopy)
{
    if (offset == 0) {
        //如果偏移量为0，就是设置isa，也就是设置类地址信息
        object_setClass(self, newValue);
        return;
    }

    id oldValue;
    id *slot = (id*) ((char*)self + offset);

    if (copy) {
        newValue = [newValue copyWithZone:nil];
    } else if (mutableCopy) {
        newValue = [newValue mutableCopyWithZone:nil];
    } else {
        if (*slot == newValue) return;
        //新值retain
        newValue = objc_retain(newValue);
    }

    if (!atomic) {
        oldValue = *slot;
        //进行赋值
        *slot = newValue;
    } else {
        spinlock_t& slotlock = PropertyLocks[slot];
        slotlock.lock();
        oldValue = *slot;
        //进行赋值
        *slot = newValue;        
        slotlock.unlock();
    }
    //旧值release
    objc_release(oldValue);
}

从源码中我们可以看到，retain、release的操作在底层已经帮我们完成了，所有涉及引用计数的属性都要调用到objc_setProperty方法，这是一种适配器模式的思想，它大大的节约了我们的代码量。

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