該文章屬于劉小壯原創(chuàng)，轉(zhuǎn)載請注明：劉小壯
NSObject
之前的定義
在OC1.0中，Runtime很多定義都寫在NSObject.h文件中，如果之前研究過Runtime的同學(xué)可以應(yīng)該見過下面的定義，定義了一些基礎(chǔ)的信息。
// 聲明Class和id
typedef struct objc_class *Class;
typedef struct objc_object *id;
// 聲明常用變量
typedef struct objc_method *Method;
typedef struct objc_ivar *Ivar;
typedef struct objc_category *Category;
typedef struct objc_property *objc_property_t;
// objc_object和objc_class
struct objc_object {
Class _Nonnull isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
struct objc_class {
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#if !__OBJC2__
Class super_class OBJC2_UNAVAILABLE;
const char *name OBJC2_UNAVAILABLE;
long version OBJC2_UNAVAILABLE;
long info OBJC2_UNAVAILABLE;
long instance_size OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_ivar_list *ivars OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_method_list **methodLists OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_cache *cache OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_protocol_list *protocols OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;
之前的Runtime結(jié)構(gòu)也比較簡單，都是一些很直接的結(jié)構(gòu)體定義，現(xiàn)在新版的Runtime在操作的時候，各種地址偏移操作和位運算。
之后的定義
后來可能蘋果也不太想讓開發(fā)者知道Runtime內(nèi)部的實現(xiàn)，所以就把源碼定義從NSObject中搬到Runtime中了。而且之前的定義也不用了，通過OBJC_TYPES_DEFINED預(yù)編譯指令，將之前的代碼廢棄調(diào)了。
現(xiàn)在NSObject中的定義非常簡單，直接就是一個Class類型的isa變量，其他信息都隱藏起來了。
@interface NSObject <NSObject> {
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wobjc-interface-ivars"
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#pragma clang diagnostic pop
}
這是最新的一些常用Runtime定義，和之前的定義也不太一樣了，用了最新的結(jié)構(gòu)體對象，之前的結(jié)構(gòu)體也都廢棄了。
typedef struct objc_class *Class;
typedef struct objc_object *id;
typedef struct method_t *Method;
typedef struct ivar_t *Ivar;
typedef struct category_t *Category;
typedef struct property_t *objc_property_t;
對象結(jié)構(gòu)體
objc_object定義
在OC中每個對象都是一個結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)體中都包含一個isa的成員變量，其位于成員變量的第一位。isa的成員變量之前都是Class類型的，后來蘋果將其改為isa_t。
struct objc_object {
private:
isa_t isa;
};
OC中的類和元類也是一樣，都是結(jié)構(gòu)體構(gòu)成的。由于類的結(jié)構(gòu)體定義繼承自objc_object，所以其也是一個對象，并且具有對象的isa特征。
所以可以通過isa_t來查找對應(yīng)的類或元類，查找方法應(yīng)該是通過uintptr_t類型的bits，通過按位操作來查找isa_t指向的類的地址。
實例對象或類對象的方法，并不會定義在各個對象中，而是都定義在isa_t指向的類中。查找到對應(yīng)的類后，通過類的class_data_bits_t類型的bits結(jié)構(gòu)體查找方法，對象、類、元類都是同樣的查找原理。
isa_t定義
isa_t是一個union的結(jié)構(gòu)對象，union類似于C++結(jié)構(gòu)體，其內(nèi)部可以定義成員變量和函數(shù)。在isa_t中定義了cls、bits、isa_t三部分，下面的struct結(jié)構(gòu)體就是isa_t的結(jié)構(gòu)體構(gòu)成。
下面對isa_t中的結(jié)構(gòu)體進行了位域聲明，地址從nonpointer起到extra_rc結(jié)束，從低到高進行排列。位域也是對結(jié)構(gòu)體內(nèi)存布局進行了一個聲明，通過下面的結(jié)構(gòu)體成員變量可以直接操作某個地址。位域總共占8字節(jié)，所有的位域加在一起正好是64位。
