有一定經驗的iOS開發者，或多或少的都聽過Runtime。Runtime，也就是執行時，是Objective-C語言的特性之一。日常開發中，可能直接和Runtime打交道的機會不多。然而，"發訊息"、"訊息轉發"這些名詞開發者應該經常聽到，這些名詞所用到的技術基礎就是Runtime。瞭解Runtime，有助於開發者深入理解Objective-C這門語言。
在具體瞭解Runtime之前，先提一個問題，什麼是動態語言？
Objective-C是一門動態語言
使用Objective-C做iOS開發的同學一定都聽說過一句話：Objective-C是一門動態語言。動態語言，肯定是和靜態語言相對應的。那麼，靜態語言有哪些特性，動態語言又有哪些特性？
回顧一下大學時期，學的第一門語言C語言，學習C語言的過程中從來沒聽說過執行時，也沒聽說過什麼靜態語言，動態語言。因此我們有理由相信，C語言是一門靜態語言。
事實上也確實如此，C語言是一門靜態語言，Objective-C是一門動態語言。然而，還是說不出靜態語言和動態語言到底有什麼區別……
靜態語言和動態語言
靜態語言，可以理解成在編譯期間就確定一切的語言。以C語言來舉例，C語言編譯後會成為一個可執行檔案。假設我們在C程式碼中寫了一個hello函式，並且在主程式中呼叫了這個hello函式。倘若在編譯期間，hello函式的入口地址相對於主程式入口地址的偏移量是0x0000abcdef(不要在意這個值，只是用來舉例)，那麼在執行該程式時，執行到hello函式時，一定執行的是相對主程式入口地址偏移量為0x0000abcdef的程式碼塊。也就是說，靜態語言，在編譯期間就已經確定一切，執行期間只是遵守編譯期確定的指令在執行。
作為對比，再看一下動態語言，以經常用到的Objective-C為例。假設在Objective-C中寫了hello方法，並且在主程式中呼叫了hello方法，也就是傳送hello訊息。在編譯期間，只能確定要向某個物件傳送hello訊息，但是具體執行哪個記憶體塊的程式碼是不確定的，具體執行的程式碼需要在執行期間才能確定。
到這裡，靜態語言和動態語言的區別已經很明顯了。靜態語言在編譯期間就已經確定一切，而動態語言編譯期間只能確定一部分，還有一部分需要在執行期間才能確定。也就是說，動態語言成為一個可執行程式並能夠正確的執行，除了需要一個編譯器外，還需要一套執行時系統，用於確定到底執行哪一塊程式碼。Objective-C中的執行時系統內就是Runtime。
Runtime原始碼
Runtime原始碼是一套用C語言實現的API，整套程式碼是開源的，可以從蘋果開源網站上下載Runtime原始碼。預設下載的Runtime原始碼是不能編譯的，通過修改配置和匯入必要的標頭檔案，可以編譯成功Runtime原始碼。我在github上放了編譯成功的Runtime原始碼，且有我在看Runtime原始碼時的一些註釋，本篇文章中的程式碼也是基於此Runtime原始碼。
由於Runtime原始碼程式碼量比較大，一篇文章介紹完Runtime原始碼是不可能的。因此這篇文章主要介紹Runtime中的isa結構體，作為Runtime的入門。
isa結構體
有經驗的iOS開發者可能都聽過一句話：在Objective-C語言中，類也是物件，且每個物件都包含一個isa指標，isa指標指向該物件所屬的類。不過現在Runtime中的物件定義已經不是這樣了，現在使用的是isa_t型別的結構體。每一個物件都有一個isa_t型別的結構體isa。之前的isa指標作用是指向該物件的類，那麼isa結構體作為isa指標的替代者，是如何完成這個功能的呢？
在解決這個問題之前，我們先來看一下Runtime原始碼中物件和類的定義。
objc_object
看一下Runtime中對id型別的定義
typedef struct objc_object *id;
複製程式碼這裡的id也就是Objective-C中的id型別，代表任意物件，類似於C語言中的 void *。可以看到，*id實際上是一個指向結構體objc_object的指標。
再來看一下objc_object的定義，該定義位於objc-private.h檔案中：
struct objc_object {
// isa結構體
private:
isa_t isa;
}
複製程式碼結構體中還包含一些public的方法。可以看到，物件結構體（objc_object）中的第一個變數就是isa_t 型別的isa。關於isa_t具體是什麼，後續再介紹。
Objective-C語言中最主要的就是物件和類，看完了物件在Runtime中的定義，再看一下類在Runtime中的定義。
objc_class
Runtime中對於Class的定義
typedef struct objc_class *Class;
複製程式碼Class實際上是一個指向objc_class結構體的指標。
看一下結構體objc_class的定義，objc_class的定義位於objc-runtime-new.h檔案中
struct objc_class : objc_object {
