面試題引發的思考：

Q: 簡述isa指針？

• 從__arm64__架構開始，isa指針：
• 不只是存儲了 class對象 或 meta-class對象 的地址；
• 而是使用 共用體結構 存儲了更多信息：
  其中 shiftcls 存儲了 class對象 或 meta-class對象 的地址；
  需要 shiftcls 同 ISA_MASK 進行 按位& 運算取出。

Objective-C 擴展了 C 語言，并加入了面向對象特性和 Smalltalk 式的消息傳遞機制。而這個擴展的核心是一個用 C 和 編譯語言 寫的 Runtime 庫。它是 Objective-C 面向對象和動態機制的基石。

要想學習Runtime，首先要了解它底層的一些常用數據結構，比如isa指針：

由iOS底層原理 - OC對象的本質（二）可知：

• 每個OC對象都有一個isa指針；
• instance對象的isa指向class對象；
• class對象的isa指向meta-class對象；
• OC對象的isa指針并不是直接指向class對象或者meta-class對象，而是需要&ISA_MASK通過位運算才能獲取到類對象或者元類對象的地址；
  a> 在__arm64__架構之前，isa就是一個普通的指針，存儲著Class對象、Meta-Class對象的內存地址；
  b> 從__arm64__架構開始，對isa進行了優化，變成了一個共用體(union)結構，還使用位域來存儲更多的信息。

進入OC源碼查看isa指針，進行更深入的了解：

isa結構

由上圖可知：
isa指針其實是一個isa_t類型的共用體；
此共用體中包含一個結構體；
此結構體內部定義了若干變量，變量后面的值則表示該變量占用的位數，即位域。

接下來一步步分析共用體的優勢。

(1) 探究

// TODO: -----------------  Person類  -----------------
@interface Person : NSObject
// 聲明屬性，系統會自動生成成員變量
@property (nonatomic, assign, getter=isTall) BOOL tall;
@property (nonatomic, assign, getter=isRich) BOOL rich;
@property (nonatomic, assign, getter=isHandsome) BOOL handsome;
@end

@implementation Person
@end

// TODO: -----------------  main  -----------------
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Person *person  = [[Person alloc] init];
        person.tall = YES;
        person.rich = NO;
        person.handsome = YES;
        NSLog(@"%zd", class_getInstanceSize([Person class]));
     }
    return 0;
}

// 打印結果
Demo[1234:567890] 16

由以上代碼可知：
isa指針占8個字節，3個BOOL類型的分別占1個字節，一共11個字節。由于內存對齊原則，所以Person類對象所占內存應該為16個字節。

BOOL值包含0或1，只需要1個二進制位就可以表示出來，而現在需要占用1個字節共8個二進制位。
可以使用1個字節中的3個二進制位表示3個BOOL值，這樣可以很大程度上節省內存空間。

如果聲明屬性，系統就會自動生成成員變量，占用的內存會大于1位；所以不可以聲明屬性，需要手動實現每個屬性的set方法和get方法。

現在添加一個char類型的成員變量，char變量占用一個字節(8位)的內存空間，使用最后3位來存儲3個BOOL值。

1個char值存儲3個BOOL值

(2) 位運算

1. 補碼（負數是以補碼的形式表示）
   十進制正整數轉換為二進制數：除2取余即可；
   十進制負整數轉換為二進制數：除2取余，取反加1；

// -10用二進制表示
0b0000 0000 0000 1010 -（10除2取余）
0b1111 1111 1111 0101 -（取反）
0b1111 1111 1111 0110 -（加1）
0b1111 1111 1111 0110 -（得出-10的二進制）

2. 按位與（&）
   同真為真，其余為假：清零特定位、取出特定位；

// 按位與（&）
  0b0000 1111 0000 1111
& 0b0000 0000 1111 1111
  ---------------------
  0b0000 0000 0000 1111

3. 按位或（|）
   同假為假，其余為真：特定位置1；

// 按位或（|）
  0b0000 1111 0000 1111
| 0b0000 0000 1111 1111
  ---------------------
  0b0000 1111 1111 1111

4. 按位異或（^）
   異值為真，同值為假：特定位取反、交換兩變量的值；

// 按位異或（^）
  0b0000 1111 0000 1111
^ 0b0000 0000 1111 1111
  ---------------------
  0b0000 1111 1111 0000

