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引言

1. 我们已经知道iOS对象的+alloc方法底层进行了instanceSize(内存分配)，initInstanceIsa(绑定类型)等操作，内存分配和计算相关信息可以通过iOS 底层探索01——alloc初探和 iOS 底层探索02——结构体对齐原则进行回顾；
2. 本文将继续对alloc方法的核心方法initInstanceIsa(绑定类型)进行探索；

一、对象的本质

1.1 LLVM与GCC

1. 我们都知道OC是C语言的超集，为了探索OC对象的本质，最好的办法是看到OC对象在底层语言的实现；早期的OC编译器使用的是GCC编译器，但GCC编译器编译器的前端和后端过度耦合，当需要扩展语言支持的CPU架构时不仅要新增编译器的后端功能，前端代码也需要增加，非常麻烦；
2. 为了解决GCC编译器前后端耦合不利于扩展的问题，苹果引入了LLVM编译器，由于LLVM编译器的前端和后端是隔离开来的，当扩展语言支持的架构时只需要修改编译器后端，扩展性更高，性能更好，现阶段Xcode内置的编译器已经替换为LLVM；
3. 这里我们使用LLVM编译器框架中的前端编译器clang把OC代码还原成c++；

1.2 Clang重写OC

有两种还原方式，分别是：

• Clang直接重写

clang -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-14.2.0 -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator14.2.sdk main.m
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• 使用xcrun中的Clang重写

clang -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-14.2.0 -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator14.2.sdk main.m
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上述两种方式都可以将main.m重写为main.cpp，重写完成之后我们进一步查看底层C++文件；

重写前

重写后

1.3 阅读重写后的OC代码

1. 通过关键字搜索发现OC对象GCPerson被转换成了GCPerson结构体；
2. GCPerson结构体内部持有一个NSObject_IMPL结构体类型的成员变量NSObject_IVARS和NSString类型的gcName;
3. 最终可以确定OC对象GCPerson底层主要内容是一个只有一个成员变量isa的NSObject_IMPL结构体,并且所有继承于NSObject的OC对象底层实现都具有的结构体NSObject_IMPL

struct GCPerson_IMPL {//转换后的结构体GCPerson
	struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
	NSString *__strong _gcName;
};

struct NSObject_IMPL {//所有对象底层实现都具有的结构体NSObject_IMPL
	__unsafe_unretained Class isa;
};
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4. 同时我们还发现和id和Class的一些底层实现信息

typedef struct objc_object GCPerson;//把objc_object 起别名为GCPerson

typedef struct objc_class *Class;//objc_class结构体的指针起别名为Class

typedef struct objc_object *id;// objc_object结构体指针起别名位id
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因为*Class和*id的别名中已经包含了指针*所以我们上层在使用id和Class类型的时候可以直接不用加*了；

5. 另外可以发现编译器帮我们把OC对象GCPerson的属性gcName添加了set方法和get方法；方法中增加了GCPerson类型的self和SEL类型的cmd这两个参数；

//set方法
static void _I_GCPerson_setGcName_(GCPerson * self, SEL _cmd, NSString *gcName) { 
(*(NSString *__strong *)((char *)self + OBJC_IVAR_$_GCPerson$_gcName)) = gcName; 
}

//get方法
static NSString * _I_GCPerson_gcName(GCPerson * self, SEL _cmd) { 
return (*(NSString *__strong *)((char *)self + OBJC_IVAR_$_GCPerson$_gcName)); 
}
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6. 通过gcName的get方法可以看出：获取gcName成员的方法是self的地址 + OBJC_IVAR的地址，然后强转成OC的NSString即可；为什么会这样？self地址是当前对象的首地址，将ivar跳过之后的下一个位置就是成员变量gcName的地址;如下图所示；

7. 继续阅读源码我们发现底层中还存在其他信息，如_protocol_t,ivar,methodlist，,category_t,class_t等相关信息;