// Class ISA;
Class superclass;
cache_t cache; // formerly cache pointer and vtable
class_data_bits_t bits; // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
}
複製程式碼結構體中還包含一些方法。
注意，objc_class是繼承於objc_object的，因此objc_class中也包含isa_t型別的isa。objc_class的定義可以理解成下面這樣：
struct objc_class {
isa_t isa;
Class superclass;
cache_t cache; // formerly cache pointer and vtable
class_data_bits_t bits; // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
}
複製程式碼isa的作用
上面也提到了，isa能夠使該物件找到自己所屬的類。為什麼物件需要知道自己所屬的類呢？這主要是因為物件的方法是儲存在該物件所屬的類中的。
這一點是很容易理解的，一個類可以有多個物件，倘若每個物件都含有自己能夠執行的方法，那對於記憶體來說是災難級的。
在向物件傳送訊息，也就是例項方法被呼叫時，物件通過自己的isa找到所屬的類，然後在類的結構中找到對應方法的實現（關於在類結構中如何找到方法的實現，後續的文章再介紹）。
我們知道，Objective-C中區分類方法和例項方法。例項方法是如何找到的我們瞭解了，那麼類方法是如何找到的呢？類結構體中也有isa，類物件的isa指向哪裡呢？
元類（metaClass）
為了解決類方法呼叫，Objective-C引入了元類（metaClass），類物件的isa指向該類的元類，一個類物件對應一個元類物件。
元類物件也是類物件，既然是類物件，那麼元類物件中也有isa，那麼元類的isa又指向哪裡呢？總不能指向元元類吧……這樣是無窮無盡的。
Objective-C語言的設計者已經考慮到了這個問題，所有元類的isa都指向一個元類物件，該元類物件就是 meta Root Class,可以理解成根元類。關於例項物件、類、元類之間的關係，蘋果官方給了一張圖，非常清晰的表明了三者的關係，如下
isa結構體定義
瞭解了isa的作用，現在來看一下isa的定義。isa是isa_t型別，isa_t也是一個結構體，其定義在objc-private.h中：
union isa_t {
isa_t() { }
isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
Class cls;
// 相當於是unsigned long bits;
uintptr_t bits;
#if defined(ISA_BITFIELD)
struct {
ISA_BITFIELD; // defined in isa.h
};
#endif
};
複製程式碼ISA_BITFIELD的定義在 isa.h檔案中：
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
複製程式碼注意：這裡的程式碼都是x86_64架構下的，arm64架構下和x86_64架構下有區別，但是不影響我們理解isa_t結構體。
將isa_t結構體中的ISA_BITFIELD使用isa.h檔案中的ISA_BITFIELD替換，isa_t的定義可以表示如下：
union isa_t {
isa_t() { }
isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
Class cls;
// 相當於是unsigned long bits;
uintptr_t bits;
#if defined(ISA_BITFIELD)
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;
};
#endif
};
複製程式碼注意isa_t是聯合體，也就是說isa_t中的變數，cls、bits和內部的結構體全都位於同一塊地址空間。
本篇文章主要分析下isa_t中內部結構體中各個變數的作用
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;
};
複製程式碼該結構體共佔64位，其記憶體分佈如下：
在瞭解內個結構體各個變數的作用前，先通過Runtime程式碼看一下isa結構體是如何初始化的。
isa結構體初始化
isa結構體初始化定義在objc_object結構體中，看一下官方提供的函式和註釋：
// initIsa() should be used to init the isa of new objects only.
// If this object already has an isa, use changeIsa() for correctness.
