iOS底層原理 04 : isa指向&類的結構分析

前言:
1.我們前面已經對isa的結構進行了分析,但整個isa指向過程是什么呢?
2.我們經常看到的那張經典的isa走位圖又該如何理解呢?
3.前面我們已經知道實例對象的isa指針指向了存儲類信息的類對象,那么這個存儲類信息的類的結構又是怎樣的呢?

使用LLDB探索isa走位

  • 首先定義LGHPerson,LGHTeacher類,并創建實例對象,先在main函數里面的objc打個斷點。


    準備.png
  • 然后使用lldb, 查看p對象的內存

(lldb) po p
<LGHPerson: 0x1006d1dc0>

(lldb) x/4gx  0x1006d1dc0
0x1006d1dc0: 0x001d800100002181 0x0000000000000000
0x1006d1dd0: 0x726573554b575b2d 0x7320747069726353
  • 獲取isa的shiftcls的地址
(lldb) p/x  0x001d800100002181 & 0x00007ffffffffff8ULL
(unsigned long long) $3 = 0x0000000100002180
  • 讀取該段地址,與x LGHPerson.class比較,發現一致,說明p.isa --> 存儲類信息的類。
(lldb) x  0x0000000100002180
0x100002180: 58 21 00 00 01 00 00 00 40 11 3f 00 01 00 00 00  X!......@.?.....
0x100002190: 30 57 6d 00 01 00 00 00 07 00 00 00 10 80 04 00  0Wm.............
(lldb) x LGHPerson.class
0x100002180: 58 21 00 00 01 00 00 00 40 11 3f 00 01 00 00 00  X!......@.?.....
0x100002190: 30 57 6d 00 01 00 00 00 07 00 00 00 10 80 04 00  0Wm.............
(lldb) x  object_getClass(p)
0x100002180: 58 21 00 00 01 00 00 00 40 11 3f 00 01 00 00 00  X!......@.?.....
0x100002190: 30 57 6d 00 01 00 00 00 07 00 00 00 10 80 04 00  0Wm.............
  • 接下來我們x/4gx 打印存儲類信息的類對象的內存
(lldb) x/4gx 0x0000000100002180
0x100002180: 0x0000000100002158 0x00000001003f1140
0x100002190: 0x00000001006d5730 0x0004801000000007
  • 接下來,我們看看類對象得isa的shiftcls
(lldb) p/x 0x0000000100002158 & 0x00007ffffffffff8ULL
(unsigned long long) $8 = 0x0000000100002158
  • 讀取類對象得isa的shiftcls存儲的內存,其實就是元類,系統會自動幫我生成。所以類對象的isa-->元類
(lldb) x/4gx 0x0000000100002158
0x100002158: 0x00000001003f10f0 0x00000001003f10f0
0x100002168: 0x0000000101208fc0 0x0001e03100000007
  • 我們繼續那元類的isa,獲取shiftcls
(lldb) p/x 0x00000001003f10f0 & 0x00007ffffffffff8ULL
(unsigned long long) $13 = 0x00000001003f10f0
  • 讀取地址 ,并與存儲NSObject類信息的類對象地址對比,發現一致,說明元類的isa-->存儲NSObject類信息的類(根元類)
(lldb) x/4gx 0x00000001003f10f0
0x1003f10f0: 0x00000001003f10f0 0x00000001003f1140
0x1003f1100: 0x000000010070a2f0 0x0005e03100000007
(lldb) x/4gx NSObject.class
0x1003f1140: 0x00000001003f10f0 0x0000000000000000
0x1003f1150: 0x000000010110b1c0 0x0001801000000003
  • 我們繼續探索根元類的isa指向,發現指向根元類自己
(lldb) p/x  0x00000001003f10f0 & 0x00007ffffffffff8ULL
(unsigned long long) $16 = 0x00000001003f10f0
(lldb) x/4gx  0x00000001003f10f0
0x1003f10f0: 0x00000001003f10f0 0x00000001003f1140
0x1003f1100: 0x000000010070a2f0 0x0005e03100000007

總結:
1.實例對象的isa -->類對象
2.類對象的isa指向元類對象
3.元類對象的isa指向根元類對象
4.根元類對象的isa指向自身

LGHPerson的isa走位圖.png

同理LGHTeacher的走位圖


LGHTeacher的走位圖.png
NSObject的走位圖.png
繼承與isa走位圖.png

存儲類信息的類結構

我們看到objc_class定義,但我們發現OBJC2_UNAVAILABLE,這是已經廢棄掉的結構。

// 舊的類結構:
struct objc_class {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#if !__OBJC2__
    Class _Nullable super_class                              OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char * _Nonnull name                               OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list * _Nullable ivars                  OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache * _Nonnull cache                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list * _Nullable protocols          OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;

我們繼續尋找objc_class的新結構,我們可以看到objc_class的新版定義(objc4-781版本)如下,有以下幾個屬性

// 在最新的objc源碼里面:
struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA; //8字節
    Class superclass; //Class 類型 8字節
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags    
    //....方法部分省略,未貼出
}
  • isa屬性:繼承自objc_object的isa,占 8字節

  • superclas 屬性:Class類型Class是由objc_object定義的,是一個指針,占8字節

  • cache屬性:簡單從類型class_data_bits_t目前無法得知,而class_data_bits_t是一個結構體類型,結構體的內存大小需要根據內部的屬性來確定,而結構體指針才是8字節

