前两篇文章重点分析了OC创建对象时的alloc流程分析和内存对齐，这篇文章继续探索OC创建对象的过程中是如何与类做关联的？对象的本质是什么？
基础知识介绍
- 在分析重点过程前，我们先一起了解下一些基础知识，这更有利于我们接下来的探索和分析
联合体
- 联合体(union)：也可以叫做共用体
- 在前面的文章我们介绍过结构体的内存对齐，这里不熟悉的可以参考前面的文章(OC对象原理之内存对齐)
- 联合体的语法和结构体非常类似，但是它们占用内存的情况却有很大的不同，主要表现在：
- 结构体的成员之间是共存的：各个成员占用不同的内存，它们互相之间没有影响。
- 联合体的成员之间是互斥的：所有成员共用同一段内存，修改一个成员的值，会影响其余所有成员。
- 结构体占用的内存：大于等于所有成员占用内存的总和(需要内存对齐)
- 联合体占用的内存：等于最大的成员占用的内存，同一时刻只能保存一个成员的值
- 示例：
union LGUnion {
char a;
int b;
double c;
} union1;
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
// Do any additional setup after loading the view.
union1.a = 'a';
union1.b = 10;
union1.c = 5.5;
}
复制代码- 未赋值时内存情况：
- p union1：输出union1的值
- p/t union1：以二进制形式输出union1的值
- 对
a赋值后内存情况：
- 对b赋值后内存情况：
- 对c赋值后内存情况：
- 总结： 从上面的示例可以看出，联合体
union1占用的内存大小即为最大成员double c占用的内存大小，占8字节，成员char a占总内存的低8位，成员int b占总内存的低32位；
位域
- 有些数据在存储时并不需要占用一个完整的字节，只需要占用一个或几个二进制位即可，例如开关只有通电和断电两种状态，用 0 和 1 表示足以，也就是用一个二进位。正是基于这种考虑，C语言又提供了一种叫做位域的数据结构。
- 定义：在定义结构体或联合体时，成员变量后面加
: 数字，用来限定成员变量占用的位数，这就是位域；例如：
struct LGScruct {
bool a: 1;
bool b: 1;
bool c: 1;
bool d: 1;
}struct1;
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
// Do any additional setup after loading the view.
struct1.a = 1;
struct1.b = 0;
struct1.c = 1;
struct1.d = 1;
NSLog(@"%ld", sizeof(struct LGScruct));
}
复制代码
- 从上面的打印结果可以看出：
- 首先打印的是结构体变量
struct1占用的内存空间大小，为1字节；如果没有位域的限制，此结构的大小为4字节 x/1bt &struct1：以单字节二进制形式打印变量struct1内存地址中存放的数据- 低4位(从低到高，即从右到左)分别对应的是
a、b、c、d的值；共占4个二进制位，即0.5个字节大小，再进行结构体的内存对齐，总大小为最大成员变量的整数倍，即bool类型(占1字节)的整数倍，为1字节；
- 首先打印的是结构体变量
- 位域还有一些其他规则：(这个比较简单，有兴趣的同学可以自己验证一下)
- 位域的宽度不能超过它所依附的数据类型的宽度，否则编译时会报错；
- 当相邻的成员类型相同时，如果他们的位宽之和小于类型的
sizeof大小，那么后面的成员紧邻前面的成员存储，否则从新的存储单元开始存储，偏移为类型大小的整数倍。
Clang介绍
Clang是C语言、C++、Objective-C语言的轻量级编译器Clang可以将目标文件编译成C++文件：clang -rewrite-objc mian.m -o main.cppClang编译UIKit报错(fatal error: 'UIKit/UIKit.h' file not found)问题解决办法：- 指定
SDK路径：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 -o main.cpp - 使用
xcrun：- 模拟器：
xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch x86_64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp - 手机：
xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp
- 模拟器：
- 指定
Clang分析对象的本质
main.m定义：
#import <Foundation/Foundation.h>
@interface LGPerson : NSObject
@property (nonatomic) NSString *lgName;
@end
@implementation LGPerson
@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
LGPerson *p = [LGPerson alloc];
NSLog(@"p:%@", p);
return 0;
}
复制代码- 使用
clang将main.m编译成main.cpp：clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp main.cpp中关键代码：
#ifndef _REWRITER_typedef_LGPerson
#define _REWRITER_typedef_LGPerson
typedef struct objc_object LGPerson;
typedef struct {} _objc_exc_LGPerson;
#endif
extern "C" unsigned long OBJC_IVAR_$_LGPerson$_lgName;
struct LGPerson_IMPL {
struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