// initInstanceIsa(): objects with no custom RR/AWZ
// initClassIsa(): class objects
// initProtocolIsa(): protocol objects
// initIsa(): other objects
void initIsa(Class cls /*nonpointer=false*/);
void initClassIsa(Class cls /*nonpointer=maybe*/);
void initProtocolIsa(Class cls /*nonpointer=maybe*/);
void initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor);
複製程式碼官方提供的有類物件初始化isa,協議物件初始化isa，例項物件初始化isa，其他物件初始化isa，分別對應不同的函式。
看下每個函式的實現：
inline void objc_object::initIsa(Class cls)
{
initIsa(cls, false, false);
}
inline void objc_object::initClassIsa(Class cls)
{
if (DisableNonpointerIsa || cls->instancesRequireRawIsa()) {
initIsa(cls, false/*not nonpointer*/, false);
} else {
initIsa(cls, true/*nonpointer*/, false);
}
}
inline void objc_object::initProtocolIsa(Class cls)
{
return initClassIsa(cls);
}
inline void objc_object::initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor)
{
assert(!cls->instancesRequireRawIsa());
assert(hasCxxDtor == cls->hasCxxDtor());
initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
}
複製程式碼可以看到，無論是類物件，例項物件，協議物件，還是其他物件，初始化isa結構體最終都呼叫了
inline void objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor)
複製程式碼函式，只是所傳的引數不同而已。
最終呼叫的initIsa函式的程式碼，經過簡化後如下：
inline void objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor)
{
if (!nonpointer) {
isa.cls = cls;
} else {
// 例項物件的isa初始化直接走else分之
// 初始化一個心得isa_t結構體
isa_t newisa(0);
// 對新結構體newisa賦值
// ISA_MAGIC_VALUE的值是0x001d800000000001ULL，轉化成二進位制是64位
// 根據註釋，使用ISA_MAGIC_VALUE賦值，實際上只是賦值了isa.magic和isa.nonpointer
newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;
newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
// 將當前物件的類指標賦值到shiftcls
// 類的指標是按照位元組（8bits）對齊的，其指標後三位都是沒有意義的0，因此可以右移3位
newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;
// 賦值。看註釋這個地方不是執行緒安全的？？
isa = newisa;
}
}
複製程式碼初始化例項物件的isa時，傳入的nonpointer引數是true，所以直接走了else分之。在else分之中，對isa的bits分之賦值ISA_MAGIC_VALUE。根據註釋，這樣程式碼實際上只是對isa中的magic和nonpointer進行了賦值，來看一下為什麼。
ISA_MAGIC_VALUE的值是0x001d800000000001ULL，轉化成二進位制就是0000 0000 0001 1101 1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001,將每一位對應到isa內部的結構體中，看一下對哪些變數產生了影響：
可以看到將nonpointer賦值為1；將magci賦值為110111；其他的仍然都是0。所以說只賦值了isa.magci和isa.nonpointer。
nonpointer
在文章開頭也提到了，在Objective-C語言中，類也是物件，且每個物件都包含一個isa指標，現在改為了isa結構體。nonpointer作用就是區分這兩者。
- 如果nonpointer為1，代表不是isa指標，而是isa結構體。雖然不是isa指標，但是通過isa結構體仍然能獲得類指標（下面會分析）。
- 如果nonpointer為0，代表當前是isa指標，訪問物件的isa會直接返回類指標。
magic
magic的值偵錯程式會用到，偵錯程式根據magci的值判斷當前物件已經初始過了，還是尚未初始化的空間。
has_cxx_dtor
接下來就是對has_cxx_dtor進行賦值。has_cxx_dtor表示當前物件是否有C++的解構函式（destructor）,如果沒有，釋放時會快速的釋放記憶體。
shiftcls
在函式
inline void objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor)
複製程式碼中，引數cls就是類的指標。而
newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;
複製程式碼shiftcls儲存的到底是什麼呢？
