作为一名iOS开发人员，每天都是面向对象开发，可以说，对象纵横交错穿插在我们的工程项目中，跳跃在指尖的敲击下。平时十分不经意，突然之间，来了个灵魂的拷问，什么是对象？

脑瓜子突然嗡嗡的。。。。

想起刚开始学iOS时，创建的Person对象。。。。好像没啥印象了，?，那么要探究什么是对象，也就是得探究对象的本质

对象的本质

在将对象之前，我们先了解一个工具—–clang（用来看底层的源码结构）

1 对象的底层是结构体

1.1 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。

也就是说，Clang是⼀个由Apple主导编写，基于LLVM的C/C++/Objective-C编译器。

好，clang就介绍到这里~~biu ~~ biu ~~ biu ~~

1.2 如何获得`.cpp`文件

下面我们进入主题。老规矩，代码走一波?

#import <Foundation/Foundation.h>
#import <objc/runtime.h>

@interface TestPerson : NSObject

@property (nonatomic, copy) NSString *test_nickName;

@end

@implementation TestPerson

@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        NSLog(@"Hello, World!");
    }
    return 0;
}
复制代码

建立一个TestPerson对象，然后给这个对象一个成员变量test_nickName

创建好之后，对这个工程show in finder，接着打开终端，如下如：

clang的终端命令：clang-rewrite-objc main.m -o main.cpp把⽬标⽂件编译成c++⽂件，（这里的目标文件是main.m编译到main.cpp中）

注：如果在我们自己创建的iOS工程中，要想把一个viewcontroller.m文件编译成c++文件，就会报UIKit错误
如果遇到UIKit报错问题，就执行下面这条命令，需要更改iOS的版本，还有最后的文件名（main.m）

clang -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-13.0.0-isysroot/Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator13.0.sdk main.m

或者是直接使用 xcrun 命令

xcode 安装的时候顺带安装了 xcrun 命令， xcrun 命令在 clang 的基础上进⾏了⼀些封装，要更好⽤⼀些

下面的两种命令更加的简单
xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp(模拟器)

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

那么执行clang命令之后，就能得到一个main.cpp文件

1.3 对象的底层是结构体

打开main.cpp文件，全文索引之前创建的TestPerson对象

可以看到，TestPerson对象是有一个结构体组成的。

由这里，就能得出，对象在底层的本质就是一个结构体。

当前的结构体里面，又嵌套了一个结构体，相当于一个伪继承（不是真正的继承，但是在c++里面是可以的），它继承了NSObject_IMPL，那么NSObject_IVARS就是成员变量的isa（这里可以全文索引 NSObject_IMPL { ,就能找到这个结构体struct）

到这里，就能确定TestPerson对象里面有一个isa指针，还有自己声明的成员变量。

再根据TestPerson是结构体的这张截图，在114395行，根据这行代码：typedef struct objc_object TestPerson;可以看出TestPerson它本质的类的类型是objc_object，而我们OC层面上看到的，TestPerson是继承NSObject，但是在底层上面，其实就是 objc_object 。

与此同理，就像class类型，我们可以索引class { 就能找到

他的底层竟然也是带着objc_ 的，那么再接着索引objc_ class

从这里就可看到class类型，其实就是objc_class * 类型，意味着当前的class是一个结构体指针，而Class只是一个别名而已

再比如id类型，使用id引用的时候，是不需要加*的，为什么了？

因为它本身就是objc_object *

那么到了这里，是不是就很清晰了。
111623724138_.pic.jpg

1.4 `setter`方法和`getter`方法的底层

来，再回到我们的TestPerson上面来，在main.cpp文件中，还能找到成员变量test_nickName的getter方法和setter方法。

像113514行和113517行，其实就是test_nickName的getter方法和setter方法。

就比如，113514行这个getter方法，我们在上层进行调用的时候，是不显示(TestPerson * self, SEL _cmd)这些参数的，那么这些参数，其实就是这个方法的隐藏参数。从这个getter方法的返回值的方式 return (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_TestPerson$_test_nickName)); 是通过self（TestPerson）加上一个test_nickName指针地址的偏移值，来获取test_nickName的值，再通过(*(NSString **)还原为string类型。下面这个草图，就更加形象明确了：