二、nonPointerIsa

2.1 结构体、联合体、位域

在探索nonPointerIsa方法之前我们先了解下列几个知识点

2.1.1 结构体

结构体(struct)是一种存储结构，特点是所有成员变量是“共存”的，优点是“有容乃⼤”，信息更全⾯；缺点是struct内存空间的分配是粗放的，不管⽤不⽤，全部分配，不够精细；

2.1.2 联合体

联合体(union)也是一种存储结构,特点是各变量是“互斥”的，优点是内存使⽤更为精细灵活，也节省了内存空间；缺点就是不够“包容”，使用覆盖技术导致内部的成员变量互相覆盖，同时只能存储一个成员变量值；如下图所示age会覆盖掉name

设置联合体的成员变量name

设置联合体的成员变量age

2.1.3 位域

• 位域是一种常用于结构体中的存储技术,一般情况下结构体信息的存取以字节为单位，实际上有时存储信息只用一个字节中的几个byte位即可，这种情况下可以使用位域存储技术;如图所示

• 例如：一个BOOL占用一个字节8位，4个BOOL共占用32位，但实际上BOOL用0和1表示只需要一个byte位即可存储，4个BOOL用4个byte位半个字节就够了；
• 位域虽然可以节省存储空间，但由于需要读写时需要对特定byte位进行操作，不是很方便，在当前硬件条件下，日常开发中使用位域并不常见；
• 位域的读写需要借助于掩码来进行，所谓掩码就是一串特定的byte位信息，通过将原数据与掩码进行按位与&或者按位或|运算，即可对位域中的值进行读写；

2.1.4 位域和联合体结合使用

一般情况下位域和联合体一起使用,可以实现节省存储空间的作用；

2.2 initInstanceIsa

2.2.1 isa_t

之前我们分析alloc过程中核心方法instanceSize和calloc，现在继续分析另一个核心方法initInstanceIsa，这里可以看到一个关键信息isa_t

inline void 
objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, UNUSED_WITHOUT_INDEXED_ISA_AND_DTOR_BIT bool hasCxxDtor)
{ 
    ASSERT(!isTaggedPointer()); //判断是否TaggedPointer
    
    isa_t newisa(0);

    if (!nonpointer) {
        newisa.setClass(cls, this);
    } else {
        ASSERT(!DisableNonpointerIsa);
        ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());


#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
        newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;
        // isa.magic is part of ISA_MAGIC_VALUE
        // isa.nonpointer is part of ISA_MAGIC_VALUE
#   if ISA_HAS_CXX_DTOR_BIT
        newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
#   endif
        newisa.setClass(cls, this);
#endif
        newisa.extra_rc = 1;
    }
    isa = newisa;
}
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isa_t的简略结构如下，为了不影响分析我删除了一些无关紧要的信息；

union isa_t {
    isa_t() { }//构造方法
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }//构造方法
    uintptr_t bits;
private:
    Class cls;
public:
#if defined(ISA_BITFIELD)
    struct {
        ISA_BITFIELD;  // 关键信息 defined in isa.h
    };
    ...无关内容
};
复制代码

从isa_t结构中可以看到ISA_BITFIELD这个成员变量，进入ISA_BITFIELD定义界面发现了真相；

2.2.2 ISA_BITFIELD

ISA_BITFIELD是一个使用了位域存储技术的结构体，结构体内部不同的byte位存储的信息如下

//arm64真机真机下各个byte位的存储信息
# if __arm64__                                        
        uintptr_t nonpointer        : 1;                           
        uintptr_t has_assoc         : 1;                           
        uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;                           
        uintptr_t shiftcls          : 33; 
        uintptr_t magic             : 6;                           
        uintptr_t weakly_referenced : 1;                           
        uintptr_t unused            : 1;                           
        uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;                           
        uintptr_t extra_rc          : 19
#   endif

//_x86_64架构下各个byte位的存储信息
# elif __x86_64__
      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 unused            : 1;                             
      uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;                             
      uintptr_t extra_rc          : 8
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ISA_BITFIELD在byte位上的分布如下图，每一种颜色代表存储某个成员变量所需要占用的byte位个数

