前言
我們都知道對象由類實例化而來，在上一篇《OC底層系列二》-對象中，我們知道對象是一個objc_object類型的結(jié)構(gòu)體，類是一個objc_class類型的結(jié)構(gòu)體，今天我們從底層來探究對象和類是如何建立關(guān)聯(lián)。
目錄
image.png
0、簡介
- 本文主要探索OC對象和類之間如何建立關(guān)聯(lián)，并進(jìn)行驗證。
1、對象和類的定義
- 我們再從源碼角度看看對象和類的定義
typedef struct objc_class *Class; // 類的定義
typedef struct objc_object *id; // 對象的定義
1.1、objc_object
// objc-private.h
// objc_object 的實現(xiàn)
struct objc_object {
private:
isa_t isa;
以下是一些函數(shù)，省略
...
}
1.2、objc_class
// objc-runtime-new.h
struct objc_class : objc_object {
// Class ISA;
Class superclass;
cache_t cache; // formerly cache pointer and vtable
class_data_bits_t bits; // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
class_rw_t *data() {
return bits.data();
}
// objc_class的部分方法代碼省略不貼出來
}
- 從源碼中我們看到objc_class繼承自objc_object，說明了類也是一個對象， objc_class繼承自objc_object，自然也就繼承了objc_object的成員，則objc_class也擁有一個isa，由此我們推斷對象和類的關(guān)聯(lián)在于isa。
2、isa
// objc-private.h
// isa_t的定義，一個聯(lián)合體，值為cls或者bits
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
};
2.1、isa的初始化
- objc_object中初始化isa方法源碼如下，如下：
// objc_private.h
struct objc_object {
private:
isa_t isa;
public:
···
private:
void initIsa(Class newCls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor);
···
}
// objc-object.h
inline void
objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor)
{
assert(!isTaggedPointer());
if (!nonpointer) {
// 2.1.1
isa.cls = cls;
} else {
// 2.1.2
assert(!DisableNonpointerIsa);
assert(!cls->instancesRequireRawIsa());
isa_t newisa(0);
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
// 2.1.3
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
// 2.1.4
newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;
// isa.magic is part of ISA_MAGIC_VALUE
// isa.nonpointer is part of ISA_MAGIC_VALUE
newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;
#endif
// This write must be performed in a single store in some cases
// (for example when realizing a class because other threads
// may simultaneously try to use the class).
// fixme use atomics here to guarantee single-store and to
// guarantee memory order w.r.t. the class index table
// ...but not too atomic because we don't want to hurt instantiation
isa = newisa;
}
}
- 通常我們創(chuàng)建的OC對象都是nonpointer,所以會執(zhí)行2.1.2，創(chuàng)建一個isa_t類型的newisa并初始化其成員bits為0。
- SUPPORT_INDEXED_ISA定義如下，根據(jù)注釋，其表示 isa_t 中存放的 Class 表示的是否為Class 的地址，是一個索引(根據(jù)該索引可在類信息表中查找該類結(jié)構(gòu)地址)。
// objc-config.h
// Define SUPPORT_INDEXED_ISA=1 on platforms that store the class in the isa
// field as an index into a class table.
// Note, keep this in sync with any .s files which also define it.
// Be sure to edit objc-abi.h as well.
#if __ARM_ARCH_7K__ >= 2 || (__arm64__ && !__LP64__)
# define SUPPORT_INDEXED_ISA 1
#else
# define SUPPORT_INDEXED_ISA 0
#endif
- 我們來分析一下SUPPORT_INDEXED_ISA宏定義的值，__ARM_ARCH_7K__，從名稱上看其表示在 ARM 7k 架構(gòu) CPU 的代碼中的標(biāo)志宏，我們可以在LLVM 開源的ARM.cpp找到其定義：
// ARM.cpp
// Unfortunately, __ARM_ARCH_7K__ is now more of an ABI descriptor. The CPU
// happens to be Cortex-A7 though, so it should still get __ARM_ARCH_7A__.
