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对象的本质及拓展

什么是Clang

Clang是一个C语言、C++、Objective-C语言的轻量级编译器。源代码发布于BSD协议下。Clang将支持其普通lambda表达式、返回类型的简化处理以及更好的处理constexpr关键字。Clang是一个有Apple主导编写，基于LLVM的C/C++/Objective-C/Objective-C++编译器。它与GNU C语言规范几乎完全兼容，并在此基础上增加了额外的语法特性，比如C函数重载(通过__attribute__((overloadable))来修饰函数),其目标之一就是超越GCC。

Clang命令

接下来，我们来使用几个Clang命令

0、准备工作

新建一个类Person如下：

@interface Person : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *nickName;
@end

@implementation Person

@end
复制代码

1、clang命令

在Person.m文件所在目录下执行命令

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

执行完毕之后，将会在目录下生成一个Person.cpp文件

2、复杂的clang命令

我们再次使用上述命令，生成ViewController.m文件的cpp文件，结果如下：

错误显示，在ViewController.m文件中引入了UIKit库，那么单纯的Clang命令已经无法满足要求，此时我们需要如下命令

clang -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-14.5 -isysroot/Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator14.5.sdk/ ViewController.m

来生成ViewController.m文件的cpp文件

3、xcrun命令

Xcode安装的时候顺带安装了xcrun命令，xcrun命令在clang的基础上进行了封装，更为好用

模拟器的xcrun命令

xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp

真机的xcrun命令

xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64-iphoneos.cpp

用这两种xcrun命令都可生成.m文件对应的cpp文件

cpp文件

我们来研究一下Person.m生成的cpp文件

对象在底层的本质

我们在cpp文件中查找nickName属性的位置，我们会定位到代码

#ifndef _REWRITER_typedef_Person
#define _REWRITER_typedef_Person
typedef struct objc_object Person;
typedef struct {} _objc_exc_Person;
#endif

extern "C" unsigned long OBJC_IVAR_$_Person$_nickName;
struct Person_IMPL {
	struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
	NSString * _Nonnull _nickName;
};
复制代码

我们可以发现类Person的本质是一个结构体struct，此处是一个struct的伪继承，在C++中，结构体是可以继承的。

在OC层面，Person是继承自NSObject，而在下层, 他是一个objc_object类型的struct

我们继续搜索一下NSObject_IMPL，发现此处代码：

struct NSObject_IMPL {
	Class isa;
};
复制代码

我们发现，NSObject_IMPL就是Person父类NSObject中的isa：

@interface NSObject <NSObject> {
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wobjc-interface-ivars"
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#pragma clang diagnostic pop
}
复制代码

我们继续查看Class在底层的实现：

typedef struct objc_class *Class;
复制代码

Class在底层是一个objc_class类型的结构体指针

typedef struct objc_object *id;
typedef struct objc_selector *SEL;
复制代码

我们常用的id,SEL等都是结构体指针

那么，nickName的getter和setter方法，在底层是什么情况呢:

// @implementation Person


static NSString * _Nonnull _I_Person_nickName(Person * self, SEL _cmd) { return (*(NSString * _Nonnull *)((char *)self + OBJC_IVAR_$_Person$_nickName)); }
extern "C" __declspec(dllimport) void objc_setProperty (id, SEL, long, id, bool, bool);

static void _I_Person_setNickName_(Person * self, SEL _cmd, NSString * _Nonnull nickName) { objc_setProperty (self, _cmd, __OFFSETOFIVAR__(struct Person, _nickName), (id)nickName, 0, 1); }
// @end
复制代码

我们发现getter和setter方法都多了两个参数self和_cmd，这是方法的隐藏参数

联合体位域

结构体

我们看一个简单的结构体:

struct Car {
    BOOL front;
    BOOL back;
    BOOL left;
    BOOL right;
};

struct Car car1;
NSLog(@"1--->%lu", sizeof(car1));
复制代码

通过运行打印，我们发现这个结构体占用了4个字节的大小(每个BOOL占用一个字节)

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000

在这样一个4字节，32位的空间内，我们仅仅只需要存放front,back,left,right四个方向值，极大的造成了空间的浪费，那么我们有没有办法优化空间呢，对我们来说4位大小的空间就已经能够满足我们四个方向的判断了，但是由于内存至少都是1字节的分配，那么我们有没有办法，让这个struct内存占用优化为1个字节呢？

接下来我们引入位域的概念

位域

我们将上述结构体进行改造如下:

struct Car {
    BOOL front: 1; // 规定front只占用1位 
    BOOL back: 1; // 规定back只占用1位
    BOOL left: 1; // 规定left只占用1位
    BOOL right: 1; // 规定right只占用1位
};
复制代码

接下来，我们再来打印一下：

我们已经成功将原有的结构体4字节的占用内存，优化为了1个字节

0000 0000

这就是位域

但是，车子的四个方向不可能同时是都为真，他们中永远都只可能有一个方向是真，那么有没有方法，让他们中只有一个方向有值，其他方向都没有值呢？

接下来我们引入联合体的概念

联合体

我们来看一个联合体

union Person {
    char *name;
    int age;
    double height;
};
复制代码

解析来，我们创建一个联合体，然后依次给成员赋值：

给name赋值：

age和height此时的内存是不被使用的，是脏内存，值也是脏数据

通过以上赋值流程，我们可以发现每一次给成员赋值，都会影响其他成员的值，这是因为，联合体的成员地址相同，占用了同一块内存，同一时间只有一个成员可被使用。

案例

我们来看一个案例：

Car.h文件

@interface Car : NSObject
@property (nonatomic, assign) BOOL front;
@property (nonatomic, assign) BOOL back;
@property (nonatomic, assign) BOOL left;
@property (nonatomic, assign) BOOL right;
@end
复制代码

