iOS-OC對象原理_NONPOINTER_ISA

前言

在前面的文章中我們探索了在iOS中alloc執(zhí)行流程，在流程中最后的_class_createInstanceFromZone()方法中，主要執(zhí)行如下：

  1. size = cls->instanceSize(extraBytes); 確認要開辟的空間大小
  2. obj = (id)calloc(1, size); 開辟空間
  3. obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor); 建立cls與isa的綁定。

這里文章就重點探索下initInstanceIsa()的內(nèi)部實現(xiàn)。

聯(lián)合體位域

聯(lián)合體：在進行某些算法的C語言編程的時候，需要使幾種不同類型的變量存放到同一段內(nèi)存單元中。也就是使用覆蓋技術(shù)，幾個變量互相覆蓋。這種幾個不同的變量共同占用一段內(nèi)存的結(jié)構(gòu)，在C語言中，被稱作“共用體”類型結(jié)構(gòu)，簡稱共用體，也叫聯(lián)合體。

union 共用體名{
    成員列表
};

共用體有時也被稱為聯(lián)合或者聯(lián)合體，這也是 Union 這個單詞的本意。

struct與union的區(qū)別

struct union
各個成員會占用不同的內(nèi)存，互相之間沒有影響 所有成員占用同一段內(nèi)存，修改一個成員會影響其余所有成員
結(jié)構(gòu)體占用的內(nèi)存大于等于所有成員占用的內(nèi)存的總和（成員之間可能會存在縫隙） 共用體占用的內(nèi)存等于最長的成員占用的內(nèi)存

位域：信息在存儲時，并不需要占用一個完整的字節(jié)， 而只需占幾個或一個二進制位。例如在存放一個開關(guān)量時，只有0和1 兩種狀態(tài)， 用一位二進位即可。為了節(jié)省存儲空間，并使處理簡便，C語言又提供了一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，稱為“位域”或“位段”。所謂“位域”是把一個字節(jié)中的二進位劃分為幾 個不同的區(qū)域， 并說明每個區(qū)域的位數(shù)。每個域有一個域名，允許在程序中按域名進行操作。 這樣就可以把幾個不同的對象用一個字節(jié)的二進制位域來表示。

聯(lián)合體+位域

// 聯(lián)合體
union
{
    uint8_t  value;
    //位域
    struct  
    {
        uint8_t  lowbit : 2;
        uint8_t  middlebit : 3;
        uint8_t  highbit : 3;
    }byte;
}data;

value和byte共用一個字節(jié)的內(nèi)存空間，改變value的值，那么byte的值也就改變了，同樣改變byte中的位（lowbit占2位， middlebit占3位，highbit也占3位;）value的值也就改變了；一般情況下，我們要得到value中的高三位的值，需要得到這樣（暫定高三位的值為x）x=(value>>5)&0x03,但是使用了位域，就可以直接得到了，省去了這樣的一個計算的過程。

int main(int argc, const char * argv[]) {
  @autoreleasepool {
     //聯(lián)合體
     union {
       uint8_t value;
       // 位域
       struct {
         uint8_t bit0:2;
         uint8_t bit1:3;
         uint8_t bit2:3;
       };
     }data1,data2; 
     
     data1.value = 20;    
      
     data2.bit0 = 3;
     data2.bit1 = 3;
     data2.bit2 = 0;
      
     printf("bit0 = %d\r\n",data1.bit0);
     printf("bit1 = %d\r\n",data1.bit1);
     printf("bit2 = %d\r\n",data1.bit2);
    
     printf("data1.value = %d\r\n",data1.value);
     printf("data2.value = %d\r\n",data2.value);
  }
}
console=>
bit0 = 0
bit1 = 5
bit2 = 0
data1.value = 20
data2.value = 15
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obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor):

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

    initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
}
核心進入 -> initIsa()
inline void 
objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor) 
{ 
    ASSERT(!isTaggedPointer()); 
    
    if (!nonpointer) {
        isa = isa_t((uintptr_t)cls);
    } else {
        ASSERT(!DisableNonpointerIsa);
        ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());

        isa_t newisa(0);
        
#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;
    }
}

isa_t:一個典型的聯(lián)合體位域結(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
};

ISA_BITFIELD:位域結(jié)構(gòu)分布宏定義(arm64和x86_64)

# 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

isa_t聯(lián)合體位域段位信息分布(轉(zhuǎn)載于Cooci)

以下是各段位字段注釋：
nonpointer:表示是否對 isa 指針開啟指針優(yōu)化 0:純isa指針，1:不止是類對象地址,isa 中包含了類信息、對象的引用計數(shù)等。
has_assoc:關(guān)聯(lián)對象標志位，0沒有，1存在。
has_cxx_dtor:該對象是否有 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, 如果沒有,則可以更快的釋放對象
shiftcls:存儲類指針的值。開啟指針優(yōu)化的情況下，在 arm64 架構(gòu)中有 33 位用來存儲類指針。（重要）
magic:用于調(diào)試器判斷當前對象是真的對象還是沒有初始化的空間
weakly_referenced:標志對象是否被指向或者曾經(jīng)指向一個 ARC 的弱變量，沒有弱引用的對象可以更快釋放。
deallocating:標志對象是否正在釋放內(nèi)存
has_sidetable_rc:當對象引用計數(shù)大于 10 時，則需要借用該變量存儲進位。
extra_rc:當表示該對象的引用計數(shù)值，實際上是引用計數(shù)值減 1， 例如，如果對象的引用計數(shù)為 10，那么 extra_rc 為 9。如果引用計數(shù)大于 10， 則需要使用到上面的 has_sidetable_rc。

到此，我們可以看出isa在其64bit的長度中，存儲了很多的信息；而廣義上的我們說isa其實讀取的是shiftcls段位的信息。如下：

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
    return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);  
#endif
}
isa經(jīng)典走位圖
isa流程圖.png

總結(jié)

以上僅為羅列筆記。

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