iOS底層原理 03 : OC對象&isa

前言:
OC對象的本質到底是什么？里面到底是什么結構呢？我們常說的isa是什么？我們在iOS底層原理 01 : alloc&init中探索的obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor)是將isa與類信息關聯的，那么isa具體是如何與類信息關聯的呢？下面我們帶著這些問題一起來學習。

OC對象的本質

接下來我們一起探索OC對象的本質:

  • 首先我們在新建好的工程的main.c文件里面自定義一個LGHPerson類
@interface LGHPerson : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@end

@implementation LGHPerson
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        LGHPerson *person = [LGHPerson alloc];
        NSLog(@"Hello, World!");
    }
    return 0;
}

  • 然后打開終端，將mian.c文件通過clang命令編譯成我們需要的main.cpp, 即：在終端輸入:clang -rewrite-objc main.c -o main.cpp

  • 打開mian.cpp,快速查詢LGHPerson，我們會發現如下code,我們發現clang編譯器會把LGHPerson編譯成struct LGHPerson_IMPL{}結構體，所以LGHPerson類的本質其實就是LGHPerson_IMPL{}的結構體

struct LGHPerson_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS; //isa
    NSString *_name;
};

總結:
OC對象的本質是結構體，每一個結構體都有struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS的成員變量(即isa)，OC類的屬性會被編譯成對應結構體的成員變量。

探索obj->initInstanceIsa()具體實現？

我們從objc4源碼(傳送:可編譯調試的objc4源碼),找到initInstanceIsa()這個函數

  • initInstanceIsa()里面會執行initIsa() 
inline void 
objc_object::initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor)
{
    ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());
    ASSERT(hasCxxDtor == cls->hasCxxDtor());

    initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
}
  • 在initIsa()函數里面，如果是!nonpointer, 通過初始化函數isa_t((uintptr_t)cls)并賦值給isa，否則新建isa_t,并對isa_t的位域里面的變量進行賦初始值 
inline void objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor) 
{ 
    ASSERT(!isTaggedPointer()); 
    
    if (!nonpointer) {
        isa = isa_t((uintptr_t)cls);
    } else {
        ASSERT(!DisableNonpointerIsa);
        ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());
        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;
    }
}
initInstanceIsa流程圖.png

isa的本質

接下來我們來探索一下isa,我們在initIsa()函數里面，我們看到isa是一個isa_t的聯合體。

1. 最終我們在isa.h文件中，看到isa_t的結構

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

    Class cls;
    uintptr_t bits;
#if defined(ISA_BITFIELD)
    struct {
        ISA_BITFIELD;  
    };
#endif
};

2. ISA_BITFIELD宏定義，我們看到定義的是位域, 在__arm64__和__x86_64__下里面定義的變量是相同的，只是所占的字節數略微有些不同。

# if __arm64__
#   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
# elif __x86_64__
#   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
endif

3. 所以其實isa_t的真正結構是聯合體位域，__x86_64__下,我們可以看到位域里面所有變量所占的字節總數是64位，恰好是8字節

union isa_t {
    Class cls;
    uintptr_t bits;
    struct {
       uintptr_t nonpointer       : 1;                                  
      uintptr_t has_assoc         : 1;                                         
      uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;                                        
      uintptr_t shiftcls          : 44; 
      uintptr_t magic             : 6;                                       
      uintptr_t weakly_referenced : 1;                                       
      uintptr_t deallocating      : 1;                                        
      uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;                                        
      uintptr_t extra_rc          : 8;  
    };
};

4. 那么每個的作用是什么呢？這里總結一下：

  • nonpointer：表示是否對 isa 指針開啟指針優化, 0：純isa指針，1：不?是類對象地址,isa 中包含了類信息、對象的引?計數等 （自定義的類nonpointer為1）

  • has_assoc：關聯對象標志位，0沒有，1存在

  • has_cxx_dtor：該對象是否有 C++ 或者 Objc 的析構器,如果有析構函數,則需要做析構邏輯, 如果沒有,則可以更快的釋放對象

  • shiftcls: 存儲類指針的值。開啟指針優化的情況下，在 arm64 架構中有 33 位?來存儲類指針，x86架構用44位來存儲

  • magic：?于調試器判斷當前對象是真的對象還是沒有初始化的空間

  • weakly_referenced：志對象是否被指向或者曾經指向?個 ARC 的弱變量，沒有弱引?的對象可以更快釋放。

  • deallocating：標志對象是否正在釋放內存

  • has_sidetable_rc：當對象引?技術?于 10 時，則需要借?該變量存儲進位

  • extra_rc：當表示該對象的引?計數值，實際上是引?計數值減 1，例如，如果對象的引?計數為 10，那么 extra_rc 為 9。如果引?計數?于 10，則需要使?到下?的 has_sidetable_rc。

總結：
1.isa_t是一個聯合體，里面的成員變量共用一段內存，成員變量之間setter方法互斥(不能同時set)，所以對cls賦值的時候就不能對bits賦值，對bits賦值的時候就不能對cls賦值。
2.shiftcls是用來存儲類信息的。

