本文會闡述下面幾個問題

1、isa是什么
2、isa的內(nèi)存布局
3、Class與isa背后的設(shè)計

查看源碼（源碼版本objc4-781.2）

源碼地址
打開objc-private.h查看源碼，發(fā)現(xiàn)isa是一個聯(lián)合體，聯(lián)合體各個成員變量之間共享內(nèi)存，所以isa占8個字節(jié)

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
};

扒開這個宏定義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

如上isa_t聯(lián)合體在arm64和x86的語義字段完全相同并且都占用8個字節(jié)，但是內(nèi)存布局存在很大差異，本篇文章會以arm64為例展開介紹，所以isa_t長這樣，有三個成員變量cls，bits，和一個匿名結(jié)構(gòu)體，三者共享一塊內(nèi)存

union isa_t {
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }

    Class cls;
    uintptr_t bits;

    struct {
      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
    };
};

從Class的定義開始探究isa

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;

public:

    // ISA() assumes this is NOT a tagged pointer object
    Class ISA();

    // rawISA() assumes this is NOT a tagged pointer object or a non pointer ISA
    Class rawISA();

    // getIsa() allows this to be a tagged pointer object
    Class getIsa();
    
    uintptr_t isaBits() const;

    // initIsa() should be used to init the isa of new objects only.
    // If this object already has an isa, use changeIsa() for correctness.
    // initInstanceIsa(): objects with no custom RR/AWZ
    // initClassIsa(): class objects
    // initProtocolIsa(): protocol objects
    // initIsa(): other objects
    void initIsa(Class cls /*nonpointer=false*/);
    void initClassIsa(Class cls /*nonpointer=maybe*/);
    void initProtocolIsa(Class cls /*nonpointer=maybe*/);
    void initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor);

    // changeIsa() should be used to change the isa of existing objects.
    // If this is a new object, use initIsa() for performance.
    Class changeIsa(Class newCls);

    bool hasNonpointerIsa();
    bool isTaggedPointer();
    bool isBasicTaggedPointer();
    bool isExtTaggedPointer();
    bool isClass();

    // object may have associated objects?
    bool hasAssociatedObjects();
    void setHasAssociatedObjects();

    // object may be weakly referenced?
    bool isWeaklyReferenced();
    void setWeaklyReferenced_nolock();

    // object may have -.cxx_destruct implementation?
    bool hasCxxDtor();
    ...
};

我們來詳細的看下里面的函數(shù)源碼，首先看下isa的初始化函數(shù)，如下

inline void 
objc_object::initIsa(Class cls)
{
    initIsa(cls, false, false);
}

inline void 
objc_object::initClassIsa(Class cls)
{
    if (DisableNonpointerIsa  ||  cls->instancesRequireRawIsa()) {
        initIsa(cls, false/*not nonpointer*/, false);
    } else {
        initIsa(cls, true/*nonpointer*/, false);
    }
}

inline void
objc_object::initProtocolIsa(Class cls)
{
    return initClassIsa(cls);
}

inline void 
objc_object::initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor)
{
    ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());
    ASSERT(hasCxxDtor == cls->hasCxxDtor());

    initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
}

最終都會調(diào)用到objc_object::initIsa函數(shù)，精簡定義如下，省略了斷言和條件編譯不生效的部分

inline void 
objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor) 
{     
    if (!nonpointer) {
        isa = isa_t((uintptr_t)cls);
    } else {
        isa_t newisa(0);
        newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;
        newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
        newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;

        isa = newisa;
    }
}

我們來大概翻譯下這個函數(shù)，nonpointer占一個二進制位，用來標(biāo)識內(nèi)存是否是64位系統(tǒng)的布局，if 0函數(shù)直接賦值為cls地址，else初始化一個isa_t類型的newisa聯(lián)合體，分別對bits、has_cxx_dtor、shiftcls進行賦值，然后賦值給isa，所以cls是32位系統(tǒng)的類指針，而64位系統(tǒng)是bits通過位運算來獲取類指針的

isa的get函數(shù)與初始化函數(shù)對應(yīng)，不再贅述，摘出幾處重點說明，Apple的注釋還是那么的清晰

// object may have associated objects?
bool hasAssociatedObjects();
void setHasAssociatedObjects();

