iOS 底层原理 - isa原理

isa初始化

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

};

从而可以看出isa是一个联合体，一种数据类型，所占用8个字节。它的特性：内存共用，或者说带有互斥特性，意思就是赋值了cls，就不对其他成员赋值了。其中ISA_BITFIELD是一个宏定义，是一个位域，它定义的结构如下

 

#if SUPPORT_PACKED_ISA

    // extra_rc must be the MSB-most field (so it matches carry/overflow flags)

    // nonpointer must be the LSB (fixme or get rid of it)

    // shiftcls must occupy the same bits that a real class pointer would

    // bits + RC_ONE is equivalent to extra_rc + 1

    // RC_HALF is the high bit of extra_rc (i.e. half of its range)

    // future expansion:

    // uintptr_t fast_rr : 1;     // no r/r overrides

    // uintptr_t lock : 2;        // lock for atomic property, @synch

    // uintptr_t extraBytes : 1;  // allocated with extra bytes

# 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)

# else

#   error unknown architecture for packed isa

# endif

// SUPPORT_PACKED_ISA

#endif

#if SUPPORT_INDEXED_ISA

# if  __ARM_ARCH_7K__ >= 2  ||  (__arm64__ && !__LP64__)

    // armv7k or arm64_32

#   define ISA_INDEX_IS_NPI_BIT  0

#   define ISA_INDEX_IS_NPI_MASK 0x00000001

#   define ISA_INDEX_MASK        0x0001FFFC

#   define ISA_INDEX_SHIFT       2

#   define ISA_INDEX_BITS        15

#   define ISA_INDEX_COUNT       (1 << ISA_INDEX_BITS)

#   define ISA_INDEX_MAGIC_MASK  0x001E0001

#   define ISA_INDEX_MAGIC_VALUE 0x001C0001

#   define ISA_BITFIELD                         \

      uintptr_t nonpointer        : 1;          \

      uintptr_t has_assoc         : 1;          \

      uintptr_t indexcls          : 15;         \

      uintptr_t magic             : 4;          \

      uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;          \

      uintptr_t weakly_referenced : 1;          \

      uintptr_t deallocating      : 1;          \

      uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;          \

      uintptr_t extra_rc          : 7

#   define RC_ONE   (1ULL<<25)

#   define RC_HALF  (1ULL<<6)

# else

#   error unknown architecture for indexed isa

# endif

// SUPPORT_INDEXED_ISA

#endif

isa arm64参数详解：

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。
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: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:当对象引用技术大于 10 时，则需要借用该变量存储进位
extra_rc:当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_rc 为 9。如果引用计数大于 10， 则需要使用到下面的 has_sidetable_rc。

isa的指向分析

1. 对象与类的关联
   LGPerson *object = [LGPerson alloc];

简单介绍一下lldb命令

x/4gx objc打印objc的4段内存信息。扩展：x/6gx就是打印6段内存信息。
p/tp/t 打印二进制信息；p/o打印八进制信息；p/x打印十六进制信息；p/d打印十进制信息，这里打印4段内存信息，对象的第一个属性必然是isa，因为是继承自NSObject,

@interface NSObject <NSObject> {

#pragma clang diagnostic push

#pragma clang diagnostic ignored "-Wobjc-interface-ivars"

    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

#pragma clang diagnostic pop

}

 

回归正题，通过 object_getClass(object);找出关联信息

Class object_getClass(id obj)

{

    if (obj) return obj->getIsa();

    else return Nil;

}

objc_object::getIsa() 

{

    if (!isTaggedPointer()) return ISA();

    uintptr_t ptr = (uintptr_t)this;

    if (isExtTaggedPointer()) {

        uintptr_t slot = 

            (ptr >> _OBJC_TAG_EXT_SLOT_SHIFT) & _OBJC_TAG_EXT_SLOT_MASK;

        return objc_tag_ext_classes[slot];

