iOS-底层原理 07：isa与类关联的原理

所以

isa

中通过

初始化

后的

成员

的

值变化过程

，如下图所示

iOS-底层原理 07：isa与类关联的原理

>iOS 底层原理文章汇总

本文的主要目的是理解类与isa是如何关联的

在介绍正文之前，首先需要理解一个概念：

OC对象

的

本质

是什么？

OC对象本质

在探索oc对象本质前，先了解一个编译器：

clang

Clang

clang 是一个由 Apple 主导编写，基于 LLVM 的 C/C++/OC的编译器
主要是用于 底层编译 ，将一些文件``输出成 c++文件 ，例如 main.m 输出成 main.cpp ，其目的是为了更好的观察 底层 的一些 结构 及 实现 的逻辑，方便理解底层原理。

探索对象本质

在 main 中自定义一个类 LGPerson ，有一个属性name

@interface LGPerson : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@end

@implementation LGPerson
@end

通过终端，利用 clang 将 main.m 编译成 main.cpp ，有以下几种编译命令，这里使用的是第一种

//1、将 main.m 编译成 main.cpp
clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp

//2、将 ViewController.m 编译成  ViewController.cpp
clang -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-13.0.0 -isysroot / /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator13.7.sdk ViewController.m

//以下两种方式是通过指定架构模式的命令行，使用xcode工具 xcrun
//3、模拟器文件编译
- xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp 

//4、真机文件编译
- xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main- arm64.cpp

打开编译好的main.cpp，找到 LGPerson 的定义，发现 LGPerson 在底层会被编译成 struct 结构体
- LGPerson_IMPL 中的第一个属性其实就是 isa ，是继承自 NSObject ，属于 伪继承 ，伪继承的 方式 是直接将 NSObject 结构体定义为 LGPerson 中的 第一个属性 ，意味着 LGPerson 拥有 NSObject 中的 所有成员变量 。
- LGPerson 中的第一个属性 NSObject_IVARS 等效于 NSObject 中的 isa

//NSObject的定义
@interface NSObject <NSObject> {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
}

//NSObject 的底层编译
struct NSObject_IMPL {
	Class isa;
};

//LGPerson的底层编译
struct LGPerson_IMPL {
	struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS; // 等效于 Class isa;
	NSString *_name;
};

如下图所示

iOS-底层原理 07：isa与类关联的原理

通过上述分析，理解了OC对象的本质，但是看到

NSObject

的定义，会产生一个疑问：为什么

isa

的类型是

Class

在iOS-底层原理 02：alloc & init & new 源码分析文章中，提及过 alloc 方法的核心之一的 initInstanceIsa 方法，通过查看这个方法的源码实现，我们发现，在初始化 isa 指针时，是通过 isa_t 类型初始化的，
而在 NSObject 定义中isa的类型是 Class ，其根本原因是由于 isa 对外反馈的是 类信息 ，为了让开发人员更加 清晰明确 ，需要在 isa 返回时做了一个 类型强制转换 ，类似于 swift 中的 as 的强转。源码中 isa 的 强转 如下图所示

iOS-底层原理 07：isa与类关联的原理

总结

所以从上述探索过程中可以得出：

OC对象的本质 其实就是 结构体
LGPerson 中的 isa 是继承自 NSObject 中的 isa

objc_setProperty 源码探索

除了

LGPersong

的底层定义，我们发现还有属性

name

对应的

set

和

get

方法，如下图所示，其中

set

方法的实现依赖于runtime中的

objc_setProperty

。

iOS-底层原理 07：isa与类关联的原理

可以通过以下步骤来一步步解开

objc_setProperty

的底层实现

在objc4-781中全局搜索 objc_setProperty ，找到 objc_setProperty 的源码实现

iOS-底层原理 07：isa与类关联的原理
进入 reallySetProperty 的源码实现，其方法的原理就是 新值retain，旧值release

iOS-底层原理 07：isa与类关联的原理

总结

通过对

objc_setProperty

的底层源码探索，有以下几点说明：

objc_setProperty 方法的目的适用于 关联上层 的 set 方法以及 底层 的 set 方法，其本质就是一个 接口
这么设计的 原因 是， 上层 的 set 方法有很多，如果 直接调用底层set 方法中，会产生很多的 临时变量 ，当你想 查找 一个sel时，会非常 麻烦
基于上述原因，苹果采用了 适配器设计模式（即将底层接口适配为客户端需要的接口） ， 对外 提供一个 接口 ，供上层的set方法使用， 对内 调用底层的 set方法 ，使其相互不受影响，即 无论上层怎么变，下层都是不变的 ，或者 下层的变化也无法影响上层 ，主要是达到上下层接口隔离的目的