5. 取反（~）
   按位取反

// 取反（~）
~ 0b0000 1111 0000 1111
  ---------------------
  0b1111 0000 1111 0000

6. 左移（<<）
   按位左移，高位丟棄，低位補0；

// 左移（<<）兩位
  0b1111 0000 0000 1111 << 2
  ---------------------
  0b1100 0000 0011 1100

7. 右移（>>）
   按位右移，高位正數補0，負數補1；

// 右移（>>）兩位
  0b1111 0000 0000 1111 >> 2
  ---------------------
  0b0011 1100 0000 0011

(3) 手動實現屬性的set方法和get方法

// TODO: -----------------  Person類  -----------------
//#define TallMask 0b00000001 // 1
//#define RichMask 0b00000010 // 2
//#define HandsomeMask 0b0000100 // 4
#define TallMask (1<<0)
#define RichMask (1<<1)
#define HandsomeMask (1<<2)

@interface Person : NSObject {
    char _tallRichHandsome;  // 0b0000 0000
}
- (void)setTall:(BOOL)tall;
- (void)setRich:(BOOL)rich;
- (void)setHandsome:(BOOL)handsome;
- (BOOL)isTall;
- (BOOL)isRich;
- (BOOL)isHandsome;
@end

@implementation Person
- (void)setTall:(BOOL)tall {
    if (tall) { // 按位或 - 特定位置1
        _tallRichHandsome |= TallMask;
    } else { // 掩碼先取反，后按位與 - 特定位置0
        _tallRichHandsome &= ~TallMask;
    }
}
- (void)setRich:(BOOL)rich {
    if (rich) {
        _tallRichHandsome |= RichMask;
    } else {
        _tallRichHandsome &= ~RichMask;
    }
}
- (void)setHandsome:(BOOL)handsome {
    if (handsome) {
        _tallRichHandsome |= HandsomeMask;
    } else {
        _tallRichHandsome &= ~HandsomeMask;
    }
}
- (BOOL)isTall {
    // 按位與 - 取出特定位
    // 兩次取反!，強制轉換成BOOL類型
    return !!(_tallRichHandsome & TallMask);
}
- (BOOL)isRich {
    return !!(_tallRichHandsome & RichMask);
}
- (BOOL)isHandsome {
    return !!(_tallRichHandsome & HandsomeMask);
}
@end

// TODO: -----------------  main  -----------------
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Person *person  = [[Person alloc] init];
        person.tall = YES;
        person.rich = NO;
        person.handsome = YES;
        NSLog(@"tall: %d, rich: %d, handsome: %d", person.isTall, person.isRich, person.isHandsome);
    }
    return 0;
}

// 打印結果
Demo[1234:567890] tall: 1, rich: 0, handsome: 1

上述代碼可以正常存值和取值，但是可拓展性和可讀性差。

(4) 位域

位域聲明：位域名 : 位域長度

使用位域需要注意以下3點：

• 如果一個字節所剩空間不夠存放另一位域時，應從下一單元起存放該位域；
  也可以有意使某位域從下一單元開始。
• 位域的長度不能大于數據類型本身的長度；
  比如int類型就不能超過32位二進制位。
• 位域可以無位域名，這時它只用來作填充或調整位置；
  無名的位域是不能使用的。

// TODO: -----------------  Person類  -----------------
@interface Person : NSObject {
    // 位域，tall、rich、handsome按序各占1個二進制位
    struct {
        char tall : 1;
        char rich : 1;
        char handsome : 1;
    } _tallRichHandsome;
}
- (void)setTall:(BOOL)tall;
- (void)setRich:(BOOL)rich;
- (void)setHandsome:(BOOL)handsome;
- (BOOL)isTall;
- (BOOL)isRich;
- (BOOL)isHandsome;
@end