// object may be weakly referenced?
bool isWeaklyReferenced();
void setWeaklyReferenced_nolock();

// object may have -.cxx_destruct implementation?
bool hasCxxDtor();

hasAssociatedObjects可能有關(guān)聯(lián)對象，isWeaklyReferenced是否有弱引用，hasCxxDtor是否有c++析構(gòu)函數(shù)的實現(xiàn)

我們還是看下源碼，如下isa.nonpointer在64位系統(tǒng)是1，函數(shù)的返回值就是isa對應(yīng)的成員

inline bool
objc_object::hasAssociatedObjects()
{
    if (isTaggedPointer()) return true;
    if (isa.nonpointer) return isa.has_assoc;
    return true;
}

inline bool
objc_object::isWeaklyReferenced()
{
    ASSERT(!isTaggedPointer());
    if (isa.nonpointer) return isa.weakly_referenced;
    else return sidetable_isWeaklyReferenced();
}

inline bool
objc_object::hasCxxDtor()
{
    ASSERT(!isTaggedPointer());
    if (isa.nonpointer) return isa.has_cxx_dtor;
    else return isa.cls->hasCxxDtor();
}

isa的內(nèi)存布局

基于此，我們得出以下結(jié)論，重點看下上面的匿名結(jié)構(gòu)體，有9個成員變量，用位域來標(biāo)識

• nonpointer
  占一個二進制位，用來標(biāo)識內(nèi)存是否是64位系統(tǒng)的布局，0：純isa指針，1：不?是類對象地址,isa 中包含了類信息、對象的引?計數(shù)等
• has_assoc
  占用一個二進制位，標(biāo)識對象含有或者曾經(jīng)含有關(guān)聯(lián)對象
• has_cxx_dtor
  這一位表示當(dāng)前對象是否有c++析構(gòu)函數(shù)
• shiftcls
  占33位，用于存儲類地址
• magic
  占6位，標(biāo)識當(dāng)前對象是否已經(jīng)初始化
• weakly_referenced
  占1位，標(biāo)識當(dāng)前對象是否有弱引用
• deallocating
  占1位，標(biāo)識當(dāng)前對象是否正在釋放
• has_sidetable_rc 和 extra_rc
  分別占1位和19位用于存儲優(yōu)化引用計數(shù)

Class與isa背后的設(shè)計

這里有一篇文章寫得很好
放一張經(jīng)典圖片

class_isa.png

有關(guān)這張圖，網(wǎng)上解釋的很清楚了，這里想討論三個問題

• Apple為什么要設(shè)計meta class這個東西?
  假設(shè)沒有meta class這個東西，我們知道實例對象只存儲了成員變量的值和一個isa指針，對象調(diào)用方法是通過isa指針找到類，類對象存儲了方法列表等一系列通用結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)了方法繼承、緩存、調(diào)用等操作，這極大的節(jié)約了內(nèi)存，試問如果每個實例對象都存儲一遍方法列表，這將是多大的開銷，然而類方法放在哪里呢，我們知道OC方法調(diào)用是通過選擇器sel找到最終的imp函數(shù)指針，從而完成調(diào)用過程，那sel是什么呢，就是一個編碼過的字符串，如果有同名的類方法和實例方法怎么辦，sel相同，我們知道，這是無法通過編譯的，因為編譯器要做方法唯一性校驗，所以我們需要另外一個結(jié)構(gòu)來存儲類方法，meta class應(yīng)運而生

• 為什么NSObject（根類）的元類的isa指針指向的是根元類自己?
  這個問題可以反過來想，如果根元類的isa指向nil會有什么問題？
  isa指針指向的是自己的抽象工廠對象，自己若存在，則一級一級往上回溯，一定要是個閉環(huán)，試問如果訪問到某一層的時候發(fā)現(xiàn)是個nil，那么自己又是怎么存在的呢

• 為什么根元類的superclass指針指向NSObject，而NSObject的superclass指向的卻是nil？
  NSObject已經(jīng)是根類了，無從繼承了，所以NSObject的superclass指向nil，NSObject是被設(shè)計出來的根類，meta class作為類自然要從NSObject派生出來，以具備OC類的結(jié)構(gòu)與各種特性

最后

本篇討論了Class的isa指針，下篇打算討論下Class的方法查詢、轉(zhuǎn)發(fā)、緩存等機制