小提示：union中bits可以操作整個內(nèi)存區(qū)，而位域只能操作對應(yīng)的位。
下面的代碼是不完整代碼，只保留了arm64部分，其他部分被忽略掉了。
union isa_t
{
isa_t() { }
isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
Class cls;
uintptr_t bits;
# if __arm64__
# define ISA_MASK 0x0000000ffffffff8ULL
# define ISA_MAGIC_MASK 0x000003f000000001ULL
# define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL
struct {
uintptr_t nonpointer : 1; // 是32位還是64位
uintptr_t has_assoc : 1; // 對象是否含有或曾經(jīng)含有關(guān)聯(lián)引用，如果沒有關(guān)聯(lián)引用，可以更快的釋放對象
uintptr_t has_cxx_dtor : 1; // 表示是否有C++析構(gòu)函數(shù)或OC的析構(gòu)函數(shù)
uintptr_t shiftcls : 33; // 對象指向類的內(nèi)存地址，也就是isa指向的地址
uintptr_t magic : 6; // 對象是否初始化完成
uintptr_t weakly_referenced : 1; // 對象是否被弱引用或曾經(jīng)被弱引用
uintptr_t deallocating : 1; // 對象是否被釋放中
uintptr_t has_sidetable_rc : 1; // 對象引用計數(shù)太大，是否超出存儲區(qū)域
uintptr_t extra_rc : 19; // 對象引用計數(shù)
# define RC_ONE (1ULL<<45)
# define RC_HALF (1ULL<<18)
};
# elif __x86_64__
// ····
# else
// ····
# endif
};
在ARM64架構(gòu)下，isa_t以以下結(jié)構(gòu)進行布局。在不同的CPU架構(gòu)下，布局方式會有所不同，但參數(shù)都是一樣的。
類結(jié)構(gòu)體
objc_class結(jié)構(gòu)體
在Runtime中類也是一個對象，類的結(jié)構(gòu)體objc_class是繼承自objc_object的，具備對象所有的特征。在objc_class中定義了三個成員變量，superclass是一個objc_class類型的指針，指向其父類的objc_class結(jié)構(gòu)體。cache用來處理已調(diào)用方法的緩存。
bits是objc_class的主角，其內(nèi)部只定義了一個uintptr_t類型的bits成員變量，存儲了class_rw_t的地址。bits中還定義了一些基本操作，例如獲取class_rw_t、raw isa狀態(tài)、是否swift等函數(shù)。objc_class結(jié)構(gòu)體中定義的一些函數(shù)，其內(nèi)部都是通過bits實現(xiàn)的。
struct objc_class : objc_object {
// Class ISA;
Class superclass;
cache_t cache;
class_data_bits_t bits;
class_rw_t *data() {
return bits.data();
}
void setData(class_rw_t *newData) {
bits.setData(newData);
}
// .....
}
從objc_class的源碼可以看出，可以通過bits結(jié)構(gòu)體的data()函數(shù)，獲取class_rw_t指針。我們進入源代碼中看一下，可以看出是通過對uintptr_t類型的bits變量，做位運算查找對應(yīng)的值。
class_rw_t* data() {
return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
}
uintptr_t本質(zhì)上是一個unsigned long的typedef，unsigned long在64位處理器中占8字節(jié)，正好是64位二進制。通過FAST_DATA_MASK轉(zhuǎn)換為二進制后，是取bits中的47-3的位置，正好是取出class_rw_t指針。
在OC中一個指針的長度是47，例如打印一個UIViewController的地址是0x7faf1b580450，轉(zhuǎn)換為二進制是11111111010111100011011010110000000010001010000，最后面三位是占位的，所以在取地址的時候會忽略最后三位。
// 查找第0位，表示是否swift
#define FAST_IS_SWIFT (1UL<<0)
// 當(dāng)前類或父類是否定義了retain、release等方法
#define FAST_HAS_DEFAULT_RR (1UL<<1)
// 類或父類需要初始化isa
#define FAST_REQUIRES_RAW_ISA (1UL<<2)
// 數(shù)據(jù)段的指針
#define FAST_DATA_MASK 0x00007ffffffffff8UL
// 11111111111111111111111111111111111111111111000 總共47位
因為在bits中最后三位是沒用的，所以可以用來存儲一些其他信息。在class_data_bits_t還定義了三個宏，用來對后三位做位運算。
class_ro_t和class_rw_t
