OC對(duì)象原理（二）— isa指針詳解

OC是一門(mén)面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言，上篇文章我們講解了對(duì)象創(chuàng)建alloc的流程，知道了每個(gè)對(duì)象都有一個(gè)isa指針，那么我們接著上篇文章詳細(xì)講解一下isa初始化過(guò)程、isa內(nèi)部結(jié)構(gòu)和isa指向分析。

isa的初始化

通過(guò)上篇文章知道isa的初始化都會(huì)調(diào)用initisa方法，如下：

inline void 
objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor) 
{ 
    assert(!isTaggedPointer()); 
    
    if (!nonpointer) {
        isa.cls = cls;
    } else {
        assert(!DisableNonpointerIsa);
        assert(!cls->instancesRequireRawIsa());

        isa_t newisa(0); //創(chuàng)建isa

#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
        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;
    }
}
  • isTaggedPointer
    taggedPointer是蘋(píng)果用來(lái)優(yōu)化一些小的對(duì)象的，把對(duì)象的值存在了對(duì)象指針里，優(yōu)化了內(nèi)存和讀取速度，詳細(xì)請(qǐng)看 文章。
  • nonpointer
    isa有兩種類(lèi)型，一種是純指針類(lèi)型，一種是除了內(nèi)存地址，還包含其他一些信息，就是NON_POINTER_ISA類(lèi)型的isa。如果是純指針類(lèi)型的直接賦值cls。如果不是純指針類(lèi)型需要初始化一個(gè)新的isa對(duì)象，isa初始化的時(shí)候給bits、has_cxx_dtor、shiftcls賦值，shiftcls存儲(chǔ)的是cls信息，isa也是在這里關(guān)聯(lián)到類(lèi)的。
  • SUPPORT_INDEXED_ISA
    表示 isa_t 中存放的 Class 信息是 Class 的地址，還是一個(gè)索引(根據(jù)該索引可在類(lèi)信息表中查找該類(lèi)結(jié)構(gòu)地址)。經(jīng)測(cè)試，iOS 設(shè)備上 SUPPORT_INDEXED_ISA 是 0。

isa的結(jié)構(gòu)

//isa結(jié)構(gòu)
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
};

可以看出isa是一個(gè)聯(lián)合體，包含了cls和bits，因?yàn)槭锹?lián)合體，cls和bits不會(huì)被同時(shí)賦值。cls存儲(chǔ)的是對(duì)象的類(lèi)信息，即!nonpointer直接設(shè)置cls。bits則是一個(gè)位域ISA_BITFIELD，ISA_BITFIELD結(jié)構(gòu)如下：

# 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)

ISA_BITFIELD的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)有關(guān)，我們調(diào)試的環(huán)境是x86。ISA_BITFIELD的結(jié)構(gòu)也就代表了isa的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分布。

  • ISA_MASK:
    掩碼。作用通俗的講就是顯示該顯示的內(nèi)容。
  • nonpointer:
    表示是否對(duì) isa 指針開(kāi)啟指針優(yōu)化 0:純isa指針，1:不止是類(lèi)對(duì)象地址,isa 中包含了類(lèi)信息、對(duì)象的引用計(jì)數(shù)等。
  • has_assoc:
    關(guān)聯(lián)對(duì)象標(biāo)志位，0沒(méi)有，1存在。
  • has_cxx_dtor:
    該對(duì)象是否有 C++ 或者 Objc 的析構(gòu)器,如果有析構(gòu)函數(shù),則需要做析構(gòu)邏輯, 如果沒(méi)有,則可以更快的釋放對(duì)象。
  • shiftcls:
    存儲(chǔ)類(lèi)指針的值。開(kāi)啟指針優(yōu)化的情況下，在 arm64 架構(gòu)中有 33 位用來(lái)存儲(chǔ)類(lèi)指針。x86下是44位。
  • magic:
    用于調(diào)試器判斷當(dāng)前對(duì)象是真的對(duì)象還是沒(méi)有初始化的空間。
  • weakly_referenced:
    標(biāo)志對(duì)象是否被指向或者曾經(jīng)指向一個(gè) ARC 的弱變量，沒(méi)有弱引用的對(duì)象可以更快釋放。
  • deallocating:
    標(biāo)志對(duì)象是否正在釋放內(nèi)存。
  • has_sidetable_rc:
    當(dāng)對(duì)象引用計(jì)數(shù)大于 10 時(shí)，則需要借用該變量存儲(chǔ)進(jìn)位。
  • extra_rc:
    表示該對(duì)象的引用計(jì)數(shù)值，實(shí)際上是引用計(jì)數(shù)值減 1， 例如，如果對(duì)象的引用計(jì)數(shù)為 10，那么 extra_rc 為 9。如果引用計(jì)數(shù)大于 10， 則需要使用到上面的 has_sidetable_rc。
    通過(guò)isa的結(jié)構(gòu)信息，我們也了解到了isa里主要存儲(chǔ)了哪些對(duì)象信息。
    驗(yàn)證shiftcls

x/4gx十六進(jìn)制輸出對(duì)象內(nèi)存前四個(gè)8字節(jié)內(nèi)存，4代表前4個(gè)。
p/t二進(jìn)制輸出。
p/d十進(jìn)制輸出。
p/o八進(jìn)制輸出。
p/x十六進(jìn)制輸出。
>>3<<3 先右移三位，再左移三位。相當(dāng)于把最右邊三位刪除，變?yōu)?。

從上圖可以看出person對(duì)象的類(lèi)信息存儲(chǔ)在了isa的4->47位內(nèi)存中，即shiftcls。

isa的指向分析

其實(shí)object_getClass方法是通過(guò)掩碼ISA_MASK來(lái)獲取對(duì)象的類(lèi)信息的。

//object_getClass獲取對(duì)象類(lèi)信息，最終會(huì)進(jìn)入到這里
inline Class 
objc_object::ISA() 
{
    assert(!isTaggedPointer()); 
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
    if (isa.nonpointer) {
        uintptr_t slot = isa.indexcls;
        return classForIndex((unsigned)slot);
    }
    return (Class)isa.bits;
#else
    //通過(guò)掩碼獲取isa的類(lèi)信息
    return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);
#endif
}

我們也可以通過(guò)ISA_MASK追蹤一下isa的指向。
首先，我們創(chuàng)建LGPerson和LGTeacher兩個(gè)類(lèi)，其中LGTeacher繼承與LGPerson，LGPerson繼承與NSObject。

創(chuàng)建類(lèi)
創(chuàng)建LGTeacher對(duì)象，打斷點(diǎn)。
斷點(diǎn)
isa指向流程分析
isa指向分析

isa的指向和superclass指向流程圖
isa&superClass指向圖

總結(jié)

  • isa在初始化的時(shí)候關(guān)聯(lián)到類(lèi)。
  • isa本身是一個(gè)聯(lián)合體；nonpointer類(lèi)型的isa包含了一個(gè)位域，除了分配類(lèi)信息外，還有一些其他的對(duì)象信息；位域的內(nèi)存分配和環(huán)境有關(guān)。
  • isa的指向：實(shí)例對(duì)象→類(lèi)→類(lèi)的元類(lèi)→NSObject的元類(lèi)→NSObject的元類(lèi)。
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