前段時間，公司內部開發小組進行了一場Runtime分享交流會，我也重新拾遺了一些與Runtime相關的知識，現分享出來，一起學習。
1.準備：
之前文章：
Runtime在工作中的運用
原始碼：
關鍵詞：
OC物件、Class、isa指標
2.NSObject物件的Class
2.1 Class型別
@interface NSObject <NSObject> {
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wobjc-interface-ivars"
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#pragma clang diagnostic pop
}
複製程式碼在Runtime原始碼中，我們能發現NSObject物件只有一個Class型別的成員變數：isa
typedef struct objc_class *Class;
複製程式碼Class物件其實是一個指向objc_class結構體的指標。
struct objc_object {
private:
isa_t isa;
// 這裡省略成員變數以及方法...
}
複製程式碼
Class型別本質是個結構體，該結構體中儲存了該NSObject中的所有資訊。
那麼一個NSObject物件佔用多少記憶體？
NSObjcet實際上是隻有一個名為isa的指標的結構體，因此佔用一個指標變數所佔用的記憶體空間大小，如果64bit(64位架構中)佔用8個位元組，如果32bit佔用4個位元組。
2.2 Class方法
- (Class)class {
return object_getClass(self);
}
複製程式碼在Runtime原始碼中，我們呼叫Class方法，其實是在呼叫object_getClass(self)，最終通過下面程式碼獲取結果值。
inline Class
objc_object::ISA()
{
// 忽略其它方法
return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);
}
複製程式碼2.3 isa.bits & ISA_MASK
union isa_t {
isa_t() { }
isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
Class cls;
uintptr_t bits;
};
複製程式碼上述原始碼可以知道，isa_t是個聯合體。
typedef unsigned long uintptr_t;
複製程式碼bits是long型別的數值。
在isa.h中，可以找到ISA_MASK原始碼
# if __arm64__
# define ISA_MASK 0x0000000ffffffff8ULL
# elif __x86_64__
# define ISA_MASK 0x00007ffffffffff8ULL
# else
# error unknown architecture for packed isa
# endif
複製程式碼可知，其實ISA_MASK還是個數值型別
我們可以看到class方法最終獲取的即是：
結構體
objc_object的isa.bits & ISA_MASK的數值計算結果。
3.NSObject物件的isa_t
3.1 isa_t
// 精簡過的isa_t共用體
union isa_t
{
isa_t() { }
isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
Class cls;
uintptr_t bits;
# if __arm64__
# define ISA_MASK 0x0000000ffffffff8ULL
# define ISA_MAGIC_MASK 0x000003f000000001ULL
# define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL
struct {
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;
# define RC_ONE (1ULL<<45)
# define RC_HALF (1ULL<<18)
};
#endif
};
複製程式碼上述原始碼中isa_t是union(共用體)型別。可以看到共用體中有一個結構體，結構體內部分別定義了一些變數，變數後面的值代表的是該變數佔用多少個二進位制位，也就是位域技術。
原始碼中通過共用體的形式儲存了64位的值，這些值在結構體中被展示出來，通過對bits進行位運算而取出相應位置的值。
3.2 共用體
在進行某些演算法的C語言程式設計的時候，需要使幾種不同型別的變數存放到同一段記憶體單元中。也就是使用覆蓋技術，幾個變數互相覆蓋。這種幾個不同的變數共同佔用一段記憶體的結構，在C語言中，被稱作“共用體”型別結構，簡稱共用體，也叫聯合體。
優點：可以很大程度上節省記憶體空間。
union U1
{
int n;
char s[11];
double d;
};
複製程式碼對於U1共用體，s佔11位元組，n佔4位元組，d佔8位元組，因此其至少需11位元組的空間。然而其實際大小並不是11，用運算子sizeof測試其大小為16。這是因為記憶體對齊原則，11既不能被4整除，也不能被8整除。因此補充位元組到16，這樣就符合所有成員的自身對齊了。所以聯合體的記憶體除了取最大成員記憶體外，還要保證是所有成員型別size的最小公倍數