取值的过程就是：先拿到当前成员变变量的地址，再去取这个地址里面所存的值。

像113517行的setter方法，也是一样的方式进行存值。

分析到这里，是不是有种恍然的感觉，心底想呼喊一下：
131623724770_.pic.jpg

嗯哼、嗯哼、嗯哼。。。稍安、勿躁、静坐 ~ ~ ~ ~ ?，精彩继续 biu ~

我们从刚刚的分析，知道TestPerson对象结构体中，除了变量test_nickName外，还有个isa指针。这个isa指针里面有什么了？，接下来就开始isa的表演（无广告连接?）

2 `ISA`指针

2.1 结构体、联合体、位域

结构体我们比较熟悉，那么联合体和位域是啥子嘞？嘿嘿，直接上代码：

从打印中可以看出，这个TestCar1结构体的内存大小为4，因为每个布尔值的内存大小为1，所以总内存为4。

注：这里和成员变量字节内部对齐是有区别的，像通常说的8字节对齐，是关于成员变量在OC层面对齐。而在结构体里面，是最大的成员变量。所以，结构体和成员变量是不一样的。

结构体TestCar1，共4字节，每字节8位，共32位（bit），如：0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111，开辟了32位（bit），然而只使用了4bit用来存储，那么就剩余了28bit空着，这样就造成了浪费。只需要半个字节的空间，就足够了，也就是：0000 1111。那么就需要进行优化，就引出了一个词：位域。

2.1.1 位域

既然系统是自动分配了这的大的内存出来，假如，给结构体里面的布尔值变量指定位置大小了？会不会有所优化？根据下图来看下：

从打印结果可以看出，相比于结构体TestCar1，结构体TestCar2占用的内存空间更小，就是：0000 1111，这样就大大的优化了内存空间。

再进行测试下，把TestCar2改成

打印的结果就为：

结构体TestCar2占用了2字节内存，我们在通过二进制码看一下4个布尔值分别占据的位置：

注：单个变量的最大位置数只能是8（bit）。

举个实例：
在使用代理的时候：

@protocol TestProtocol <NSObject>

@optional

- (void)methodA;
- (void)methodB;
- (void)methodC;

@end
复制代码

我们在进行调用的时候通常都要判断代理对象是否已经实现该方法，代码如下：

- (void)methodA_CallBack {
    if (_delegate && [_delegate respondsToSelector:@selector(methodA)]) {
        [_delegate performSelector:@selector(methodA)];
    }
}
复制代码

这样会存在一个性能问题，就是每次都要通过消息机制去确认delegate是否已经实现该方法，虽然OC的消息机制中会将方法实现缓存到类对象的方法缓存中，但如果调用的比较频繁的时候，还是会影响性能。
所以我们可以通过位域进行改进。

改进后的代码：

@interface TestClass ()
{
    struct {
        unsigned int methodAFlag : 1;
        unsigned int methodBFlag : 1;
        unsigned int methodCFlag : 1;
    } _delegateFlags;
}

@end

@implementation TestClass

- (void)setDelegate:(id<TestProtocol>)delegate {
    _delegate = delegate;
    _delegateFlags.methodAFlag = [_delegate respondsToSelector:@selector(methodA)];
    _delegateFlags.methodBFlag = [_delegate respondsToSelector:@selector(methodB)];
    _delegateFlags.methodCFlag = [_delegate respondsToSelector:@selector(methodC)];
}

- (void)methodA_CallBack {
    if (_delegateFlags.methodAFlag) {
        [_delegate performSelector:@selector(methodA)];
    }
}

- (void)methodB_CallBack {
    if (_delegateFlags.methodBFlag) {
        [_delegate performSelector:@selector(methodB)];
    }
}