和class_data_bits_t相關(guān)的有兩個很重要結(jié)構(gòu)體，class_rw_t和class_ro_t，其中都定義著method list、protocol list、property list等關(guān)鍵信息。
struct class_rw_t {
uint32_t flags;
uint32_t version;
const class_ro_t *ro;
method_array_t methods;
property_array_t properties;
protocol_array_t protocols;
Class firstSubclass;
Class nextSiblingClass;
char *demangledName;
};
在編譯后class_data_bits_t指向的是一個class_ro_t的地址，這個結(jié)構(gòu)體是不可變的(只讀)。在運行時，才會通過realizeClass函數(shù)將bits指向class_rw_t。
struct class_ro_t {
uint32_t flags;
uint32_t instanceStart;
uint32_t instanceSize;
uint32_t reserved;
const uint8_t * ivarLayout;
const char * name;
method_list_t * baseMethodList;
protocol_list_t * baseProtocols;
const ivar_list_t * ivars;
const uint8_t * weakIvarLayout;
property_list_t *baseProperties;
};
在程序開始運行后會初始化Class，在這個過程中，會把編譯器存儲在bits中的class_ro_t取出，然后創(chuàng)建class_rw_t，并把ro賦值給rw，成為rw的一個成員變量，最后把rw設(shè)置給bits，替代之前bits中存儲的ro。除了這些操作外，還會有一些其他賦值的操作，下面是初始化Class的精簡版代碼。
static Class realizeClass(Class cls)
{
const class_ro_t *ro;
class_rw_t *rw;
Class supercls;
Class metacls;
bool isMeta;
if (!cls) return nil;
if (cls->isRealized()) return cls;
ro = (const class_ro_t *)cls->data();
rw = (class_rw_t *)calloc(sizeof(class_rw_t), 1);
rw->ro = ro;
rw->flags = RW_REALIZED|RW_REALIZING;
cls->setData(rw);
isMeta = ro->flags & RO_META;
rw->version = isMeta ? 7 : 0;
supercls = realizeClass(remapClass(cls->superclass));
metacls = realizeClass(remapClass(cls->ISA()))
cls->superclass = supercls;
cls->initClassIsa(metacls);
cls->setInstanceSize(ro->instanceSize);
if (supercls) {
addSubclass(supercls, cls);
} else {
addRootClass(cls);
}
methodizeClass(cls);
return cls;
}
在上面的代碼中我們還發(fā)現(xiàn)了兩個函數(shù)，addRootClass和addSubclass函數(shù)，這兩個函數(shù)的職責(zé)是將某個類的子類串成一個列表，大致是下面的鏈接順序。由此可知，我們是可以通過class_rw_t，獲取到當(dāng)前類的所有子類。
superClass.firstSubclass -> subClass1.nextSiblingClass -> subClass2.nextSiblingClass -> ...
初始化rw和ro之后，rw的method list、protocol list、property list都是空的，需要在下面methodizeClass函數(shù)中進行賦值。函數(shù)中會把ro的list都取出來，然后賦值給rw，如果在運行時動態(tài)修改，也是對rw做的操作。所以ro中存儲的是編譯時就已經(jīng)決定的原數(shù)據(jù)，rw才是運行時動態(tài)修改的數(shù)據(jù)。
static void methodizeClass(Class cls)
{
bool isMeta = cls->isMetaClass();
auto rw = cls->data();
auto ro = rw->ro;
method_list_t *list = ro->baseMethods();
if (list) {
prepareMethodLists(cls, &list, 1, YES, isBundleClass(cls));
rw->methods.attachLists(&list, 1);
}
property_list_t *proplist = ro->baseProperties;
if (proplist) {
rw->properties.attachLists(&proplist, 1);
}
protocol_list_t *protolist = ro->baseProtocols;
if (protolist) {
rw->protocols.attachLists(&protolist, 1);
}
if (cls->isRootMetaclass()) {
// root metaclass
addMethod(cls, SEL_initialize, (IMP)&objc_noop_imp, "", NO);
}
// Attach categories.