  • bits屬性:只有首地址經過上面3個屬性的內存大小總和的平移,才能獲取到bits

計算 cache_t 結構體的內存大小

struct cache_t {
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_OUTLINED
    explicit_atomic<struct bucket_t *> _buckets; // 是一個結構體指針類型,占8字節
    explicit_atomic<mask_t> _mask; //是mask_t 類型,而 mask_t 是 unsigned int 的別名,占4字節
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
    explicit_atomic<uintptr_t> _maskAndBuckets; //是指針,占8字節
    mask_t _mask_unused; //是mask_t 類型,而 mask_t 是 uint32_t 類型定義的別名,占4字節
    
#if __LP64__
    uint16_t _flags;  //是uint16_t類型,uint16_t是 unsigned short 的別名,占 2個字節
#endif
    uint16_t _occupied; //是uint16_t類型,uint16_t是 unsigned short 的別名,占 2個字節
  • 計算前兩個屬性的內存大小,有以下兩種情況,最后的內存大小總和都是12字節

    • 【情況一】if流程
      • buckets 類型是struct bucket_t *,是結構體指針類型,占8字節
      • maskmask_t 類型,而 mask_t 是 unsigned int的別名,占4字節
    • 【情況二】elseif流程
  • _maskAndBuckets 是uintptr_t類型,它是一個指針,占8字節

  • _mask_unused 是mask_t 類型,而 mask_t 是 uint32_t 類型定義的別名,占4字節

  • _flags 是uint16_t類型,uint16_t是 unsigned short 的別名,占2個字節

  • _occupied 是uint16_t類型,uint16_t是 unsigned short 的別名,占 2個字節

總結:所以最后計算出cache類的內存大小 = 12 + 2 + 2 = 16字節

獲取bits

所以有上述計算可知,想要獲取bits的中的內容,只需通過類的首地址平移32字節即可。如下:($1+32)

(lldb) p/x LGHPerson.class
(Class) $0 = 0x00000001000022a0 LGHPerson
(lldb) p/x 0x00000001000022a0
(long) $1 = 0x00000001000022a0
(lldb) p/x (class_data_bits_t *)($1+32)
(class_data_bits_t *) $2 = 0x00000001000022c0

接下來獲取properties(),得到里面存儲了name屬性

(lldb) p $4.properties()
(const property_array_t) $12 = {
  list_array_tt<property_t, property_list_t> = {
     = {
      list = 0x00000001000021a8
      arrayAndFlag = 4294975912
    }
  }
}
(lldb) p $12.list
(property_list_t *const) $13 = 0x00000001000021a8
(lldb) p *$13
(property_list_t) $14 = {
  entsize_list_tt<property_t, property_list_t, 0> = {
    entsizeAndFlags = 16
    count = 1
    first = (name = "name", attributes = "T@\"NSString\",&,N,V_name")
  }
}
(lldb) p $14.get(0)
(property_t) $15 = (name = "name", attributes = "T@\"NSString\",&,N,V_name")

數組越界,說明只存儲了name

(lldb) p $14.get(1)
Assertion failed: (i < count), function get, file /Users/xiaofeiguan/Desktop/04-isa指向&類初探/03-自己補充/可編譯objc源碼/runtime/objc-runtime-new.h, line 438.
error: Execution was interrupted, reason: signal SIGABRT.
The process has been returned to the state before expression evaluation.

類信息里面的properties()里面只存儲屬性,沒有存儲成員變量

接下來獲取methods() ,得到-sayHello -setName -name 這個實例方法

(lldb) p $4.methods()
(const method_array_t) $5 = {
  list_array_tt<method_t, method_list_t> = {
     = {
      list = 0x00000001000020d8
      arrayAndFlag = 4294975704
    }
  }
}
(lldb) p $5.list
(method_list_t *const) $6 = 0x00000001000020d8
(lldb) p *$6
(method_list_t) $7 = {
  entsize_list_tt<method_t, method_list_t, 3> = {
    entsizeAndFlags = 26
    count = 4
    first = {
      name = "sayHello"
      types = 0x0000000100000f42 "v16@0:8"
      imp = 0x0000000100000d70 (KCObjc`-[LGHPerson sayHello] at main.m:21)
    }
  }
}
(lldb) p $7.get(0)
(method_t) $8 = {
  name = "sayHello"
  types = 0x0000000100000f42 "v16@0:8"
  imp = 0x0000000100000d70 (KCObjc`-[LGHPerson sayHello] at main.m:21)
}
(lldb) p $7.get(1)
(method_t) $9 = {
  name = ".cxx_destruct"
  types = 0x0000000100000f42 "v16@0:8"
  imp = 0x0000000100000d80 (KCObjc`-[LGHPerson .cxx_destruct] at main.m:20)
}
(lldb) p $7.get(2)
(method_t) $10 = {
  name = "name"
  types = 0x0000000100000f58 "@16@0:8"
  imp = 0x0000000100000dc0 (KCObjc`-[LGHPerson name] at main.m:15)
}
(lldb) p $7.get(3)
(method_t) $11 = {
  name = "setName:"
  types = 0x0000000100000f60 "v24@0:8@16"
  imp = 0x0000000100000de0 (KCObjc`-[LGHPerson setName:] at main.m:15)
}

數組越界,說明類信息里面只存儲實例方法不存儲類方法

(lldb) p $7.get(4)
Assertion failed: (i < count), function get, file /Users/xiaofeiguan/Desktop/04-isa指向&類初探/03-自己補充/可編譯objc源碼/runtime/objc-runtime-new.h, line 438.
error: Execution was interrupted, reason: signal SIGABRT.
The process has been returned to the state before expression evaluation.
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