@implementation Person
- (void)setTall:(BOOL)tall {
    _tallRichHandsome.tall = tall;
}
- (void)setRich:(BOOL)rich {
    _tallRichHandsome.rich = rich;
}
- (void)setHandsome:(BOOL)handsome {
    _tallRichHandsome.handsome = handsome;
}
- (BOOL)isTall {
    // _tallRichHandsome.tall == 0b1
    // 0b1111 1111 == -1
    return !!_tallRichHandsome.tall;
}
- (BOOL)isRich {
    return !!_tallRichHandsome.rich;
}
- (BOOL)isHandsome {
    return !!_tallRichHandsome.handsome;
}
@end

// 打印結果
Demo[1234:567890] tall: 1, rich: 0, handsome: 1

上述代碼使用結構體的位域，不需要再使用掩碼，缺點是效率比使用位運算時低。

(5) 共用體

// TODO: -----------------  Person類  -----------------
#define TallMask (1<<0)
#define RichMask (1<<1)
#define HandsomeMask (1<<2)

@interface Person : NSObject {
    union { // 共用體
        char bits;
        //struct 增加代碼可讀性，可注釋掉
        struct {
            char tall : 1;
            char rich : 1;
            char handsome : 1;
        };
    }_tallRichHandsome;
}
- (void)setTall:(BOOL)tall;
- (void)setRich:(BOOL)rich;
- (void)setHandsome:(BOOL)handsome;
- (BOOL)isTall;
- (BOOL)isRich;
- (BOOL)isHandsome;
@end

@implementation Person
- (void)setTall:(BOOL)tall {
    if (tall) {
        _tallRichHandsome.bits |= TallMask;
    } else {
        _tallRichHandsome.bits &= ~TallMask;
    }
}
- (void)setRich:(BOOL)rich {
    if (rich) {
        _tallRichHandsome.bits |= RichMask;
    } else {
        _tallRichHandsome.bits &= ~RichMask;
    }
}
- (void)setHandsome:(BOOL)handsome {
    if (handsome) {
        _tallRichHandsome.bits |= HandsomeMask;
    } else {
        _tallRichHandsome.bits &= ~HandsomeMask;
    }
}
- (BOOL)isTall {
    // 兩次取反!，強制轉換成BOOL類型
    return !!(_tallRichHandsome.bits & TallMask);
}
- (BOOL)isRich {
    return !!(_tallRichHandsome.bits & RichMask);
}
- (BOOL)isHandsome {
    return !!(_tallRichHandsome.bits & HandsomeMask);
}
@end

// 打印結果
Demo[1234:567890] tall: 1, rich: 0, handsome: 1

上述代碼使用共用體對數據進行位運算取值和賦值，效率高同時占用內存少，代碼可讀性高。

(6) isa詳解

經過以上分析，我們可以清晰地了解到位運算、位域以及共用體的相關知識。
下面我們深入分析isa的結構：

isa結構

由上圖可知：
isa_t共用體存儲了8個字節64位的值，所有信息都存儲在bits中，這些值在結構體中展現出來，這些值通過對bits進行掩碼位運算取出。

重點介紹一下shiftcls：

• shiftcls存儲著Class、Meta-Class對象的內存地址信息；
• 通過bits & ISA_MASK取得shiftcls的值；
• 而掩碼ISA_MASK值為0x0000000ffffffff8ULL，說明Class、Meta-Class對象的內存地址值后三位一定為0。

接下來驗證一下：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Person *person  = [[Person alloc] init];
        person.tall = YES;
        person.rich = NO;
        person.handsome = YES;
        NSLog(@"tall: %d, rich: %d, handsome: %d", person.isTall, person.isRich, person.isHandsome);
        NSLog(@"class: %p, meta-class: %p", [Person class], object_getClass([Person class]));
    }
    return 0;
}
// 打印結果
Demo[1234:567890] tall: 1, rich: 0, handsome: 1
Demo[1234:567890] class: 0x100001260, meta-class: 0x100001238

由打印結果可知：
class對象的地址值為0x100001260，尾數是0；meta-class對象的地址值為0x100001238，尾數是8；在16進制下，內存地址的后三位都為0；驗證結束。

總結可知：

• 從__arm64__架構開始，isa指針不只是存儲了class對象或meta-class對象的地址；
• 而是使用共用體結構存儲了更多信息：
  其中shiftcls存儲了class或meta-class的地址；
  shiftcls需要同ISA_MASK進行按位&運算才可以取出class對象或meta-class對象的地址。