isa指针结构分析

OC对象中结构体中都有一个isa指针,我们都知道OC对象的isa指向他所属的类,那么这个isa是怎样的一种数据结构,为什么它能够指向所属的类,除此之外他还有哪些特殊之处,他的内部又是什么形态,这就是我们需要研究的问题。

要说明isa的数据结构,就不得不先说说联合的位域:

//联合体
union {
    char bits;
    //位域
    struct {
        char front : 1;
        char back  : 1;
        char left  : 1;
        char right : 1;
    } direction;
} Car;

如上,我们定义了一个联合体来描述Car,Car的方向有前后左右,但同时只能有一个方向是有效地,那么我们怎么来方便快速的描述这样一个特征呢,这时位域的概念也就产生了,位域具有互斥性,符合了Car一个时间只能向一个方向走,为了方便读取,我们想一次性把四个方向的数据都读出来,而不是每次读取一个方向的数据,这时联合体的优势就体现出来了。

来看看这个联合体在内存中是如何存储的:


联合体位域.png

一个简单的示意图,实际存储还要看具体平台的处理,有大小端之分,我们只做示意性的分析,从图中我们可以看到,这个联合体其实就是把他的两个成员char bits;struct direction;共用一片内存区域存储起来,这么做就实现了读取时,只需要读取bits成员,就可以获取到direction成员所有的值,而不用分四次读取每个方向的值,赋值的时候也可以一次性给四个bit位进行赋值,这就是联合体位域给我们带来的便利。

说完了位域,就来说说这个技巧是如何用在OC的isa结构体中使用的,看看runtime源码isa.h中有这样一段宏定义:

# 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)

乍看起来,是不是和我们上面定义的联合体Car中的direction结构体很相似,只是它里面的数字各不相同,说明这些成员所占用的bit长度各不相同,而且根据arm64x86_64分别进行了定义。
下面就来看看isa的真面目:

//isa的结构
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
};

没错,就是一个联合体,里面包含了一个Class cls;的指针和uintptr_t bits;以及一个结构体,其中uintptr_t可以在_uintptr_t.h中找到定义:

#ifndef _UINTPTR_T
#define _UINTPTR_T
typedef unsigned long       uintptr_t;
#endif /* _UINTPTR_T */

由此可以知道uintptr_t就是unsigned long类型,在64位平台占8字节。

最关键的是后面这个结构体,它的内部只有一个宏ISA_BITFIELD;,如果把ISA_BITFIELD;宏定义展开,是不是和我们最开始定义的联合体Car是一样的配方,一样的味道!
下面我们分析一下ISA_BITFIELD里面定义的各个成员的含义:
nonpointer:
表示是否对 isa 指针开启指针优化 0:纯isa指针,1:不止是类对象地址,isa 中包含了类信息、对象的引用计数等。
has_assoc:
关联对象标志位,0没有,1存在。
has_cxx_dtor:
该对象是否有 C++ 或者 Objc 的析构器,如果有析构函数,则需要做析构逻辑, 如果没有,则可以更快的释放对象。
shiftcls:
存储类指针的值。开启指针优化的情况下,在 arm64架构中有 33位用来存储类指针。x86下是44位。
magic:
用于调试器判断当前对象是真的对象还是没有初始化的空间。
weakly_referenced:
标志对象是否被指向或者曾经指向一个 ARC 的弱变量,没有弱引用的对象可以更快释放。
deallocating:
标志对象是否正在释放内存。
has_sidetable_rc:
当对象引用计数大于 10 时,则需要借用该变量存储进位。
extra_rc:
表示该对象的引用计数值,实际上是引用计数值减 1, 例如,如果对象的引用计数为 10,那么 extra_rc9。如果引用计数大于 10, 则需要使用到上面的 has_sidetable_rc
通过isa的结构信息,我们也了解到了isa里主要存储了哪些对象信息。
(先写到这,写不动了,未完待续,后面用真机调试,打印一下我们的这些分析结果)

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