使用lldb去體驗isa_t的結構

接下來我們去驗證到底LGHPerson類信息是否存儲到shiftcls里面？

  • 首先斷點到initIsa()函數里面


    斷點.png
  • 我們使用lldb打印一些信息
    newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE; 是給nonpointer和magic附上初始值。
(lldb) p newisa
(isa_t) $12 = {
  cls = 0x001d800000000001
  bits = 8303511812964353
   = {
    nonpointer = 1
    has_assoc = 0
    has_cxx_dtor = 0
    shiftcls = 0
    magic = 59
    weakly_referenced = 0
    deallocating = 0
    has_sidetable_rc = 0
    extra_rc = 0
  }
}

從下面打印的信息來看，newisa.cls和newisa.bits是共用同一段內存，0x001d800000000001的10進制就是8303511812964353。

(lldb) p  newisa.cls
(Class) $9 = 0x001d800000000001
(lldb) p  newisa.bits
(uintptr_t) $10 = 8303511812964353
(lldb) p/d  0x001d800000000001
(long) $11 = 8303511812964353

我們接著斷點往下走

圖片.png

打印 newisa，我們看到shiftcls已經有值了，因為newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;將類存到shiftcls

p newisa
(isa_t) $13 = {
  cls = LGPerson
  bits = 8303516107940081
   = {
    nonpointer = 1
    has_assoc = 0
    has_cxx_dtor = 0
    shiftcls = 536871966
    magic = 59
    weakly_referenced = 0
    deallocating = 0
    has_sidetable_rc = 0
    extra_rc = 0
  }
}

我們看到(uintptr_t)cls >> 3 是536871966，newisa.shiftcls的值536871966，說明類信息確實是存放在shiftcls。

(lldb) p (uintptr_t)cls >> 3
(uintptr_t) $17 = 536871966
(lldb) p newisa.shiftcls
(uintptr_t) $18 = 536871966

驗證shiftcls確實是存放的是類信息（在__x86__架構為例）

  • 先在main函數打個斷點


    圖片.png
  • 使用lldb打印一些信息
    通過lldb查看objc的內存，得到isa是0x001d8001000020e9 
(lldb) po objc
<LGHPerson: 0x100681f90>
(lldb) x/4gx  0x100681f90
0x100681f90: 0x001d8001000020e9 0x0000000000000000
0x100681fa0: 0x756e654d534e5b2d 0x776569566d657449

我們通過移位操作，獲取isa在[3-46]位置上的值，通過與LGHPerson.class比對，發現是一致的，都是0x00000001000020e8。

(lldb) p/x 0x001d8001000020e9>>3
(long) $4 = 0x0003b0002000041d
(lldb) p/x  0x0003b0002000041d<<20
(long) $5 = 0x0002000041d00000
(lldb) p/x  0x0002000041d00000>>17
(long) $6 = 0x00000001000020e8
(lldb) p/x LGHPerson.class
(Class) $7 = 0x00000001000020e8 LGHPerson

我們也可以通過算法 & ISA_MASK （0x00007ffffffffff8ULL），來得到shiftcls的值,
我們看的也能得到0x00000001000020e8

(lldb) p/x 0x001d8001000020e9 & 0x00007ffffffffff8ULL
(unsigned long long) $8 = 0x00000001000020e8

補充

lldb相關的調試命令

p/x  //以16進制輸出
p/d  //以10進制輸出
p/o // 以8進制輸出
p/t // 以2進制輸出
p/c  // 打印字符
x   // 讀取內存 （等價于 memory read）
memory read   // 讀取內存
x/4gx    // 讀取4段內存(每段8字節，即32字節)
x/6gx    // 讀取6段內存(每段8字節，即48字節)
x/8gx    // 讀取8段內存(每段8字節，即64字節)
po <expr>     // 打印對象的 description 方法的結果
help      // 列出所有的命令
help <command>       // 列出某個命令更多的細節，例如 help print

移位運算
比如有一段8位的內存，我們如何從取出【2-6】位上的值呢？請看下面示意圖：

先>>2 ,然后<<3 ,最后 >>1，最后得到0111 1000。

移位運算圖.png

LLVM與Clang

  1. LLVM是構架編譯器(compiler)的框架系統，以C++編寫而成，用于優化以任意程序語言編寫的程序的編譯時間(compile-time)、鏈接時間(link-time)、運行時間(run-time)以及空閑時間(idle-time)，對開發者保持開放，并兼容已有腳本。
  2. Clang是一個C++編寫、基于LLVM、發布于LLVM BSD許可證下的C/C++/Objective-C/Objective-C++編譯器。比起GCC，Clang編譯速度快、占用內存小、非常方便進行二次開發。

下圖是LLVM和Clang的關系圖


LLVM和Clang的關系圖.png

總結 ：
1. Clang相當于編譯過程的前端，而LLVM相當于編譯過程的后端。
2. Clang側重于語法語義分析 和生成中間代碼，而LLVM側重于代碼優化，生成目標程序。
3.clang命令編譯mian.c的指令:clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp

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