iOS底层学习-对象本质 & nonPointerIsa分析

这是我参与8月更文挑战的第3天，活动详情查看：8月更文挑战

一、对象的本质

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

clang 命令

// 把目标编译成C++文件
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
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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

// 模拟器
xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp 
// 真机
xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main- arm64.cpp 
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2、探索对象的本质

2.1、对象的本质是结构体

引入一个示例，在main.m文件中添加LRPerson类的声明和实现

打开终端，cd至当前目录下，用如下命令将main.m编译成main.cpp文件

clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp 
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main.cpp代码非常多，十万多行。全局搜索下LRPerson，发现一个结构体LRPerson_IMPL，里面正好有_name。经验证发现对象的本质是结构体

LRPerson_IMPL中除了成员变量_name，还有一个NSObject_IVARS，是一个NSObject_IMPL的结构体，搜索下NSObject_IMPL，可以看到定义如下：

所以NSObject_IVARS就是isa

2.2、拓展

1、在LRPerson_IMPL结构体上面有这样一行代码，可以看到LRPerson是objc_object类型，这里的objc_object就是NSObject的底层实现。

typedef struct objc_object LRPerson;
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2、同样可以发现在底层中Class是objc_class类型的结构体指针；我们常用的id是objc_object类型的结构体指针，这也解释了id类型可以修饰任何对象；SEL也是一个结构体指针。

typedef struct objc_class *Class;
typedef struct objc_object *id;
typedef struct objc_selector *SEL;
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3、在LRPerson_IMPL结构体下面可以看到如下一段代码，这里是name属性的get/set方法

可以发现get/set方法都有两个隐藏参数self和_cmd，也就是方法接收者和方法编号。
get/set方法是根据对象首地址和成员变量的偏移值来读取和赋值的。

二、联合体位域

先了解下联合体和位域

struct LRCar1 { 
    BOOL front; 
    BOOL back; 
    BOOL left; 
    BOOL right; 
};
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这是一个表示方向的结构体LRCar1，BOOL类型占用1字节，这个结构体占用4字节即32位。对于一个BOOL类型，值只有0或1，LRCar1只需要占用4位就可以表示4个方向。而1字节 = 8位，所以LRCar1用1字节就可以满足需求，这里占用了4字节显然浪费了3个字节的空间。那这里如何优化呢？下面我们引入位域的概念

1、位域

struct LRCar2 { 
    BOOL front: 1; 
    BOOL back : 1; 
    BOOL left : 1; 
    BOOL right: 1; 
};
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LRCar2和LRCar1相比，每个成员后面多了个: 1，冒号后面的数字代表成员占用多少位。使用位域后LRCar2只占用4位也就是1字节，我们打印验证一下

2、联合体

先观察下面结构体和联合体的对比，先断点打印结构体teacher1每个成员变量的赋值可以发现，结构体赋值过程中每个成员之前是互不影响的，共存在这个结构体中。

而我们发现联合体teacher2在赋值过程中，成员变量间会受到影响，呈互斥状态。

分别打印一下结构体teacher1和联合体teacher2各成员变量的地址。可以发现结构体成员变量有自己的内存空间，而联合体成员变量共用同一个内存空间，所以联合体成员变量间互斥。

总结

• 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

三、nonPointerIsa分析

在第一篇alloc探索中，我们得知initInstanceIsa这一步是初始化指针关联类，跟进去来到initIsa，这里就是初始化isa的方法，isa是isa_t类型。

先看下isa_t

我们发现isa_t是一个联合体，包含bits、cls，还有一个结构体ISA_BITFIELD。

普遍在表现一个类地址过程中，经常会出现一个有意思的名词叫nonPointerIsa。平时说的类也是一个对象，是个指针。我们发现类上可以有很多信息可以存储，指针是8字节即64位，如果只存一个指针，未免有点浪费。是否可以优化一下呢？在类中除了指针还可以有其他东西，比如是否正在释放、引用计数、weak、关联对象、析构函数等等，这就出现了nonPointerIsa，nonPointerIsa不再是一个简简单单的指针。如何验证这些呢？我们需要去看ISA_BITFIELD


ISA_BITFIELD针对不同平台arm64和x86位域设置不同

• 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。
• 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 has_sidetable_rc。

四、isa推导class

先x/4gx打印出p，再p/x打印出LRPerson.class。我们发现打印出的isa和类并不一致。此时isa应该和类已经关联起来，但这里并没有看出什么来。原因是这里没有& ISA_MASK，isa与上掩码才能得到类。是因为isa中不止是类的信息，还有很多其他信息，需要通过掩码来获取类的信息

五、isa位运算

假使我们并不知道掩码，根据上面分析已经清楚isa的位域分布结构，类信息在shiftcls中，那么可以根据位运算来获取shiftcls。

以x86_64为例，shiftcls占用44位，前边有3位，后边有17(6+1+1+1+8)位

• isa先右移3位，清空shiftcls前边3位
• 再左移20位，清空shiftcls后边17位以及复原刚右移的3位
• 最后再右移17位，复原到最初的位置，最后得到类的信息。可以看到打印出LRPerson