對比類的記憶體對齊：
原則 1. 前面的地址必須是後面的地址正數倍,不是就補齊。 原則 2. 整個Struct的地址必須是最大位元組的整數倍。
@interface MXRPerson : NSObject{
int _age;
}
複製程式碼person物件的第一個地址要存放isa指標需要8個位元組，第二個地址要存放_age成員變數需要4個位元組，因此person物件就佔用16個位元組空間。
程式碼驗證：
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
// 驗證記憶體地址
NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];
NSLog(@"%zd",class_getInstanceSize([NSObject class]));
NSLog(@"%zd",class_getInstanceSize([MXRPerson class]));
}
return 0;
}
// 8 16
複製程式碼3.3 isa中儲存的資訊及作用
struct {
// 0代表普通的指標，儲存著Class，Meta-Class物件的記憶體地址。
// 1代表優化後的使用位域儲存更多的資訊。
uintptr_t nonpointer : 1;
// 是否有設定過關聯物件，如果沒有，釋放時會更快
uintptr_t has_assoc : 1;
// 是否有C++解構函式，如果沒有，釋放時會更快
uintptr_t has_cxx_dtor : 1;
// 儲存著Class、Meta-Class物件的記憶體地址資訊
uintptr_t shiftcls : 33;
// 用於在除錯時分辨物件是否未完成初始化
uintptr_t magic : 6;
// 是否有被弱引用指向過。
uintptr_t weakly_referenced : 1;
// 物件是否正在釋放
uintptr_t deallocating : 1;
// 引用計數器是否過大無法儲存在isa中
// 如果為1，那麼引用計數會儲存在一個叫SideTable的類的屬性中
uintptr_t has_sidetable_rc : 1;
// 裡面儲存的值是引用計數器減1
uintptr_t extra_rc : 19;
};
複製程式碼此時我們重新來看ISA_MASK的值 0000000ffffffff8 轉為二進位制：
111111111111111111111111111111111000
可以看出ISA_MASK的值轉化為二進位制中有33位都為1，所以按位與的作用是可以取出這33位中的值。我們再回頭看看isa_t的原始碼，不難發現，這33位對應的是結構體的shiftcls的位域。那麼ISA_MASK同shiftcls進行按位與運算即可以取出Class或Meta-Class的值(記憶體地址的值)。
同時可以看出ISA_MASK最後三位的值為0，那麼任何數同ISA_MASK按位與運算之後，得到的最後三位必定都為0，因此任何類物件或元類物件的記憶體地址最後三位必定為0，轉化為十六進位制末位必定為8或者0。
物件的isa指標需要同
ISA_MASK經過一次&（按位與）運算才能得出真正的Class物件地址。
程式碼驗證
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
MXRPerson *person = [[MXRPerson alloc]init];
NSLog(@"%p",[person class]);
NSLog(@"%@",person);
}
複製程式碼2019-04-24 18:21:30.424630+0800 IsaTestDemo[58799:8221193] 0x1005c8db0
(lldb) p/x person->isa
(Class) $0 = 0x000001a1005c8db1 MXRPerson
複製程式碼shiftcls中儲存類物件地址。把轉為2進位制的例項物件isa地址與轉為2進位制的類物件地址作對比，可以看出儲存類物件地址的33位二進位制內容完全相同。
4.Class物件在記憶體中儲存的資訊
4.1 instance物件在記憶體中儲存的資訊包括
- isa指標
- 其他成員變數
4.2 class物件在記憶體中儲存的資訊主要包括
- isa指標
- superclass指標
- 類的屬性資訊（@property），類的成員變數資訊（ivar）
- 類的物件方法資訊（instance method），類的協議資訊（protocol）
4.3 class_rw_t & class_ro_t
我們發現class_rw_t中儲存著方法列表，屬性列表，協議列表等內容。
struct objc_class : objc_object {
// Class ISA;
Class superclass;
cache_t cache; // 方法進行快取
class_data_bits_t bits; // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
class_rw_t *data() {
return bits.data();
}
複製程式碼class_rw_t中的methods是二維陣列的結構，並且可讀可寫，因此可以動態的新增方法，並且更加便於分類方法的新增。
struct class_rw_t {
// Be warned that Symbolication knows the layout of this structure.