    } else {

        uintptr_t slot = 

            (ptr >> _OBJC_TAG_SLOT_SHIFT) & _OBJC_TAG_SLOT_MASK;

        return objc_tag_classes[slot];

    }

}

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

}

 

从源码分析可以看出来最后返回的class是 (Class)(isa.bits & ISA_MASK)的结果，然后开始验证，如下，从而验证了isa指向了类：

 

屏幕快照 2020-02-09 下午2.50.55.png

分析类对象内存存在个数

我们知道对象可以创建多个，那个类呢，是否可以创建多个呢，现在验证一下：

 

Class class1 = [LGPerson class];

    Class class2 = [LGPerson alloc].class;

    Class class3 = object_getClass([LGPerson alloc]);

    Class class4 = [LGPerson alloc].class;

    NSLog(@"\n%p-\n%p-\n%p-\n%p",class1,class2,class3,class4);

输出结果为

2020-02-10 00:27:37.559203+0800 001-对象isa[7942:604270] 

0x100002400-

0x100002400-

0x100002400-

0x100002400

证明类只能创建一个，在内存里面只有一份

isa 走位 & 继承关系

通过上面的分析可以看出isa从对象指向类，然后根据isa的走位图来继续分析

 

isa流程图.png

虚线代表了isa的走位。实例对象->类->元类->根元类->根根元类(根元类本身)。
实线代表了继承关系。这里值得注意的就是根元类的父类是NSObject，NSObject父类是nil。
开始验证：
1.isa从对象指向类

XDPerson *person = [XDPerson alloc];

(lldb) x/4gx person

0x10185eac0: 0x001d8001000011a9 0x0000000000000000

0x10185ead0: 0x000000010185eba0 0x000000010185ede0

(lldb) p/x 0x001d8001000011a9 & 0x0000000ffffffff8

(long) $1 = 0x00000001000011a8

(lldb) po $1

XDPerson

 

2.isa从类指向元类

(lldb) x/4gx $1

0x1000011a8: 0x001d800100001181 0x00000001000011f8

0x1000011b8: 0x00000001003a1e50 0x0000000000000000

(lldb) p/x 0x001d800100001181 & 0x0000000ffffffff8

(long) $2 = 0x0000000100001180

(lldb) po $2

XDPerson

 

我们打印类XDPerson的内存信息，通过类的isa&ISA_MASK获取到了另外一个类的信息。即isa从类XDPerson又指向了类XDPerson（其实这个类是我们XDPerson的metaClass元类，它与第一步的XDPerson的内存地址并不同）。
3.isa从元类指向根元类

 

(lldb) x/4gx $2

0x100001180: 0x001d800100aff0f1 0x00000001000011d0

0x100001190: 0x0000000101e142b0 0x0000000100000007

(lldb) p/x 0x001d800100aff0f1 & 0x0000000ffffffff8

(long) $3 = 0x0000000100aff0f0

(lldb) po $3

NSObject

我们打印元类XDPerson的内存信息 通过元类的isa & ISA_MASK 获取到了另外一个元类类NSObject的信息。即isa从元类XDPerson又指向了元类NSObject。这里我们可以来打印NSObjcr.class来观察，元类NSObject的内存地址NSObjcr.class的内存地址并不同。

4.isa从根元类指向根根元类

(lldb) x/4gx $3

0x100aff0f0: 0x001d800100aff0f1 0x0000000100aff140

0x100aff100: 0x0000000101e146e0 0x0000000300000007

(lldb) p/x 0x001d800100aff0f1 & 0x0000000ffffffff8

(long) $4 = 0x0000000100aff0f0

(lldb) po $4

NSObject

 

这里补充一下几个概念
对象 是程序员根据类实例化出来的
类 是代码写出来的，内存中只有一份，是系统创建的
元类 是系统编译的，发现有了这么一个类 - 系统也同时创建了
方法 是编译阶段产生的