下图是上层、隔离层、底层之间的关系

iOS-底层原理 07：isa与类关联的原理

cls 与类的关联原理

在在iOS-底层原理 02：alloc & init & new 源码分析与iOS-底层原理 05：内存对齐原理中分别分析了alloc中3核心的前两个，今天来探索

initInstanceIsa

是如何将

cls

与

isa

关联的

在此之前，需要先了解什么是

联合体

，为什么

isa

的类型

isa_t

是使用

联合体定义

联合体（union）

构造数据类型的方式有以下两种：

结构体 （ struct ）
联合体 （ union ，也称为 共用体 ）

结构体

结构体

是指把不

同的数据组合成一个整体

，其

变量

是

共存

的，变量不管是否使用，都会分配内存。

缺点：所有属性都分配内存，比较 浪费内存 ，假设有4个int成员，一共分配了 16 字节的内存，但是在使用时，你只使用了 4 字节，剩余的 12 字节就是属于内存的浪费
优点：存储 容量较大 ， 包容性强 ，且成员之间 不会相互影响

联合体

联合体也是由

不同的数据类型组成

，但其变量是

互斥

的，所有的成员

共占一段内存

。而且

共用体

采用了

内存覆盖技术

，

同一时刻只能保存一个成员的值

，如果

对新的成员赋值

，就会将

原来成员的值覆盖掉

缺点：，包容性弱
优点：所有成员共用一段内存，使内存的使用更为精细灵活，同时也节省了内存空间

两者的区别

内存占用情况
- 结构体的 各个成员会占用不同的内存 ，互相之间 没有影响
- 共用体的 所有成员占用同一段内存 ，修改一个成员会 影响 其余所有成员
内存分配大小
- 结构体内存 >= 所有成员占用的 内存总和 （成员之间可能会有缝隙）
- 共用体 占用的 内存 等于 最大的成员 占用的 内存

isa的类型 isa_t

以下是isa指针的类型

isa_t

的定义，从定义中可以看出是通过

联合体（union）

定义的。

union isa_t { //联合体
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
    //提供了cls 和 bits ，两者是互斥关系
    Class cls;
    uintptr_t bits;
#if defined(ISA_BITFIELD)
    struct {
        ISA_BITFIELD;  // defined in isa.h
    };
#endif
};

isa_t

类型使用

联合体

的原因也是基于

内存优化

的考虑，这里的内存优化是指在isa指针中通过

char + 位域

（即二进制中每一位均可表示不同的信息）的原理实现。通常来说，

isa指针

占用的内存大小是

字节，即

位，已经足够存储很多的信息了，这样可以极大的节省内存，以提高性能

从

isa_t

的定义中可以看出：

提供了两个成员， cls 和 bits ，由联合体的定义所知，这两个成员是 互斥 的，也就意味着，当初始化isa指针时，有两种初始化方式
- 通过 cls 初始化， bits无默认值
- 通过 bits 初始化， cls有默认值
还提供了一个结构体定义的 位域 ，用于存储类信息及其他信息，结构体的成员 ISA_BITFIELD ，这是一个 宏 定义，有两个版本 __arm64__ （对应ios 移动端）和 __x86_64__ （对应macOS），以下是它们的一些宏定义，如下图所示

iOS-底层原理 07：isa与类关联的原理
- nonpointer 有两个值，表示自定义的类等，占 1 位
  - ： 纯isa指针
  - 1 ：不只是 类对象地址 ，isa中包含了 类信息 、对象的 引用计数 等
- has_assoc 表示 关联对象标志 位，占 1 位
  - ： 没有关联 对象
  - 1 ： 存在关联 对象
- has_cxx_dtor 表示该对象是否有C++/OC的 析构器 （类似于 dealloc ），占 1 位
  - 如果 有 析构函数，则需要 做析构 逻辑
  - 如果 没有 ，则可以更快的 释放 对象
- shiftclx 表示 存储类的指针的值 （类的地址），即类信息
  - arm64 中占 33 位，开启指针优化的情况下，在arm64架构中有 33 位用来存储类指针
  - x86_64 中占 44 位
- magic 用于调试器判断当前对象是 真的对象 还是 没有初始化的空间 ，占 6 位
- weakly_refrenced 是指对象 是否被指向 或者 曾经指向一个ARC的弱变量
  - 没有弱引用的对象可以更快释放
- deallocating 标志对象是 是否正在释放 内存
- has_sidetable_rc 表示当对象 引用计数大于10 时，则需要 借用该变量存储进位
- extra_rc （额外的引用计数） — 导尿管表示该 对象的引用计数值 ，实际上是引用计数值减1
  - 如果对象的 引用计数为10 ，那么 extra_rc 为9

