OC对象（三）-- isa结构分析

isa

实例对象在内存中首地址就是isa，其实就是用来表示对象的类是谁。c++

DZPerson *obj = [[DZPerson alloc] init];
obj.name = @"DZ";
NSLog(@"%@", obj.name);
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经过lldb打印obj的内存状况：经过调试，po一下obj首地址中的第一个值是DZPerson。说明isa中存储着实例对象对应的归宿类。api

isa结构

经过objc源码查看isa是一个联合体位域的形式，源码以下：markdown

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

    Class cls;
    uintptr_t bits;
#if defined(ISA_BITFIELD) //ISA_BITFIELD存在
    struct {
        ISA_BITFIELD;  // defined in isa.h
    };
#endif
};
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条件编译命令中的ISA_BITFIELD是存在的，因此后面的代码是会被编译进去的。接下来看看ISA_BITFIELD是如何定义的ide

# 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)
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这里使用条件编译命令区分__arm64__表明iOS。__x86_64__表明MAC
ISA_MASK：掩码，用于直接获取isa中类信息的。也就是经过掩码能够直接获得shiftcls
nonpointer：表示是否对isa指针开启指针优化
- 0：isa就是一个指针
- 1：isa不仅是一个简单的指针，里面还包含了类信息，引用计数等等信息。一般自定义的类实例对象都是这个类型。
has_assoc：是否有关联对象
has_cxx_dtor：是否有c++或Objc析构器
shiftcls：存储类指针的值。注意iOS和Mac中占用的位数不同
magic：⽤于调试器判断当前对象是真的对象仍是没有初始化的空间
weakly_referenced：对象有没有被若引用
deallocating：对象是否正在释放中
has_sidetable_rc：是否有引用计数散列表
extra_rc：提供给引用计数使用的。

扩展 - 联合体位域

联合体位域能够节省内存空间的开辟，举个例子：定义一个DZPeront类，里面含有四个属性，分别表明走路的四个方向优化

@interface DZPerson : NSObject
@property (assign, nonatomic) BOOL front;
@property (assign, nonatomic) BOOL back;
@property (assign, nonatomic) BOOL left;
@property (assign, nonatomic) BOOL right;
@end
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这四个属性都是BOOL类型，一个BOOL类型占用1个字节。所以须要内存开辟4字节的空间。BOOL类型其实就是两种值YES or NO，对应的二进制是0000 0001 or 0000 0000，如图： ui

若是把前面的几位利用上，就能够达到减小内存占用。使用联合体位域就能够实现这个目的。atom

union {
    char bits;
    struct{
        char front :1;
        char back :1;
        char left :1;
        char right :1;
    };
} _walkDirection;
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联合体（union）中还包含了一个结构体（struct），这个结构体中的成员后面跟着的冒号和数字，数字就是表明占用的位数（语法要求，这个要死记硬背），这个就是位域 须要注意：spa

案例中的数字“1”，表明占用1位。1位能够表达的两种状况：1和0。若是想表达“0-7”的值，那么就须要定义为“3”操作系统

位域中成员定义的位是按从低到高的方式存储的3d

nonuse	nonuse	nonuse	nonuse	right	left	back	front
0	0	0	0	1	1	1	1

上面的DZPerson能够修改为：

@interface DZPerson : NSObject{
    union {
        char bits;
        struct{
            char front :1;
            char back :1;
            char left :1;
            char right :1;
        };
    } _walkDirection;
}

- (void)setFront:(BOOL)isFront;
- (BOOL)isFront;

- (void)setBack:(BOOL)isBack;
- (BOOL)isBack;

@end

@implementation DZPerson

- (instancetype)init
{
    self = [super init];
    if (self) {
        _walkDirection.bits = 0b00000000;
    }
    return self;
}

- (void)setFront:(BOOL)isFront {
    if (isFront) {
        _walkDirection.bits |= kPersonWalkDirectionFrontMask;
    } else {
        _walkDirection.bits |= ~kPersonWalkDirectionFrontMask;
    }
}

- (BOOL)isFront {
    return _walkDirection.front;
}

- (void)setBack:(BOOL)isBack {
    _walkDirection.back = isBack;
}

- (BOOL)isBack {
    return _walkDirection.back;
}
@end

//调用
DZPerson *obj = [[DZPerson alloc] init];
[obj setFront:YES];
[obj setBack:YES];
NSLog(@"%@", obj.isFront ? @"YES": @"NO");
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查看obj内存状况，如图：此处内存中十六进制是0x3，由于调用代码设置的front和back，二进制表示:0b11

isa的赋值过程

实例alloc有重要的三步骤（不清楚的能够翻看以前的博客）

计算须要分类的空间大小：size = cls->instanceSize(extraBytes);
calloc分配内存：obj = (id)calloc(1, size);
实例对象的初始化：obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor);

此处主要聊聊第三部作了什么：

static ALWAYS_INLINE id
_class_createInstanceFromZone(Class cls, size_t extraBytes, void *zone,
                              int construct_flags = OBJECT_CONSTRUCT_NONE,
                              bool cxxConstruct = true,
                              size_t *outAllocatedSize = nil)
{
    ...//省略不关心代码
    size = cls->instanceSize(extraBytes);
    ...//省略不关心代码 
    obj = (id)calloc(1, size);
    ...//省略不关心代码
    
    //核心入口,加星标记🦍🦍🦍🦍🦍🦍🦍🦍 
    obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor);
    //🦍🦍🦍🦍🦍🦍🦍🦍 
    
    ...//省略不关心代码
    return object_cxxConstructFromClass(obj, cls, construct_flags);
}

⏬⏬⏬

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

    initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
}

⏬⏬⏬

inline void objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor) { 
    ASSERT(!isTaggedPointer()); 
    
    if (!nonpointer) {//传入参数是true，不会走这个分支
        ......
    } else {
        ASSERT(!DisableNonpointerIsa);
        ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());

        //核心入口 👨‍💻‍
        isa_t newisa(0);
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
        ASSERT(cls->classArrayIndex() > 0);
        newisa.bits = ISA_INDEX_MAGIC_VALUE;
        newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
        newisa.indexcls = (uintptr_t)cls->classArrayIndex();
#else
        newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;
        newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
        newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;
#endif
        isa = newisa;
    }
}
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核心研究的地方就是对isa中的位进行赋值，注意类的相关信息赋值在newisa.shiftcls位中。

简要流程图：

st=>start: isa_t newisa(0);
cond=>condition: SUPPORT_INDEXED_ISA
op1=>operation: arm64中isa的位赋值
op2=>operation: x86_64中isa的位赋值
e=>end
st->cond
cond(yes)->op1->e
cond(no)->op2->e
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扩展 - 获取isa中的类信息

runtime的api中提供了获取对象类方法object_getClass，接下来研究一下源码的实现：

Class object_getClass(id obj) {
    if (obj) return obj->getIsa();
    else return Nil;
}

⏬⏬⏬

inline Class objc_object::getIsa() {
    if (fastpath(!isTaggedPointer())) return ISA();
    ......
    //省略无关代码
}

⏬⏬⏬

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
    //核心入口 👨‍💻‍
    return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);
#endif
}
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最后调用的是isa.bits & ISA_MASK，这一步获取的就是isa中shiftcls的值（ISA_MASK上面有讲过，是个宏，在不一样操做系统定义的值也不一样）。
获得的值进行Class类型强转，这也是为何咱们在看相关源码中，isa都是定义成Class类型缘由。