iOS 底层原理探究 之 对象的本质 & isa的底层实现

前言： iOS底层原理探究是本人在平时的开发和学习中不断积累的一段进阶之
路的不断探索之旅，希望能有帮助到各位读者朋友。
复制代码

目录如下：

1. iOS 底层原理探索之 alloc
2. iOS 底层原理探究 之 结构体内存对齐

写在前面

之前我们分析了alloc底层流程和结构体的内存对齐原理。那么，今天我们来分析下对象的本质是什么。

我们都知道，OC语言是基于C和C++语言增加了一层面向对象，那么，我们就从OC的对象，在C和C++中底层的实现代码来开始今天的探索之路。

准备

• 1、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是一个由Apple主导编写，基于LLVM的C/C++/Objective-C编译器。
其常用命令如下：

把目标文件编译成c++文件 
clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp 
复制代码

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 一些封装，要更好用一些

xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp (模拟器)

xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main- arm64.cpp (手机)
复制代码

• 2、union

联合体
我们通过一个例子来认识和了解 union 以及 union与struct的区别

struct SMTeacher3 {
    char        *name;
    int         age;
    double      height ;
};

union SMTeacher4 {
    char        *name;
    int         age;
    double      height ;
};
复制代码

简单总结一下，

联合体 中各变量是“互斥的”，缺点是不够“包容”；优点是内存使用更为精细灵活，也节省来内存空间。 （通过打印的t4占用了8字节内存空间比结构体的24字节节省了3倍，随着第二次第三次打印 t4 的内容，可以看到每次赋值后，其他的属性就变成了脏数据，不再可读）；

结构体 则是所有的变量都是“共存的”，优点是足够“包容”全面，缺点是内存的管理是粗放的，不管用不用全分配。

开始

首先，我们在新建的项目中 main.h 文件中，我们添加一个SMPerson对象 :

@interface SMPerson : NSObject

@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@property (nonatomic, assign) NSInteger age;
@property (nonatomic, assign) NSInteger height;
@property (nonatomic, copy) NSString *like;

@end

@implementation SMPerson

@end
复制代码

接着，我们通过命令行工具，将 main.h 文件编译为c++文件 main.cpp ，命令为：

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

可以看到 在当前的项目路径下生成来一个 main.cpp 文件。直接找到我们的SMPerson 类在底层是一个结构体，实现如下 ：

struct SMPerson_IMPL {
	struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
	NSString *_name;
	NSInteger _age;
	NSInteger _height;
	NSString *_like;
};
复制代码

多出来的这个 struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS; 是什么呢？
没错他就是 isa,

typedef struct objc_class *Class;

struct NSObject_IMPL {
	Class isa;
};
复制代码

下面是SMPerson 属性的set、get方法的底层实现

static NSString * _I_SMPerson_name(SMPerson * self, SEL _cmd) {
    
    return (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_SMPerson$_name));
}
extern "C" __declspec(dllimport) void objc_setProperty (id, SEL, long, id, bool, bool);

static void _I_SMPerson_setName_(SMPerson * self, SEL _cmd, NSString *name) {
    
    objc_setProperty (self, _cmd, __OFFSETOFIVAR__(struct SMPerson, _name), (id)name, 0, 1);
}

static NSInteger _I_SMPerson_age(SMPerson * self, SEL _cmd) { return (*(NSInteger *)((char *)self + OBJC_IVAR_$_SMPerson$_age)); }
static void _I_SMPerson_setAge_(SMPerson * self, SEL _cmd, NSInteger age) { (*(NSInteger *)((char *)self + OBJC_IVAR_$_SMPerson$_age)) = age; }

static NSInteger _I_SMPerson_height(SMPerson * self, SEL _cmd) { return (*(NSInteger *)((char *)self + OBJC_IVAR_$_SMPerson$_height)); }
static void _I_SMPerson_setHeight_(SMPerson * self, SEL _cmd, NSInteger height) { (*(NSInteger *)((char *)self + OBJC_IVAR_$_SMPerson$_height)) = height; }

static NSString * _I_SMPerson_like(SMPerson * self, SEL _cmd) { return (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_SMPerson$_like)); }
static void _I_SMPerson_setLike_(SMPerson * self, SEL _cmd, NSString *like) { objc_setProperty (self, _cmd, __OFFSETOFIVAR__(struct SMPerson, _like), (id)like, 0, 1); }
复制代码

我们通过调试台将 p1 对象的内存信息打印出来，

由此可见，p1 对象在内存中，其属性是如下所示布局的：

所以，在set、get方法的底层实现中 OBJC_IVAR_$_SMPerson$_name 就是属性对应的内存地址的偏移量， 系统通过每个属性的偏移量，来实现对其赋值和取值。

对象的本质：

对象在底层就是一个结构体，其内部存储了类的实例变量。

对象的 NSObject_IMPL 继承自 NSObject 的 isa。

NSObject 只有一个成员变量 isa。

isa 的底层实现是什么呢？

iOS 底层原理探索之 alloc中我们探寻类 alloc 方法的底层流程。 其中在

    /// 将类和指针做绑定
    obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor);

复制代码

中，此过程包含了 isa 的初始过程，要探究 isa 的底层实现，我们就从 isa 的创建开始：

initIsa 内容如下：

我们可以看到 方法内创建了一个 isa_t 类型的 newisa 实例， 做了 赋值操作后，返回了 newisa。 那么，接着我们就来详细的看一下这个 isa_t 的底层实现。

isa_t 内容如下：

所以 isa_t 是一个联合体， 有两个成员变量一个是 bits, 还有一个 是 cls。我们知道 联合体 中各变量是互斥的, 它的优点是内存使用更为精细灵活。 所以，也就是说， isa_t 有两种初始化方式：

• bits 被赋值， cls 没有值或者值被覆盖；
• cls 被赋值， bits 没有值或者值被覆盖。

isa_t 中还有一个成员变量 是 结构体 ISA_BITFIELD， 这个宏定义对应 __arm64__ 和 __x86_64__ 即 iOS 和 MacOS 两个端的实现。
ISA_BITFIELD 通过位域存储信息，具体存储信息如下：

# 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)

# else
#   error unknown architecture for packed isa
# endif

// SUPPORT_PACKED_ISA
#endif
复制代码

为来更直观的理解上面 位域 ISA_BITFIELD存储的信息， 我们画个图来解析一下以上这段很长的代码。

arm64架构下的isa:

x86_64架构下的isa:

各变量代表的意思是：

• 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: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底层实现总结

• isa 有两种类型 nonpointer类型和 非nonpointer类型，nonpointer类型包含来类信息、对象引用计数等数据； 非nonpointer类型只是一个纯指针。
• isa使用 联合体 加 位域 来实现。 采用这种方式 节省了大量的内存（由此可见，苹果在底层实现是做了很多的优化工作的）；开发中，大量使用的对象都会有一个 isa 指针， 这么多的 isa 会占用大量的内存，联合体 中成员变量的互斥特性，节省了部分的内存空间。再加上 位域 的使用，更是在节省内存空间的同时，将对象类的信息等信息作了优化存储，这样，使得 isa 指针 所占用的内存空间得到最大化的使用。

未完待续…