关联 isa

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现在对象在内存中已经分配好内存空间了，但对象和类是怎么关联上的呢，这就是 isa 的工作了。

isa 联合体

我们可以看一下对象的表现形式：

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;
}

所以每一个对象必然有一个 isa。

然后我们看一下 isa 的结构：

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
};

可以看到，isa 是一个 联合体 。

isa 的结构

首先我们来分析一下 isa 的结构：

isa 有三个成员：Class 、 bits 和一个结构体。

以下以 64 位架构为例分析：

Class

typedef struct objc_class *Class;

Class 是一个结构体指针，所以 Class 占 8 字节。

bits

typedef unsigned long           uintptr_t;

bits 是一个无符号长整形，占 8 个字节。

结构体

struct {
    ISA_BITFIELD;  // defined in isa.h
};

结构体的内容是一个宏定义，宏定义在编译时替换成定义好的内容，这样就可以区分不同架（如 __x86_64__ 与 __arm64__）。

isa.png

其实这里的实现，就是上面我们提到的位域。

从图中我们可以看出，两个架构上结构体的字段相同，只是分布不同。

结构体的大小为 8 字节，即 64 bit。

  • arm64 : 1 + 1 + 1 + 33 + 6 + 1 + 1 + 1 + 19 = 64
  • __x86_64__ : 1 + 1 + 1 + 44 + 6 + 1 + 1 + 1 + 8  = 64

下面给出isa图解：

isa_bits.png

关联 isa

现在我们来看一下关联 isa 的代码实现：

inline void 
objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor) 
{ 
    assert(!isTaggedPointer()); 
    
    if (!nonpointer) {
        isa.cls = cls;
    } else {
        assert(!DisableNonpointerIsa);
        assert(!cls->instancesRequireRawIsa());

        isa_t newisa(0);

#if SUPPORT_INDEXED_ISA
        ...
#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
        isa = newisa;
    }
}

代码稍微精简了一下。注意这里的 SUPPORT_INDEXED_ISA 宏：

#if __ARM_ARCH_7K__ >= 2  ||  (__arm64__ && !__LP64__)
#   define SUPPORT_INDEXED_ISA 1
#else
#   define SUPPORT_INDEXED_ISA 0
#endif

查阅到 资料，__ARM_ARCH_7K__ >= 2 应该是表示手表的宏。

__ARM_ARCH_7K__ 架构上的 isa 的位域结构体具体的字段有所不同，分布也不同，这里就不在展开了。

在 isa 的实现代码里，一般继承 NSObject 的类都支持 isa 指针优化，如果不支持，isa 的 64 位都用来保存 class 或者 metaclass 的内存地址。

支持指针优化的 isa：

  • isa 作为一个联合体，对 bits 赋值后，isa 的值为(程序运行在模拟器，所以是基于 __x86_64__ 的架构):

    newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;
    /** 
     * 0x				  	 0b
     * 0x001d800000000001ULL 0b0000000000011101100000000000000000000000000000000000000000000001
     */

    此时位域的最低位即 nonpointer 为 1，表示支持指针优化。

  • hasCxxDtor 放在联合体位域的 has_cxx_dtor，此时此处指为 false，所以值为 0

    newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
    /**
     * 0x 					 0b
     * 0x001d800000000001ULL 0b0000000000011101100000000000000000000000000000000000000000000001
     */

  • cls 的内存地址放在 isa 的 shiftcls 区间

    newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;  // 此处 cls 的值为 0x00000001000029f0
    /** 
     * 0x				  0b
     * 0x001d8001000029f1 0b0000000000011101100000000000000100000000000000000010100111110001
     */

    注意此时的 shiftcls 对 cls 的地址进行了右移 3 位的计算，所以后面再去的时候，也是需要计算的。

    或许在这里你会有个疑问，地址经过计算之后，存储的地址不会发现变化吗？

    这就是实现精妙的地方了 – 还记得上面讲的字节对齐吗，OC 对象的内存地址首先进行了 8 字节的对齐，那么对象的内存地址肯定是 8 的倍数。虽然针对的是对象，但是类和元类在编译时创建同样也是经过了 8 字节对齐的。所以内存地址也是 8 的倍数。

