iOS底层探索三-对象原理（下）

前言

一、对象的本质

1、对象在源文件（.cpp）的底层实现

定义一个类：Person，为了方便搜索到Person在源文件（.cpp文件）中的位置，定义在main.m文件中。

执行clang命令：clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp，将源代码转换成源文件。（如果源代码中包含UIKit头文件，需要添加路径）

或者使用xcrun命令：xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp，将源代码转换成源文件。（建议使用：可以减少很多路径配置）

clang：是一个由Apple主导编写，基于LLVM的 C\C++\Objective-C的编译器
xcrun：Xcode工具、-sdk：平台，iphoneos：真机，iphonesimulator：模拟器、 -arch：基于什么架构，苹果手机是基于arm64的、-rewrite-objc：重写oc文件，-o：输出到那个文件，文件名自定义。

底层实现：

源文件中Person 对象是以结构体的形式实现，并且 struct Person_IMP 嵌套 struct NSObject_IMPL，NSObject_IMPL的底层实现是一个isa指针。isa 是类的隐藏变量，是类的成员变量之一。

源文件中NSObject_IMPL的底层实现：

2、对象类型的底层实现

NSObject：在源代码中，Person类是继承于NSObject，而源文件（.cpp）中 Person类是objc_object类型，因而 NSObject 的本质是objc_object。

Class：Class 类型是 objc_class 指针类型，objc_class 是一个结构体，因而Class的本质是结构体指针类型，id 和 SEL 在底层的本质也是结构体指针，类型分别是objc_object * 和 objec_selector *，因此在源代码中id 类型或者是Class类型，不需要添加 * 的原因。

二、isa

1、isa_t

union isa_t {
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
    
    Class cls;
    uintptr_t bits;
#if defined(ISA_BITFIELD)
    struct {
        ISA_BITFIELD;  // defined in isa.h
    };
#endif
};
复制代码

union isa_t 是 objc818源码中的实现。它是一个联合体类型，而联合体中的各个变量是互斥的。

2、联合体扩展

结构体(struct)：结构体中所有变量是“共存”的
- 优点是“有容乃⼤”，全⾯
- 内存空间的分配是粗放的，不管⽤不⽤，全分配
联合体(union)：联合体中是各变量是“互斥”的
- 内存使⽤更为精细灵活，也节省了内存空间
- 缺点就是不够“包容”；

定义结构体(struct)Person1 和联合体(union)Person2, 分别赋值输出：结构体(struct)类型person1元素可以分别赋值；联合体(union)person2元素只有最后一个元素赋值，因为联合体共用一块内存，当后一个元素赋值后，上一个元素的内存地址会被后一个元素持有。

3、ISA_BITFIELD

# 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; /*MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x1000000000*/ \
      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)

# elif __x86_64__
#   define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL
#   define ISA_MAGIC_MASK  0x001f800000000001ULL
#   define ISA_MAGIC_VALUE 0x001d800000000001ULL
#   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 deallocating      : 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

arm64 和 x86_64 是两个不同的架构。arm64：iPhone，x86_64：模拟器。

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（默认是：1）。
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，则需要使⽤到下⾯的 has_sidetable_rc。

各个成员变量在isa_t结构体中所在位域如下：

4 、位域(bit fields)扩展

位域是指信息在存储时，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。例如在存放一个开关量时，只有0和1 两种状态，用一位二进位即可。

定义结构体Struct1和指定位域结构体Struct2，计算两种类型结构体大小。Struct1类型4字节，Struct2类型1字节。

Struct1和Struct2位域储存：

5、shiftcls：存储类指针的值

三、对象地址如何关联到类地址

1、isa地址平移

定义类Person，移动person对象的isa地址得到只包含shiftcls的地址，对比得到和类信息地址相同

isa地址平移图解：

2、isa &= ISA_MASK

源码中isa的寻址逻辑并不是平移得到的，而是通过ISA_MASK（掩码）得到

inline Class
isa_t::getClass(MAYBE_UNUSED_AUTHENTICATED_PARAM bool authenticated) {
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
    return cls;
#else
    uintptr_t clsbits = bits;
#   if __has_feature(ptrauth_calls)
#       if ISA_SIGNING_AUTH_MODE == ISA_SIGNING_AUTH
    if (authenticated) {
        clsbits &= ISA_MASK;
        if (clsbits == 0)
            return Nil;
        clsbits = (uintptr_t)ptrauth_auth_data((void *)clsbits, ISA_SIGNING_KEY, ptrauth_blend_discriminator(this, ISA_SIGNING_DISCRIMINATOR));
    } else {
        clsbits &= objc_debug_isa_class_mask;
    }
#       else
    clsbits &= objc_debug_isa_class_mask;
#       endif
#   else
    clsbits &= ISA_MASK;
#   endif
    return (Class)clsbits;
#endif
}

复制代码

按照源码方法 clsbits &= ISA_MASK得到clsbits类信息：

ISA_MASK：掩码，模拟器环境：低三位和高十七位抹掉；真机环境：低三位和高二十八位抹掉。

模拟器环境：对象地址64位位域[4-47]位域存储类的信息，真机环境：对象地址64位位域[4-35]位域存储类的信息

LLDB调试命令拓展

memory read：memory read 的简写为x，memory read xxx 读取当前对象在内存的中存储情况
p/t：二进制打印
x/4gx
- x：读取内存的命令
- 4：连续打印4段内存
- g：进行格式化的输出打印（iOS为小端，不进行格式化，输出的内容为：d0 c5 f8 0e 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 ）
- x：16进制显示结果