NSString *_lgName;
};
// @property (nonatomic) NSString *lgName;
/* @end */
// @implementation LGPerson
static NSString * _I_LGPerson_lgName(LGPerson * self, SEL _cmd) { return (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_LGPerson$_lgName)); }
static void _I_LGPerson_setLgName_(LGPerson * self, SEL _cmd, NSString *lgName) { (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_LGPerson$_lgName)) = lgName; }
// @end
int main(int argc, const char * argv[]) {
LGPerson *p = ((LGPerson *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("LGPerson"), sel_registerName("alloc"));
NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_1d__07nngks0bl536_p0nvqhjkm0000gn_T_main_06b9c6_mi_0, p);
return 0;
}
复制代码- 可以看到，
LGPerson实际上是struct objc_object类型，objc_object的定义如下，默认就有一个Class类型的isa变量
struct objc_object {
Class _Nonnull isa __attribute__((deprecated));
};
复制代码- 从
LGPerson的实现struct LGPerson_IMPL中也可以看出，第一个成员变量为struct NSObject_IMPL类型，定义如下：
struct NSObject_IMPL {
Class isa;
};
复制代码- 而
LGPerson_IMPL中的另一个成员变量即为我们自定义的属性lgName：NSString *_lgName; OC中的属性会自动生成对应的getter和setter方法，在这里对应的分别是_I_LGPerson_lgName和_I_LGPerson_setLgName_- 这两个方法的前两个参数都是
self和_cmd，这两个参数是默认的隐式参数 - 在
getter方法和setter方法中都是是通过self + OBJC_IVAR_$_LGPerson$_lgName去获取或改变变量lgName的值的,OBJC_IVAR_$_LGPerson$_lgName的定义：extern"C"unsignedlongintOBJC_IVAR_$_LGPerson$_lgName__attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_ivar"))) = __OFFSETOFIVAR__(struct LGPerson, _lgName);，这里是通过位移找到变量的内存地址，然后进行取值或赋值的
- 这两个方法的前两个参数都是
- 总结：
- 类的定义在底层会变编译成结构体，第一个成员变量为
isa; - 对象的本质为
struct objc_object类型的结构体指针； OC定义的属性，会自动生成成员变量、getter方法和setter方法；
- 类的定义在底层会变编译成结构体，第一个成员变量为
objc源码分析isa初始化流程
- 前两篇文章介绍到了创建对象最终调用的方法为
_class_createInstanceFromZone，其中初始化isa会调用obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor);或obj->initIsa(cls);
static ALWAYS_INLINE id
_class_createInstanceFromZone(Class cls, size_t extraBytes, void *zone,
int construct_flags = OBJECT_CONSTRUCT_NONE,
bool cxxConstruct = true,
size_t *outAllocatedSize = nil)
{
ASSERT(cls->isRealized());
// Read class's info bits all at once for performance
bool hasCxxCtor = cxxConstruct && cls->hasCxxCtor();
bool hasCxxDtor = cls->hasCxxDtor();
bool fast = cls->canAllocNonpointer();
size_t size;
size = cls->instanceSize(extraBytes);
if (outAllocatedSize) *outAllocatedSize = size;
id obj;
if (zone) {
obj = (id)malloc_zone_calloc((malloc_zone_t *)zone, 1, size);
} else {
obj = (id)calloc(1, size);
}
if (slowpath(!obj)) {
if (construct_flags & OBJECT_CONSTRUCT_CALL_BADALLOC) {
return _objc_callBadAllocHandler(cls);
}
return nil;
}
if (!zone && fast) {
obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor);
} else {
// Use raw pointer isa on the assumption that they might be
// doing something weird with the zone or RR.