    8 的 二进制表示为 0b1000，右移3位之后位 0b1，所以后面再取值的时候，在左移3位补齐后面的 0就能得到真正的地址。

    我们二进制计算一下：

    (lldb) p/t 0x00000001000029f0
    (long) $0 = 0b0000000000000000000000000000000100000000000000000010100111110000
    (lldb) p/t $0 >> 3
    (long) $1 = 0b0000000000000000000000000000000000100000000000000000010100111110
    (lldb) p/t $1 << 3
    (long) $2 = 0b0000000000000000000000000000000100000000000000000010100111110000
    (lldb) po $0 == $2
    true

    现在 cls 的地址已经放到 isa 的 shiftcls 段里面了，在 arm64 里面占了 33 位，但是 cls 的地址是 64 位能存下吗？

    类和元类只需要创建一个，而且是在编译时期就已经完成了的(我们可以从 machO 文件中看到这些类信息，所以他们在编译时期就已经确定了)。但是从实际问题出发，真的需要这么多的类吗？shiftcls 在 arm64 架构下有 33 位，加上右移的 3 位，所以分配的内存空间为 2^34 bit = 2 * 2^33 G = 2G，我们的程序类信息(代码段)一般都不会这么大(我们打包完的程序还包含其他一下资源文件)，所以是完全足够的。

    接下来就是如何将 cls 的地址如何从 shiftcls 中取出来了。上面的分析都是依据 arm64的，下面的我们从程序中跑一下，犹如我们是在模拟器上运行的，shiftcls 取的 44位。

    取出 cls 地址的方法有两种:

    • 利用掩码 ISA_MASK 进行 与运算： 

      define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL

      isa__.png

      (lldb) p/t 0x00007ffffffffff8ULL
      (unsigned long long) $0 = 0b0000000000000000011111111111111111111111111111111111111111111000

      也就是取 64 后面的 47 位，也就是 cls 的值。

    • 位运算：shiftcls 存在 3~46 位上，所以可以做如下运算：

      isa_cal.png

      也就是取中间的 44 的值，然后在后面补 3 个0之后就是 cls 的地址了。

cls 的地址已经存放到 isa 里面了，后面我们就可通过 isa 找到类，然后进行方法的调用等动作了。

isa 的走位

是时候来一张经典的 isa 走位图了：

这张图怎么理解呢？我们先来看一个例子：

isa_examp.png

在 OC 的继承链中，万物皆对象，所以他们都有 isa 指针，而 isa 的存储的值，就是上面走位图中虚线的走向：

  • 对象的 isa -> 类
  • 类的 isa -> 元类
  • 元类的 isa -> 根元类
  • 根元类的 isa -> 根元类

其中比较特殊的点在于 NSObject，NSObject因为是 OC 对象的根类的原因:

  • NSObject 对象的 isa 指向 NSObject 类
  • NSObject 类的 isa 指向 NSObject 元类
  • NSObject 元类的 isa 指向自己，即根元类的 isa 指向自己

上面的图中还要另外一条线，即 superclass 的继承链：

  • 类的继承，superclass 指向父类
  • 元类的继承，superclass 指向父元类
  • 根类NSObject的 superclass 指向 nil
  • 根元类的 superclass 指向根类

根据这个有个很有意思的面试题：

isa_test.png

这里考察的就是对 isa 的理解：

首先我们看下 isKindOfClass 和 isMemberOfClass 的源码：

+ (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls {
    for (Class tcls = object_getClass((id)self); tcls; tcls = tcls->superclass) {
        if (tcls == cls) return YES;
    }
    return NO;
}

- (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls {
    for (Class tcls = [self class]; tcls; tcls = tcls->superclass) {
        if (tcls == cls) return YES;
    }
    return NO;
}
+ (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
    return object_getClass((id)self) == cls;
}

- (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
    return [self class] == cls;
}

这两个方法的实现都不复杂，isKindOfClass 里面有一个循环，会通过 superclass 一直找到 NSObject。

上面的面试题中：

  • re1, re2, re3, re4 考察的是类与元类，根元类与根类之间的关系
  • re5, re6, re7, re8 考察的是对象与类之间的关系