针对两种不同平台，其

isa

的存储情况如图所示

iOS-底层原理 07：isa与类关联的原理

原理探索

通过 alloc --> _objc_rootAlloc --> callAlloc --> _objc_rootAllocWithZone --> _class_createInstanceFromZone 方法路径，查找到 initInstanceIsa ，并进入其原理实现

inline void 
objc_object::initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor)
{
    ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());
    ASSERT(hasCxxDtor == cls->hasCxxDtor());
    //初始化isa
    initIsa(cls, true, hasCxxDtor); 
}

进入 initIsa 方法的源码实现，主要是初始化isa指针

iOS-底层原理 07：isa与类关联的原理
该方法的逻辑主要分为两部分
- 通过 cls 初始化 isa
- 通过 bits 初始化 isa

验证 isa指针位域（0-64）

根据前文提及的

0-64

位域，可以在这里通过

initIsa

方法中证明有isa指针中有这些位域（目前是处于

macOS

，所以使用的是

x86_64

）

首先通过main中的 LGPerson 断点 --> initInstanceIsa --> initIsa --> 走到 else 中的 isa 初始化

iOS-底层原理 07：isa与类关联的原理
执行lldb命令： p newisa ，得到 newisa 的详细信息

iOS-底层原理 07：isa与类关联的原理
继续往下执行，走到 newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE; 下一行，表示为 isa 的 bits 成员赋值，重新执行lldb命令 p newisa ，得到的结果如下

iOS-底层原理 07：isa与类关联的原理
通过与前一个newsize的信息对比，发现isa指针中有一些变化，如下图所示

iOS-底层原理 07：isa与类关联的原理
- 其中 magic 是 59 是由于将 isa 指针地址转换为 二进制 ，从 47 （因为前面有4个位域，共占用47位，地址是从0开始）位开始读取 6 位，再转换为 十进制 ，如下图所示
  
  iOS-底层原理 07：isa与类关联的原理

`isa` 与 `类` 的关联

cls

与

isa

关联

原理

就是

isa

指针中的

shiftcls

位域中存储了

类信息

，其中

initInstanceIsa

的过程是将

calloc

指针和当前的

类cls

关联起来，有以下几种验证方式：

【方式一】通过 initIsa 方法中的 newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3; 验证
【方式二】通过 isa指针地址 与 ISA_MSAK 的值 & 来验证
【方式三】通过runtime的方法 object_getClass 验证
【方式四】通过 位运算 验证

方式一：通过 initIsa 方法

运行至 newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3; 前一步，其中 shiftcls 存储当前 类的值信息
- 此时查看 cls ，是 LGPerson 类
- shiftcls 赋值的逻辑是将 LGPerson 进行编码后， 右移3 位
  
  iOS-底层原理 07：isa与类关联的原理
执行lldb命令 p (uintptr_t)cls ，结果为 (uintptr_t) $2 = 4294975720 ,再右移三位，有以下两种方式（任选其一），将得到 536871965 存储到 newisa 的 shiftcls 中
- p (uintptr_t)cls >> 3
- 通过上一步的结果 $2 ，执行lldb命令 p $2 >> 3
  
  iOS-底层原理 07：isa与类关联的原理
继续执行程序到 isa = newisa; 部分，此时执行 p newisa

iOS-底层原理 07：isa与类关联的原理
与 bits赋值 结果的 对比 ，bits的 位域 中有两处变化
- cls 由 默认值 ，变成了 LGPerson ，将 isa与cls完美关联
- shiftcls 由变成了 536871965
  
  iOS-底层原理 07：isa与类关联的原理
  所以 isa 中通过 初始化 后的 成员 的 值变化过程 ，如下图所示
  
  iOS-底层原理 07：isa与类关联的原理

为什么在shiftcls赋值时需要类型强转？

因为

内存

的存储

不能存储字符串

，

机器码

只能识别

0 、1

这两种数字，所以需要将其转换为

uintptr_t

数据类型，这样

shiftcls

中存储的

类信息

才能

被机器码理解

，其中

uintptr_t

是

long

为什么需要右移3位？

主要是由于

shiftcls

处于

isa

指针地址的

中间

部分，前面还有

个位域，为了不

影响前面的3个位域

的数据，需要

右移

将其

抹零

。

方式二：通过 isa & ISA_MSAK

在方式一后，继续执行，回到 _class_createInstanceFromZone 方法，此时 cls 与 isa已经关联完成 ，执行 po objc
执行 x/4gx obj ,得到 isa 指针的地址 0x001d8001000020e9
将 isa 指针地址 & ISA_MASK （处于 macOS ，使用 x86_64 中的 宏 定义），即 po 0x001d8001000020e9 & 0x00007ffffffffff8 ，得出 LGPerson
- arm64 中，ISA_MASK 宏定义的值为 0x0000000ffffffff8ULL
- x86_64 中，ISA_MASK 宏定义的值为 0x00007ffffffffff8ULL
  