obj->initIsa(cls);
}
if (fastpath(!hasCxxCtor)) {
return obj;
}
construct_flags |= OBJECT_CONSTRUCT_FREE_ONFAILURE;
return object_cxxConstructFromClass(obj, cls, construct_flags);
}
复制代码- 接下来就探究一下初始化
isa过程做了什么
动态调试
- 在
initInstanceIsa和initIsa分别添加断点，运行调试 - 在
obj赋值前打印：
- 在
obj赋值后打印：
- 从两次的打印结果可以看出，
obj赋值后，内存地址0x000000010065dc30的类型从id变成了LGPerson *，即此过程中内存地址和类LGPerson做了关联，所以可以打印出内存地址对应的对象类型为LGPerson *
调用流程分析
- 不同的架构处理调用的流程可能会有所差别，但是最终都会调用到
initInstanceIsa或initIsa中，而这两个方法最终都会调用objc_object::initIsa，具体流程如下：
- 从上述流程可以看出最终都会调用
objc_object::initIsa，并在此方法中对isa进行赋值，下面重点分析下该方法 - 在分析该方法前，先看下这里涉及到的几个重点知识：
ISA_BITFIELDisa_t
ISA_BITFIELD分析
- 这里进行了架构的判断，不同架构对应的宏定义是不一样的，调试
objc源码过程中，是运行在MacOS系统上，使用的是x86_64架构，下面是对应的定义：(其他架构的定义类似，在补充中会详细分析)
# 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- 在
x86_64架构中各个字段含义：nonpointer：表示是否对isa指针开启指针优化；0：纯isa指针，1：isa中包含了类信息、对象的引用计数等信息；has_assoc：关联对象标志；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：标志是否未被使用过has_sidetable_rc：当对象引用计数大于10时，则需要借用该变量存储进位extra_rc：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has_sidetable_rc
isa_t分析
isa_t定义：
union isa_t {
isa_t() { }
isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
uintptr_t bits;
private:
// Accessing the class requires custom ptrauth operations, so
// force clients to go through setClass/getClass by making this
// private.
Class cls;
public:
#if defined(ISA_BITFIELD)
struct {
ISA_BITFIELD; // defined in isa.h
};
bool isDeallocating() {
return extra_rc == 0 && has_sidetable_rc == 0;
}
void setDeallocating() {
extra_rc = 0;
has_sidetable_rc = 0;
}
#endif
void setClass(Class cls, objc_object *obj);
Class getClass(bool authenticated);
Class getDecodedClass(bool authenticated);
};
复制代码- 从上面的源码可以看出：
isa_t是一个联合体，而我们前面介绍过了，联合体的成员变量存储是互斥的，成员变量bits和结构体使用同一块内存；- 最上面是两个构造函数，第一个构造函数没有做任何处理，第二个构造函数使用传入的参数
value对成员变量bits进行赋值； - 下面结构体中的
ISA_BITFIELD为宏定义，实际上这里使用了位域，此结构体和成员变量bits共用同一块内存空间；
objc_object::initIsa分析
objc_object::initIsa实现：
inline void
objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, UNUSED_WITHOUT_INDEXED_ISA_AND_DTOR_BIT bool hasCxxDtor)
{
ASSERT(!isTaggedPointer());
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;
}
复制代码- 查看
isa变量类型：
struct objc_object {
