ios 底层原理 02-对象的本质&isa关联类

基础知识

联合体

1.联合体可以定义多个不同类型的成员，联合体的内存大小由其中最大的成员的大小决定。
2.联合体中修改其中的某个变量会覆盖其他变量的值。
3.联合体所有的变量公用一块内存，变量之间互斥
联合体优缺点
优点：内存使用更为灵活，节省内存。
缺点：不够包容。

位域(Bit field)

有些信息在存储时，并不需要占用一个完整的字节，而只需占几个或一个二进制位。就可以用位域
总结：Car1的内存大小是4字节，Car2的内存大小是1字节。1字节包含8位（bit），Car2中所有变量都是按 位（bit）存在这1字节中，具体的存放格式是从右往左往 0000 1111 依次存放front 、back、left 、right

clang 是什么

Clang 是一个C语言、C++、Objective-C语言的轻量级编译器，是由Apple主导编写的
Clang 主要用于把源文件编译成底层文件，比如把main.m 文件编译成main.cpp、main.o或者可执行文件。便于观察底层的逻辑结构，便于我们探究底层。

clang 常见命令
clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp 
//UIKit报错
clang -x objective-c -rewrite-objc -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator.sdk main.m
// xcrun命令基于clang基础上进行了封装更好用
//3、模拟器编译
 xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp 
//4、真机编译
xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main- arm64.cpp 

 
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对象的本质

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

// 对象在底层的本质就是结构体
@interface LGPerson : NSObject
@property (nonatomic, strong) NSString *KCName;

@end

@implementation LGPerson

@end

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

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用clang命令把 main.m 文件编译成 main.cpp
重要的源码如下

// NSObject
// objc : objc_object

#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_$_LGPerson$_kcName;
struct LGPerson_IMPL {
	struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS; // ISA
	NSString *_KCName;
};

// @property (nonatomic, strong) NSString *kcName;

/* @end */


// @implementation LGPerson

// 方法 getter
static NSString * _I_LGPerson_kcName(LGPerson * self, SEL _cmd) {
    return (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_LGPerson$_kcName))
}

static void _I_LGPerson_setKcName_(LGPerson * self, SEL _cmd, NSString *kcName) { (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_LGPerson$_kcName)) = kcName; }
// @end
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源码分析：LGPerson底层是结构体，LGPerson_IMPL结构体中有2个变量，其中KCName是自定义的属性，NSObject_IVARS就是 NSObject中isa。LGPerson 继承于NSObject，意味着LGPerson也有NSObject所有的成员变量。

NSObject的底层是NSObject_IMPL里面只有一个成员变量是Class isa。通常叫isa叫做isa指针，那么这里的Class应该是个指针类型，在main.cpp文件中全局搜索*Class。代码如下

//对象的底层实现
struct objc_object {
    Class _Nonnull isa __attribute__((deprecated));

typedef struct objc_object *id;
typedef struct objc_selector *SEL;
};
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源码分析：

Class本质上是一个 objc_class类型的结构体指针，objc_class是所有类的底层实现。所以isa跟类信息应该有一些具体的关联

NSObject的底层实现和对象的底层实现有什么区别?两者成员变量的结构体都是Class isa， 所有对象的底层都是继承objc_object，在OC中基本上所有的对象都是继承NSObject，但是真正的底层实现是objc_object的结构体类型。

对象的本质补充

我们看到上面有 id 跟 SEL常用的id原来是一个objc_object结构体指针，这就解释了id修饰变量和作为返回值的时候为什么不加*，意料之外的是SEL也是结构体指针。
在前面的代码里面有

// 方法 getter
static NSString * _I_LGPerson_kcName(LGPerson * self, SEL _cmd) {
    return (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_LGPerson$_kcName))
}
// 方法 setter
static void _I_LGPerson_setKcName_(LGPerson * self, SEL _cmd, NSString *kcName) { (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_LGPerson$_kcName)) = kcName; }
// @end

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(char *)self + OBJC_IVAR_$_LGPerson$_kcName获取当前变量的位置代码，怎么去获取当前的变量呢？底层实现就是当前对象的首地址+变量的偏移值代码中只定义了一个局部变量 kcName，但是底层代码仅添加了一个变量。而定义的属性，底层自动添加了带_变量以及get和set方法的实现

isa 结构

通过alloc流程 alloc –> _objc_rootAlloc –> callAlloc –> _objc_rootAllocWithZone –> _class_createInstanceFromZone，断点在 obj->initInstanceIsa，进入obj->initInstanceIsa

inline void 
objc_object::initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor)
{
    ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());
    ASSERT(hasCxxDtor == cls->hasCxxDtor());

    initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
}
 
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进入initIsa

inline void 
objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, UNUSED_WITHOUT_INDEXED_ISA_AND_DTOR_BIT bool hasCxxDtor)
{ 
    ASSERT(!isTaggedPointer()); 
    
    isa_t newisa(0); // isa初始化

    if (!nonpointer) {
        newisa.setClass(cls, this);//如果是纯指针 isa被直接cls赋值
    } else { 
       ASSERT(!DisableNonpointerIsa);
       ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
        ASSERT(cls->classArrayIndex() > 0);
        newisa.bits = ISA_INDEX_MAGIC_VALUE;
        newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
        newisa.indexcls = (uintptr_t)cls->classArrayIndex();
#else   
        newisa.bits = 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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进入isa_t

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);
};
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源码分析：isa_t是联合体。isa_t有两个变量 一个是bits，一个是cls。通过上面分析联合体是互斥的，那就意味着初始化isa有两种方式：
bits被赋值，cls 没有值或者被覆盖
cls 被赋值，bits没有值或者被覆盖
isa_t中还有一个结构体成员变量ISA_BITFIELD。这是一个宏对应有两个端，一个是__arm64__（iOS），一个是__x86_64__（macOS）。ISA_BITFIELD通过位域存储信息

isa结构总结

isa结构分析总结
isa分为nonpointer类型和非nonpointer。非nonpointer类型只是一个纯指针，nonpointer还包含了类的信息
isa是联合体+位域的方式存储信息的。采用这种方式的有点就是节省大量内存。万物皆对象，只要是对象就有isa指针，大量的isa就占用了很多内存，联合体公用一块内存节省了部分内存，而位域更是在节省内存的基础上存储了信息，可以说isa指针的内存得到了充分的利用。

isa与Class地址的关系，如何关联上类的

在继续走一遍流程 首先定义一个LGPerson类，初始化[LGPerson alloc]，流程如下：alloc –> _objc_rootAlloc –> callAlloc –> _objc_rootAllocWithZone –> _class_createInstanceFromZone–> obj->initInstanceIsa –>initIsa，现在探究isa到底怎么和类关联起来

图中显示 newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE， ISA_MAGIC_VALUE 是一个宏 ISA_MAGIC_VALUE = 0x001d800000000001，变量值改变的有bits = 8303511812964353 ，cls = 0x001d800000000001，nonpointer = 1，magic = 59。我们恢复下赋值的过程。如下图

cls = 0x001d800000000001是因为给bits赋值的时候覆盖了cls，isa_t是联合体
第0位的1等于 nonpointer = 1
magic的值怎么算呢，按位计算从47位开始，长度是6位 结果就是111011，从第0个位置开始算111011的10进制就是59.
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