category_list *cats = unattachedCategoriesForClass(cls, true /*realizing*/);
attachCategories(cls, cats, false /*don't flush caches*/);
}
假設(shè)創(chuàng)建一個類LXZObject，繼承自NSObject，并為其加入一個testMethod方法，不做其他操作。因為在編譯后objc_class的bits對應(yīng)的是class_ro_t結(jié)構(gòu)體，所以我們打印一下結(jié)構(gòu)體的成員變量，看一下編譯后的class_ro_t是什么樣的。
struct class_ro_t {
flags = 128
instanceStart = 8
instanceSize = 8
reserved = 0
ivarLayout = 0x0000000000000000 <no value available>
name = 0x0000000100000f7a "LXZObject"
baseMethodList = 0x00000001000010c8
baseProtocols = 0x0000000000000000
ivars = 0x0000000000000000
weakIvarLayout = 0x0000000000000000 <no value available>
baseProperties = 0x0000000000000000
}
經(jīng)過打印可以看出，一個類的class_ro_t中只會包含當(dāng)前類的信息，不會包含其父類的信息，在LXZObject類中只會包含name和baseMethodList兩個字段，而baseMethodList中只有一個testMethod方法。由此可知，class_rw_t結(jié)構(gòu)體也是一樣的。
初始化過程
下面是已經(jīng)初始化后的isa_t結(jié)構(gòu)體的布局，以及各個結(jié)構(gòu)體成員在結(jié)構(gòu)體中的位置。
union經(jīng)常配合結(jié)構(gòu)體使用，第一次使用union就是對結(jié)構(gòu)體區(qū)域做初始化。在對象初始化時，會對isa_t的bits字段賦值為ISA_MAGIC_VALUE，這就是對union聯(lián)合體初始化的過程。
// 在objc-723中已經(jīng)沒有了
inline void objc_object::initIsa(Class cls, bool indexed, bool hasCxxDtor)
{
if (!indexed) {
isa.cls = cls;
} else {
isa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;
isa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
isa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;
}
}
在對象通過initIsa()函數(shù)初始化時，會通過ISA_MAGIC_VALUE對isa進行初始化。ISA_MAGIC_VALUE是一個16進制的值，將其轉(zhuǎn)換為二進制后，會發(fā)現(xiàn)ISA_MAGIC_VALUE是對nonpointer和magic做初始化。
nonpointer是對之前32位處理器的兼容。在訪問對象所屬的類時，如果是32位則返回之前的isa指針地址，否則表示是64位處理器，則返回isa_t結(jié)構(gòu)體。
# define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL
二進制：11010000000000000000000000000000000000001
補全二進制：23個零+11010000000000000000000000000000000000001
隨后會通過位域，對has_cxx_dtor和shiftcls做初始化，這時候就已經(jīng)有四個字段被初始化了。has_cxx_dtor表示是否有C++或OC的析構(gòu)方法，在打印方法列表時，經(jīng)常能看到一個名為.cxx_destruct的方法，就和這個字段有關(guān)系。
在計算機中為了對存儲區(qū)(Memory or Disk)讀取方便，所以在寫入和讀取時，會對內(nèi)存有對其操作。一般是以字節(jié)為單位進行對其，這樣也是對讀寫速度的優(yōu)化。在對shiftcls進行賦值時，對Class的指針進行了位移操作，向右位移三位。這是因為類指針為了內(nèi)存對其，將最后三位用0填充，所以這三位是沒有意義的。
isa結(jié)構(gòu)體
0000000001011101100000000000000100000000001110101110000011111001