實際上，shiftcls儲存的就是當前物件類的指標。之所以右移三位是出於節省空間上的考慮。
在Objective-C中，類的指標是按照位元組(8 bits)對齊的，也就是說類指標地址轉化成十進位制後，都是8的倍數，也就是說，類指標地址轉化成二進位制後，後三位都是0。既然是沒有意義的0，那麼在儲存時就可以省略，用節省下來的空間儲存一些其他資訊。
在objc-runtime-new.mm檔案的
static __attribute__((always_inline)) id _class_createInstanceFromZone(Class cls, size_t extraBytes, void *zone,
bool cxxConstruct = true,
size_t *outAllocatedSize = nil)
複製程式碼函式，類初始化時會呼叫該函式。可以在該函式中列印類物件的地址
if (!cls) return nil;
// 這裡可以列印類指標的地址,類指標地址最後一位是十六進位制的8或者0，說明
// 類指標地址後三位都是0
printf("cls address = %p\n",cls);
複製程式碼列印出的部分資訊如下：
cls address = 0x7fff83bca218
cls address = 0x7fff83bcab28
cls address = 0x7fff83bc5290
cls address = 0x7fff83717f58
cls address = 0x7fff83717f58
cls address = 0x100b15140
cls address = 0x7fff83717fa8
cls address = 0x7fff837164c8
cls address = 0x7fff837164c8
cls address = 0x7fff83716e78
cls address = 0x100b15140
cls address = 0x7fff837175a8
cls address = 0x7fff837175a8
cls address = 0x7fff83717fa8
複製程式碼可以看到類物件的地址最後一位都是8或者0，說明類物件確實是按照位元組對齊，後三位都是0。因此在賦值shiftcls時，右移三位是安全的，不會丟失類指標資訊。
我們可以寫程式碼驗證一下物件的isa和類物件指標的關係。程式碼如下：
#import <Foundation/Foundation.h>
#import "objc-runtime.h"
// 把一個十進位制的數轉為二進位制
NSString * binaryWithInteger(NSUInteger decInt){
NSString *string = @"";
NSUInteger x = decInt;
while(x > 0){
string = [[NSString stringWithFormat:@"%lu",x&1] stringByAppendingString:string];
x = x >> 1;
}
return string;
}
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
// 把物件轉為objc_object結構體
struct objc_object *object = (__bridge struct objc_object *)([NSObject new]);
NSLog(@"binary = %@",binaryWithInteger(object->isa));
// uintptr_t實際上就是unsigned long
NSLog(@"binary = %@",binaryWithInteger((uintptr_t)[NSObject class]));
}
return 0;
}
複製程式碼列印出isa的內容是：1011101100000000000000100000000101100010101000101000001，NSObject類物件的指標是：100000000101100010101000101000000。首先將isa的內容補充至64位
0000 0101 1101 1000 0000 0000 0001 0000 0000 1011 0001 0101 0001 0100 0001
複製程式碼取第4位到第47位之間的內容，也就是shiftcls的值：
000 0000 0000 0001 0000 0000 1011 0001 0101 0001 0100 0
複製程式碼將類物件的指標右移三位，即去除後三位的0，得到
100000000101100010101000101000
複製程式碼和上面的shiftcls對比：
10 0000 0001 0110 0010 1010 0010 1000
0000 0000 0000 0010 0000 0001 0110 0010 1010 0010 1000
複製程式碼可以確認：shiftcls中的確包含了類物件的指標。
其他位
上面已經介紹了nonpointer、magic、shiftcls、has_cxx_dtor，還有一些其他位沒有介紹，這裡簡單瞭解一下。
- has_assoc: 表示物件是否含有關聯引用(associatedObject)
- weakly_referenced: 表示物件是否含有弱引用物件
- deallocating: 表示物件是否正在釋放
- has_sidetable_rc: 表示物件的引用計數是否太大，如果太大，則需要用其他的資料結構來存
- extra_rc：物件的引用計數大於1，則會將引用計數的個數存到extra_rc裡面。比如物件的引用計數為5，則extra_rc的值為4。
extra_rc和has_sidetable_c可以一起理解。extra_rc用於存放引用計數的個數，extra_rc佔8位，也就是最大表示255，當物件的引用計數個數超過257時，has_sidetable_rc的值應該為1。
總結
至此，isa結構體的介紹就完了。需要提醒的是，上面的程式碼是執行在macOS上，也就是x86_64架構上的，isa結構體也是基於x86_64架構的。在arm64架構上，isa結構體中變數所佔用的位數和x86_64架構是不一樣的，但是表示的含義是一樣的。理解了x86_64架構下的isa結構體，相信對於理解arm架構下的isa結構體，應該不是什麼難事。