成员变量占用byte位的位置和成员变量的用途如下表所示

成员变量	arm下位置	x86_64下位置	用途
nonpointer	63	63	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	62	62	关联对象标志位，0没有，1存在
has_cxx_dtor	61	61	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	28-60	17-60	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；在X86_64架构下有44位用来存储类指针
magic	22-27	11-16	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	21	10	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
unused	20	9	标志对象是否正在释放内存
has_sidetable_rc	19	8	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	0-18	0-7	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。

2.3 shiftcls的读取方式1

1. 我们已经知道ISA_BITFIELD为位域存储的，shiftcls作为位域结构体中的成员变量，读取可以使用ISA_BITFIELD&ISA_MASK的方式；
2. 在person对象初始化完毕后，通过x/4gx person查看person对象的ISA_BITFIELD信息;
3. 根据当前的设备架构，选择合适的ISA_MASK与ISA_BITFIELD进行&(按位与)操作获取当前对象的Class对象指向的地址：p/x 0x000001a10405d685 & 0x0000000ffffffff8ULL;
4. 通过p/x person.class操作查看person对象指向的Class对象地址；
5. 发现步骤3和步骤4获取的Class对象地址一致，证明读取方式1是没问题的；

2.4 shiftcls的读取方式2

我们分析系统的initIsa方法时发现绑定Class的实际方法是newisa.setClass(cls, this)，具体实现如下

inline void
isa_t::setClass(Class newCls, UNUSED_WITHOUT_PTRAUTH objc_object *obj)
{
#if __has_feature(ptrauth_calls) || TARGET_OS_SIMULATOR
#   if ISA_SIGNING_SIGN_MODE == ISA_SIGNING_SIGN_NONE
    uintptr_t signedCls = (uintptr_t)newCls;

#   elif ISA_SIGNING_SIGN_MODE == ISA_SIGNING_SIGN_ONLY_SWIFT
    uintptr_t signedCls = (uintptr_t)newCls;
    if (newCls->isSwiftStable())
        signedCls = (uintptr_t)ptrauth_sign_unauthenticated((void *)newCls, ISA_SIGNING_KEY, ptrauth_blend_discriminator(obj, ISA_SIGNING_DISCRIMINATOR));
#   elif ISA_SIGNING_SIGN_MODE == ISA_SIGNING_SIGN_ALL
    uintptr_t signedCls = (uintptr_t)ptrauth_sign_unauthenticated((void *)newCls, ISA_SIGNING_KEY, ptrauth_blend_discriminator(obj, ISA_SIGNING_DISCRIMINATOR));
#   else
#       error Unknown isa signing mode.
#   endif
    shiftcls_and_sig = signedCls >> 3;
#elif SUPPORT_INDEXED_ISA
    cls = newCls;
#else 
    shiftcls = (uintptr_t)newCls >> 3;
#endif
}
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这段方法本质上是对ISA_BITFIELD进行移位操作；下面我们就以arm64架构下的真机来演示上述代码所进行的移位操作；

1. 因为ISA_BITFIELD中的固定位是shiftcls，所以我们需要通过位移操作，把不相关的byte位信息给移到64位以外，这样留下来的就是shiftcls位的信息了；
2. 首先把shiftcls右移3位将shiftcls右边所有byte位清空;
3. 再把shiftcls左移3+28位将shiftcls做边所有byte位清空;
4. 经历过步骤3和步骤4的操作后此时ISA_BITFIELD中已经只剩下shiftcls信息了，但是经过移位后shiftcls的位置发生了改变需要右移28位还原到原来的位置；
5. 发现步骤3和步骤4获取的Class对象地址一致，证明读取方式2是没问题的；

三、init、new分析

1. 对象的init方法主要作用：提供一个工厂设计模式的构造函数，用来给子类便于重写初始化进行扩展；
2. new方法内部也会调用init方法，new 本质上就是alloc 和 new 结合

3. 汇编查看alloc会调用objc_alloc_init,但是new调用的是 objc_opt_new， 经过查看objc源码发现这两个方法的实现是一样的；素以alloc、init的初始化方式和new的初始化方法可以看作是一致的;