if (getTriple().isWatchABI())
Builder.defineMacro("__ARM_ARCH_7K__", "2");
通過注釋和代碼可以知道，這個值只有在iWatch下才會被定為2，換句話說__ARM_ARCH_7K__代表的是iWatch的宏。由此可知，在iPhone模擬器以及真機上__ARM_ARCH_7K__值為FALSE。
__arm64__表示是否采用arm64架構(gòu)。在模擬器上為FALSE，真機上為TRUE。
__LP64__ 表示在64位機器上，如果int是32位，long是64位，pointer也是64位，那么該機器就是__LP64__。在模擬器上和真機上__LP64__為TRUE。
綜上，ARM_ARCH_7K >= 2 || (arm64 && !LP64)
=FALSE || FALSE
=FALSE
所以SUPPORT_INDEXED_ISA的值為FALSE。因此初始化isa方法走的是2.1.4
// 2.1.4
newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;
// isa.magic is part of ISA_MAGIC_VALUE
// isa.nonpointer is part of ISA_MAGIC_VALUE
newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;
2.2、shiftcls
shiftcls的值是isa中cls的值右移三位得到，shiftcls存儲類指針的值。根據(jù)shiftcls的宏定義，在 x86_64 架構(gòu)有 44位 用來存儲類指針，arm64 架構(gòu)中有 33位 。
-
我們在x86_64（模擬器下）為研究，ISA_BITFIELD定義如下：
image.png shiftcls的值為二進(jìn)制的3~46位。
我們通過LLDB驗證shitfcls是否存儲著cls信息,添加如下代碼并在NSLog處添加斷點：
#import <Foundation/Foundation.h>
// Animal繼承NSObject，沒有添加任何成員
#import "Animal.h"
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
// insert code here...
Animal *animal = [Animal alloc];
NSLog(@"Hello, World!");
}
return 0;
}
-
在控制臺使用LLDB如下操作：
image.png - x/4gx 打印對象anmial的內(nèi)存信息，以16進(jìn)制格式打印4個8字節(jié)。其第一個8字節(jié)為isa。
- p/t animal 將[animal class]的值以二進(jìn)制格式輸出。
格式化二進(jìn)制如下：
// [animal class]
$0 = 0b 0000 0000 0000 0000 00 00 0000 0000 0001 0000 0000 0000 0000 0010 0000 1111 0 000
// isa
$2 = 0b 0000 0000 0001 1101 10 00 0000 0000 0001 0000 0000 0000 0000 0010 0000 1111 0 001
- 對上面打印結(jié)果格式化可以看到，[animal class]的3~46位和isa的3~46位位是一樣的，驗證了對象的關(guān)于類的信息是存在在isa中的shiftcls中。
3、[object class]方法分析
- [animal class]中class的底層實現(xiàn)：
\\ objc-object.h
inline Class
objc_object::ISA()
{
ASSERT(!isTaggedPointer());
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
// 3.1
if (isa.nonpointer) {
uintptr_t slot = isa.indexcls;
return classForIndex((unsigned)slot);
}
return (Class)isa.bits;
#else
// 3.2
return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);
#endif
}
- SUPPORT_INDEXED_ISA值為FALSE，所以走//3.2，返回(Class)(isa.bits & ISA_MASK);
// isa.h
define ISA_MASK 0x00007ffffffffff8ULL
4、通過LLDB驗證對象和類如何關(guān)聯(lián)
-
我們根據(jù)isa.bits & ISA_MASK使用LLDB進(jìn)行驗證，繼續(xù)如下操作
image.png $3即ISA_MASK的二進(jìn)制表示，$6即(isa.bits &ISA_MASK)的結(jié)果，最后我們d打印$6的描述為Animal,驗證完畢。
5、總結(jié)
- 對象的類信息存儲在其isa中的的shiftcls中，對象和類的通過對象中的ias的shiftcls進(jìn)行關(guān)聯(lián)，class方法本質(zhì)上返回的是isa的shiftcls，其底層實現(xiàn)通過isa.bit& ISA_MASK獲取到shiftcls的值。
- 我們可以理解為類實例化的對象的isa指向該類。
6、TODO
- OC對象的isa(其位域成員shiftcls)中的存著類的信息，OC類也是一個對象，那么OC類的isa(其位域成員shiftcls)存儲著什么呢？
- 源碼中objc-class有一個superclass，我們可以推測superclass代表當(dāng)前類的父類，Animal的superclass應(yīng)該為NSObject類，那么NSObjec類的superclass是什么？
- 這些我會在下一篇文章中繼續(xù)探究。