Car.m文件

#define LGDirectionFrontMask    (1 << 0)
#define LGDirectionBackMask     (1 << 1)
#define LGDirectionLeftMask     (1 << 2)
#define LGDirectionRightMask    (1 << 3)

@interface Car (){
    // 联合体
    union {
        char bits;
        // 位域
        struct {
            char front  : 1;
            char back   : 1;
            char left   : 1;
            char right  : 1;
        };
    } _direction;
}
@end

@implementation Car
- (instancetype)init {
    self = [super init];
    if (self) {
        _direction.bits = 0b0000000000; // 二进制默认初始化
    }
    return self;
}

- (void)setFront:(BOOL)isFront {
    if (isFront) {
        _direction.bits |= LGDirectionFrontMask;
    } else {
        _direction.bits |= ~LGDirectionFrontMask;
    }
    NSLog(@"%s",__func__);
}

- (BOOL)isFront{
    return _direction.front;
}

- (void)setBack:(BOOL)isBack {
    _direction.back = isBack;

    NSLog(@"%s",__func__);
}

- (BOOL)isBack{
    return _direction.back;
}
复制代码

可以针对运行结果更好的理解联合体：

结构体和联合体总结

• 结构体struct中所有变量是共存的，可以理解为：有容乃大；缺点:是struct内存空间的分配是粗放的，不管用不用，全分配。
• 联合体union中各变量是互斥的，不够包容；优点是union内存使用更为精细灵活，也节省了内存空间。

nonPointerIsa的分析

什么是nonPointerIsa?

我们经常使用的类，它的对象指针占用8字节，8字节等于64位，如果在这64位大小的空间之存放指针的话，那其实是很大的浪费，为了更好的使用内存空间，苹果把isa根据需要进行了区分，苹果提出了TaggedPointer和NonpointerIsa。对于小对象采用TaggedPointet方式来存放其值。对于占用内存比较大的对象采用NonpointerIsa来把isa按位使用，一部分用来存放实际的对象地址，一部分存放附加的其他信息。

nonPointerIsa的定义

还记得我们在研究objc的源码是，内存中的cls和我们的Person类是如何绑定的么？

通过_class_createInstanceFromZone方法中的obj->initIsa(cls)把内存中生成的cls和Person进行了绑定

我们来看一下initIsa的具体实现

重要的是isa_t，我们来看一下它的定义

isa_t是一个联合体，在联合体中有一个ISA_BITFIELD,这就是我们要找的nonPointerIsa

我们看一下它的定义

# if __arm64__
// ARM64 simulators have a larger address space, so use the ARM64e
// scheme even when simulators build for ARM64-not-e.
#   if __has_feature(ptrauth_calls) || TARGET_OS_SIMULATOR
#     define ISA_MASK        0x007ffffffffffff8ULL
#     define ISA_MAGIC_MASK  0x0000000000000001ULL
#     define ISA_MAGIC_VALUE 0x0000000000000001ULL
#     define ISA_HAS_CXX_DTOR_BIT 0
#     define ISA_BITFIELD                                                      \
        uintptr_t nonpointer        : 1;                                       \
        uintptr_t has_assoc         : 1;                                       \
        uintptr_t weakly_referenced : 1;                                       \
        uintptr_t shiftcls_and_sig  : 52;                                      \
        uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;                                       \
        uintptr_t extra_rc          : 8
#     define RC_ONE   (1ULL<<56)
#     define RC_HALF  (1ULL<<7)
#   else
#     define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL
#     define ISA_MAGIC_MASK  0x000003f000000001ULL
#     define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL
#     define ISA_HAS_CXX_DTOR_BIT 1
#     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 unused            : 1;                                       \
        uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;                                       \
        uintptr_t extra_rc          : 19
#     define RC_ONE   (1ULL<<45)
#     define RC_HALF  (1ULL<<18)
#   endif

# elif __x86_64__
#   define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL
#   define ISA_MAGIC_MASK  0x001f800000000001ULL
#   define ISA_MAGIC_VALUE 0x001d800000000001ULL
#   define ISA_HAS_CXX_DTOR_BIT 1
#   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 unused            : 1;                                         \
      uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;                                         \
      uintptr_t extra_rc          : 8
#   define RC_ONE   (1ULL<<56)
#   define RC_HALF  (1ULL<<7)
复制代码

这里我们以__x86_64__架构来讲解：

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 unused            : 1;                                         \
uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;                                         \
uintptr_t extra_rc          : 8
复制代码

• 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，则需要使⽤到上⾯的has_sidetable_rc

既然如此，那么我们就能够根据isa来推导出类Class

isa推导class

我们以上位中使用的Car为例，来推导

其中0x01000001005c55d9就是isa

接下来我们用isa与ISA_MASK做一下与操作

isa与ISA_MASK(掩码)的与运算结果就是Car.class

isa的位运算

根据nonPointerIsa的定义，我们可以知道，在其64位空间内，类的指针shiftcls占用44位，右边有3位的数据，左边有17位的数据（小端模式，数据从右往左读）如下图：

那么我们可以经过位运算，将左右数据全部清空，最后只留下shiftcls的44位数据留在原位。

右移3位

左移20位

右移17位

最终我们清空了其他数据，只留下了类的指针shiftcls

那么如何验证呢，我们通过代码来验证一下：