0x5d8001003ae0f8
類對象地址
100000000001110101110000011111000
0x1003ae0f8
將類對象地址右移三位為100000000001110101110000011111，正好符合isa_t地址中shiftcls的部分，前面不足補零。
外界獲取Class時，應(yīng)該通過ISA()函數(shù)，而不是像之前一樣直接訪問isa指針。在ISA()函數(shù)中，是對isa_t的結(jié)構(gòu)體做與運算，是通過ISA_MASK宏進行的，轉(zhuǎn)換為二進制的話，正好是把shiftcls的地址取出來。
inline Class
objc_object::ISA()
{
return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);
}
#define ISA_MASK 0x0000000ffffffff8ULL
111111111111111111111111111111111000
Tagged Pointer
從iPhone5s開始，iOS設(shè)備開始引入了64位處理器，之前的處理器一直都是32位的。
但是在64位處理器中，指針長度以及一些變量所占內(nèi)存都發(fā)生了改變，32位一個指針占用4字節(jié)，但64位一個指針占用8字節(jié)；32位一個long占用4字節(jié)，64位一個long占用8字節(jié)等，所以在64位上內(nèi)存占用會多出很多。
蘋果為了優(yōu)化這個問題，推出了Tagged Pointer新特性。之前一個指針指向一個地址，而Tagged Pointer中一個指針就代表一個值，以NSNumber為例。
NSNumber *number1 = @1;
NSNumber *number2 = @3;
NSNumber *number3 = @54;
// 輸出
(lldb) p number1
(__NSCFNumber *) $3 = 0xb000000000000012 (int)1
(lldb) p number2
(__NSCFNumber *) $4 = 0xb000000000000032 (int)3
(lldb) p number3
(__NSCFNumber *) $5 = 0xb000000000000362 (int)54
通過上面代碼可以看出，使用了Tagged Pointer新特性后，指針中就存儲著對象的值。例如一個值為1的NSNumber，指針就是0xb000000000000012，如果拋去前面的0xb和后面的2，中間正好就是16進制的值。
蘋果通過Tagged Pointer的特性，明顯的提升了執(zhí)行效率并節(jié)省了很多內(nèi)存。在64位處理器下，內(nèi)存占用減少了將近一半，執(zhí)行效率也大大提升。由于通過指針來直接表示數(shù)值，所以沒有了malloc和free的過程，對象的創(chuàng)建和銷毀速度提升幾十倍。
isa_t
對于對象指針也是一樣，在OC1.0時代isa是一個真的指針，指向一個堆區(qū)的地址。而OC2.0時代，一個指針長度是八字節(jié)也就是64位，在64位中直接存儲著對象的信息。當(dāng)查找對象所屬的類時，直接在isa指針中進行位運算即可，而且由于是在棧區(qū)進行操作，查找速度是非?？斓?。
struct {
uintptr_t nonpointer : 1;
uintptr_t has_assoc : 1;
uintptr_t has_cxx_dtor : 1;
uintptr_t shiftcls : 33;
uintptr_t magic : 6;
uintptr_t weakly_referenced : 1;
uintptr_t deallocating : 1;
uintptr_t has_sidetable_rc : 1;
uintptr_t extra_rc : 19;
};
例如isa_t本質(zhì)上是一個結(jié)構(gòu)體，如果創(chuàng)建結(jié)構(gòu)體再用指針指向這個結(jié)構(gòu)體，內(nèi)存占用是很大的。但是Tagged Pointer特性中，直接把結(jié)構(gòu)體的值都存儲到指針中，這就相當(dāng)節(jié)省內(nèi)存了。
蘋果不允許直接訪問isa指針，和Tagged Pointer也是有關(guān)系的。因為在Tagged Pointer的情況下，isa并不是一個指針指向另一塊內(nèi)存區(qū)，而是直接表示對象的值，所以通過直接訪問isa獲取到的信息是錯誤的。
簡書由于排版的問題，閱讀體驗并不好，布局、圖片顯示、代碼等很多問題。所以建議到我Github上，下載Runtime PDF合集。把所有Runtime文章總計九篇，都寫在這個PDF中，而且左側(cè)有目錄，方便閱讀。
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