  iOS-底层原理 07：isa与类关联的原理

方式三：通过 object_getClass

通过查看

object_getClass

的源码实现，同样可以验证isa与类关联的原理，有以下几步：

main中导入#import <objc/runtime.h>
通过 runtime 的api，即 object_getClass 函数获取类信息

object_getClass(<#id  _Nullable obj#>)

查看 object_getClass 函数源码的实现

iOS-底层原理 07：isa与类关联的原理
点击进入 object_getClass 底层实现

iOS-底层原理 07：isa与类关联的原理
进入 getIsa 的源码实现

iOS-底层原理 07：isa与类关联的原理
点击 ISA() ，进入源码，可以看到如果是 indexed 类型，执行 if 流程，反之执行的是 else 流程

iOS-底层原理 07：isa与类关联的原理
- 在 else 流程中，拿到 isa 的 bits 这个位，再 & ISA_MASK ，这与方式二中的原理是一致的， 获得当前的类信息
- 从这里也可以 得出 cls 与 isa 已经完美关联

方式四：通过位运算

回到 _class_createInstanceFromZone 方法。通过 x/4gx obj 得到 obj 的存储信息，当前类的信息存储在 isa 指针中，且isa中的 shiftcls 此时占 44 位（因为处于 macOS 环境）

iOS-底层原理 07：isa与类关联的原理
想要 读取 中间的 44 位 类信息 ，就需要经过 位运算 ，将右边 3 位，和左边除去 44 位以外的部分都 抹零 ，其 相对位置是不变 的。其位运算过程如图所示，其中 shiftcls 即为需要 读取 的 类信息

iOS-底层原理 07：isa与类关联的原理
- 将 isa 地址 右移3 位： p/x 0x001d8001000020e9 >> 3 ，得到 0x0003b0002000041d
- 在将得到的 0x0003b0002000041d``左移20 位： p/x 0x0003b0002000041d << 20 ,得到 0x0002000041d00000
  - 为什么是 左移20 位？因为先 右 移了 3 位，相当于向右 偏移了3位 ，而 左边 需要 抹零 的位数有 17 位，所以一共需要移动 20 位
- 将得到的 0x0002000041d00000 再 右移17 位： p/x 0x0002000041d00000 >> 17 得到新的 0x00000001000020e8
获取cls的地址与上面的进行验证： p/x cls 也得出 0x00000001000020e8 ，所以由此可以证明 cls 与 isa 是关联的

iOS-底层原理 07：isa与类关联的原理

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OC对象本质

Clang

探索对象本质

objc_setProperty 源码探索

cls 与类的关联原理

联合体（union）

isa的类型 isa_t

原理探索

验证 isa指针位域（0-64）

`isa` 与 `类` 的关联

方式一：通过 initIsa 方法

方式二：通过 isa & ISA_MSAK

方式三：通过 object_getClass

方式四：通过位运算

继续阅读

DOG（4）：解析器的部分实现细节先来说说parser一些可能迷惑的地方结果如何返回?pcd其实是一回事最后的一点说明

PAT (Advanced Level) Practise 1083 List Grades (25)

PAT (Advanced Level) Practise 1135 Is It A Red-Black Tree (30)

UVA 348 Optimal Array Multiplication Sequence

PAT (Advanced Level) Practise 1066 Root of AVL Tree (25)

CSU 1806 Toll

CodeChef PALPROB Palindromeness

ZOJ 1032 Area 2

UVA 590 Always on the run

FZU 1978 Repair the brackets

UVA 10344- 23 out of 5

POJ 2115 C Looooops

ZOJ 3700 Ever Dream

UVA 620 Cellular Structure

swift资料合集

苹果审核 Guideline 2.1 - Information Needed

iOS-底层原理 07：isa与类关联的原理

OC对象本质

Clang

探索对象本质

objc_setProperty 源码探索

cls 与 类 的关联原理

联合体（union）

isa的类型 isa_t

原理探索

验证 isa指针 位域（0-64）

isa 与 类 的关联

方式一：通过 initIsa 方法

方式二：通过 isa & ISA_MSAK

方式三：通过 object_getClass

方式四：通过位运算

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cls 与类的关联原理

验证 isa指针位域（0-64）

`isa` 与 `类` 的关联