- (void)methodC_CallBack {
    if (_delegateFlags.methodCFlag) {
        [_delegate performSelector:@selector(methodC)];
    }
}
@end
复制代码

这样的话，方法判断只会在设置代理的时候进行一次，并将值保存在了缓存（位域）中，省去了很多次的方法查询，提高了效率。

2.1.2 联合体

讲完位域，接着引入另一个知识点：联合体。创建一个TestTeacher1结构体：

通过3个断点，还有断点处的打印来看，最开始，都是值为0的，然后再进行赋值。

接着，使用联合体创建TestTeacher2

同样的3个断点，当执行到断点①时，和TestTeacher1的情况是差不多的，但是从断点②开始，就有了比较大的差别。此时只是给name赋了值，age和height都没有，但是这两者却有值存在，那么这些值，就是我们通常说的脏数据了（也就是占位符）。然而执行到断点③，age赋值了，但是name的值，却被置空了。

这个就是联合体的特性：变量之间是互斥的。

结构体(struct)中：所有变量是“共存”的
                           优点是“有容乃⼤”，全⾯；
                           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：是各变量是“互斥”的
                            缺点就是不够“包容”；
                            但优点是内存使⽤更为精细灵活，也节省了内存空间；
复制代码

看到这里，也许会有老铁问：不是isa的表演吗？咋还跟我们扯啥联合体、位域。这不是挂羊头卖狗肉吗？（抵制黑心商??）

商家郑重承诺：并不是的啊，那是因为isa里面涉及到了这些。
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2.2 `isa`指针

2.2.1 `nonPointerIsa`的分析

讲nonPointerlsa的分析，就得到objc的源码中去（源码下载地址，在iOS的底层探究——–alloc文章里面）。前面，我们讲的alloc的底层源码的时候，alloc --> _objc_rootAlloc --> callAlloc --> _objc_rootAllocWithZone --> _class_createInstanceFromZone这么一个流程。

在_class_createInstanceFromZone还有一个重要的点，那就是 obj->initIsa(cls)；，这句代码，它把从堆内存申请的结构体指针和当前的cls绑定在一起。看底层代码：

进入initIsa方法里面

在这里，就出现了isa，在进入isa_t

可以看出，isa是一个联合体。

在普遍的表现一个类的地址时，会出现一个词：nonPointerIsa。就比如一个类，也就可以作为一个指针，类上面是可以有很多内容是能够被存储的。类的指针是8字节，8字节 * 8 bit = 64 bit（64位）。那么如果只是用来存储一个指针，就会造成大大的浪费，因为每个类都有一个isa指针。苹果就对这个isa做了优化，就把和类息息相关的一些内容存在里面，比如：是否正在释放、引用计数、weak、关联对象、析构函数等等（所以，OC在底层，就是C++，像OC的释放，并不是真正的释放，而是其下层的C++释放，才是真正的释放）。这些都和类先关，所以，可以把这些内容存储到那64位里面去。那么就出现了nonPointerIsa。nonPointerIsa也不是一个简单的地址。我们可以通过查看isa_t的位域，来了解里面存的是什么。

在X86_64中：

在arm64中：

#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;
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)
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：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。

以arm64为例，堆中，8字节对齐排列，8字节 * 8 bit = 64 bit（64位）。

那么，nonpointer占[1]号位置，has_assoc占[2]号位置，has_cxx_dtor占[3]号位置，shiftcls占[4 ~ 36]号位置，magic占[37~42]号位置，weakly_referenced占[43]号位置，deallocating占[44]号位置，has_sidetable_rc占[45]号位置，extra_rc占[46 ~ 64]号位置。

2.2.2 `isa`的位运算

以X86_64为参照：

根据isa的位域存储内容，类的主体部分内容存储在shiftcls位置上，那么在shiftcls位置段的一边是3个位置，另外一边是17个位置。想要查看shiftcls里面是什么，通过平移可以得到，下面通过一个图来说明下：

那么根据这个步骤，在工程中进行操作：

可以得出，shiftcls存放的是对象的TestMan.class的全部信息了。