uint32_t flags;
uint32_t version;
const class_ro_t *ro;
method_array_t methods;
property_array_t properties;
protocol_array_t protocols;
複製程式碼而class_rw_t是通過bits呼叫data方法得來的，我們來到data方法內部實現。我們可以看到，data函式內部僅僅對bits進行&FAST_DATA_MASK操作
class_rw_t* data() {
return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
}
複製程式碼成員變數資訊則是儲存在class_ro_t內部中的，我們來到class_ro_t內檢視。
struct class_ro_t {
uint32_t flags;
uint32_t instanceStart;
uint32_t instanceSize; //例項物件大小
#ifdef __LP64__
uint32_t reserved;
#endif
const uint8_t * ivarLayout;
const char * name; // 類名
method_list_t * baseMethodList;
protocol_list_t * baseProtocols;
const ivar_list_t * ivars; // 成員變數
const uint8_t * weakIvarLayout;
property_list_t *baseProperties;
method_list_t *baseMethods() const {
return baseMethodList;
}
};
複製程式碼4.4 每個類在記憶體中有且只有一個meta-class物件,在記憶體中儲存的資訊主要包括
- isa指標
- superclass指標
- 類的類方法的資訊（class method）
5.驗證物件的isa指標指向
1.當物件呼叫例項方法的時候，我們上面講到，例項方法資訊是儲存在class類物件中的，那麼要想找到例項方法，就必須找到class類物件，那麼此時isa的作用就來了
instance的isa指向class，當呼叫物件方法時，通過instance的isa找到class，最後找到物件方法的實現進行呼叫。
2.當類物件呼叫類方法的時候，同上，類方法是儲存在meta-class元類物件中的。那麼要找到類方法，就需要找到meta-class元類物件，而class類物件的isa指標就指向元類物件
class的isa指向meta-class當呼叫類方法時，通過class的isa找到meta-class，最後找到類方法的實現進行呼叫
3.當物件呼叫其父類物件方法的時候，又是怎麼找到父類物件方法的呢？，此時就需要使用到class類物件superclass指標。
當Student的instance物件要呼叫Person的物件方法時，會先通過isa找到Student的class，然後通過superclass找到Person的class，最後找到物件方法的實現進行呼叫，同樣如果Person發現自己沒有響應的物件方法，又會通過Person的superclass指標找到NSObject的class物件，去尋找響應的方法
4.當類物件呼叫父類的類方法時，就需要先通過isa指標找到meta-class，然後通過superclass去尋找響應的方法
當Student的class要呼叫Person的類方法時，會先通過isa找到Student的meta-class，然後通過superclass找到Person的meta-class，最後找到類方法的實現進行呼叫
程式碼驗證：
struct mxr_objc_class{
Class isa;
};
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
// 如何證明isa指標的指向真的如上面所說？
NSObject *object = [[NSObject alloc] init];
Class objectClass = [NSObject class];
// 我們自己建立一個同樣的結構體並通過強制轉化拿到isa指標。
struct mxr_objc_class *objectClass2 = (__bridge struct mxr_objc_class *)(objectClass);
Class objectMetaClass = object_getClass([NSObject class]);
NSLog(@"%p %p %p", object, objectClass, objectMetaClass);
}
return 0;
}
複製程式碼驗證結果1
(lldb) p/x object->isa
(Class) $0 = 0x001d800100b16141 NSObject
(lldb) p/x objectClass
(Class) $1 = 0x0000000100b16140 NSObject
(lldb) p/x 0x00007ffffffffff8 & 0x001d800100b16141
(long) $2 = 0x0000000100b16140
複製程式碼object-isa指標地址0x001dffff96537141經過同0x00007ffffffffff8位運算，得出objectClass的地址0x00007fff96537140
驗證結果2
我們來驗證class物件的isa指標是否同樣需要位運算計算出meta-class物件的地址。
以同樣的方式列印objectClass->isa指標時，發現無法列印。
(lldb) p/x objectClass->isa
error: member reference base type 'Class' is not a structure or union
複製程式碼為了拿到isa指標的地址，我們自己建立一個同樣的結構體並通過強制轉化拿到isa指標。
(lldb) p/x objectClass2->isa
(Class) $0 = 0x001d800100b160f1
(lldb) p/x objectMetaClass
(Class) $1 = 0x0000000100b160f0
(lldb) p/x 0x00007ffffffffff8 & 0x001d800100b160f1
(long) $2 = 0x0000000100b160f0
複製程式碼objectClass2的isa指標經過位運算之後的地址是meta-class的地址。
參考文章
最新Runtime原始碼objc4-750編譯
探尋OC物件的本質
淺析NSObject物件的Class
神經病院Objective-C Runtime入院第一天——isa和Class