private:
isa_t isa;
// ...省略
}
复制代码- 这里的
isa就是isa_t类型的变量，isa是objc_object结构体的第一个成员，而类在底层编译时会自动转化成struct objc_object类型 - 这里对
isa赋值使用的是变量newisa - 从最上面可以看出，
newisa是isa_t类型，newisa(0)即为调用isa_t中的第二个构造函数进行初始化，这里赋值为0的作用是对isa_t中的成员变量bits进行赋值，避免脏数据的影响。 - 判断是否是
nonpointer，即非纯isa指针：- 否：调用
newisa.setClass(cls, this);，直接赋值 - 是：开启
isa指针优化，对isa指针中的bits和位域对应的变量赋值；
- 否：调用
总结
isa是isa_t联合体类型，他们的成员bits和结构体位域共用同一块内存- 对
isa进行初始化时，先判断是否是nonpointer，即是否开启了指针优化- 否：直接赋值
- 是：对联合体中的位域进行赋值
补充：ISA_BITFIELD分析
# 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
复制代码- 从上面的源码中可以看出，这里首先对架构进行了判断，主要分为
arm64和x86_64两种架构 x86_64架构中的内容很清晰，前面也已经分析过了，下面重点看下arm64架构的处理arm64架构：- 这里又做了条件判断，主要是
__has_feature(ptrauth_calls)和TARGET_OS_SIMULATOR - 其中
TARGET_OS_SIMULATOR是模拟器，在这里代表arm64架构的模拟器设备 - 那么
__has_feature(ptrauth_calls)是什么呢？ - 下面重点介绍下
__has_feature(ptrauth_calls)的作用
- 这里又做了条件判断，主要是
__has_feature(ptrauth_calls)介绍
__has_feature：此函数的功能是判断编译器是否支持某个功能ptrauth_calls：指针身份验证，针对arm64e架构；使用Apple A12或更高版本A系列处理器的设备（如iPhone XS、iPhone XS Max和iPhone XR或更新的设备）支持arm64e架构- 参考链接：developer.apple.com/documentati…
- 下面分别使用真机
iPhone 12和iPhone 8进行验证
验证方法一：通过isa存储数据验证
- 因为
arm64架构中if分支和else分支存储的数据结构是不一样的，这里根据weakly_referenced值做验证 - 测试代码
LGPerson *p = [LGPerson alloc];
__weak typeof(p) weakP = p;
NSLog(@"p:%@", p);
复制代码-
在
__weak typeof(p) weakP = p;处添加断点，这行代码执行前weakly_referenced的值为0，执行后会变为1 -
测试
iPhone 8- 执行前
- 执行后：
-
测试
iPhone 12- 执行前
- 执行后
-
验证结果： 从上面两个设备的验证结果可以看出，执行
__weak typeof(p) weakP = p;前后，iPhone 8修改的是第43位(从右往左)，而iPhone 12修改的是第3位(从右往左)，分别对应的是arm64架构中的else分支和if分支的存储结构
验证方法二：通过断点和汇编验证
- 在
[LGPerson alloc]处设置断点 - 执行到断点处后，添加符号断点
_objc_rootAllocWithZone，并继续运行 iPhone 8
iPhone 12
- 验证结果：
iPhone 8中使用了0xffffffff8，iPhone 12中使用了0x7ffffffffffff8，在objc源码的isa.h中搜索发现，这两个值分别对应的是arm64架构中else分支的ISA_MASK值和if分支的ISA_MASK值
总结
-
__has_feature(ptrauth_calls)的作用是判断编译器是否支持指针身份验证功能 -
iPhone X系列以上的设备(arm64e架构，使用Apple A12或更高版本A系列处理器的设备)支持指针身份验证 -
对于
arm64架构- iPhone X系列以上(包含)设备使用如下结构：
# 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) 复制代码- iPhone X以下(不包含)设备使用如下结构：
# 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) 复制代码
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THE END
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