對象本質

一、NSObject 本質

OC代碼的底層實現實質是 C/C++代碼 ，繼而編譯成匯編代碼，最終變成機器語言。

① clang C/C++ 編譯器

• Clang 是?個 C 語?、C++、Objective-C 語?的 輕量級編譯器 ，源代碼發布于 BSD 協議下。
• Clang 將?持其 普通lambda表達式 ，返回類型的簡化處理以及更好的 處理constexpr關鍵字 。
• Clang 是?個由 Apple 主導編寫，基于 LLVM的C/C++/Objective-C編譯器 。
• 2013年4?，Clang 已經全??持 C++11標準 ，并開始實現 C++1y特性 （也就是 C++14，這是 C++ 的下?個?更新版本）。Clang 將?持其 普通lambda表達式 ，返回類型的簡化處理以及更好的處理 constexpr關鍵字 。
• Clang 是?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。它與 GNU C 語?規范?乎完全兼容（當然也有部分不兼容的內容，包括編譯命令選項也會有點差異），并在此基礎上增加了額外的語法特性，?如 C 函數重載(通過 attribute((overloadable) )來修飾函數），其?標(之?)就是超越 GCC 。
• clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp 把?標?件編譯成c++?件。
• UIKit報錯問題：Xcode安裝的時候順帶安裝了 xcrun 命令， xcrun 命令在 clang 的基礎上進?了?些封裝。

clang -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-13.0.0 -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator13.0.sdk main.m

• xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o
  main-arm64.cpp (模擬器)
• xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o mainarm64.cpp (?機)

② 運用 clang 將目標文件編譯成 cpp(C++文件)

• 在main.m中添加以下代碼：

#import <Foundation/Foundation.h> #import <objc/runtime.h>@interface YDWHandsomeBoy : NSObject @property (nonatomic, copy) NSString *name; @end@implementation YDWHandsomeBoy@endint main(int argc, const char * argv[]) {@autoreleasepool {// insert code here...NSLog(@"Hello, World!");}return 0; }

• 打開終端，進入main.m所在的文件夾，通過 clang rewirte-objc main.m -o main.cpp 或 xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp 命令，生成cpp文件。

• 然后回到main.m的文件中，打開cpp文件，搜索“YDWHandsomeBoy”，即可看到，對象YDWHandsomeBoy在底層被編譯成了一個結構體：

#ifndef _REWRITER_typedef_YDWHandsomeBoy#define _REWRITER_typedef_YDWHandsomeBoytypedef struct objc_object YDWHandsomeBoy;typedef struct {} _objc_exc_YDWHandsomeBoy;#endifextern "C" unsigned long OBJC_IVAR_$_YDWHandsomeBoy$_name;struct YDWHandsomeBoy_IMPL {struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;NSString *_name;};// @property (nonatomic, copy) NSString *name;/* @end */// @implementation YDWHandsomeBoy

• 可以看到上面的c++代碼中有個NSObject_IMPL NSObject_IVARS這個東西，然后搜索NSObject_IMPL可以發現：

struct NSObject_IMPL {Class isa;};

• 由此可以得出：
  • NSObject的底層實現實質是一個 結構體 ，而結構體中的成員 isa是Class類型 ；
  • 通過源碼 typedef struct objc_class *Class 可知它是一個指針，在64為環境下指針占8個字節，而在32位機下是占4個字節，因此該結構體占8個字節（因為該結構體只有一個成員）。

二、NSObject 對象內存

• 初始化一個NSObject并打印：

NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];NSLog(@"%zd",malloc_size((__bridge const void *)obj));

• 可知NSObject對象占16個字節。那么與上文中NSObject結構體中占8個字節是否沖突？再次打印：

NSLog(@"%zd",class_getInstanceSize([NSObject class]))

• 不難發現：獲取NSObject類的實例對象的成員變量所占用的（內存對齊之后）大小，顯示確實為8個字節。
• 在objc的源碼中找到 class_getInstanceSize方法，發現它返回的是 cls->alignedInstanceSize() ，對它的描述為Class’s ivar size rounded up to a pointer-size boundary意指 返回成員變量占據的大小 。因此創建一個NSObject對象需要分配16個字節，只是真正利用的只有8個字節，即isa這個成員的大小。
• 查看allocWithZone的源碼發現它最底層的創建實例的方法實際上是調用了C語言的 calloc方法 ，在該方法中，規定若 分配的字節不滿16將把它分配為16個字節 。

三、若一個YDWHandsomeBoy類繼承自NSObject類，那么YDWHandsomeBoy類的對象占多少內存？

• 新建YDWHandsomeBoy類，添加成員變量，在main中實現以下代碼：

#import <Foundation/Foundation.h>#import <objc/runtime.h>#import <malloc/malloc.h>@interface YDWHandsomeBoy : NSObject@property (nonatomic, copy) NSString *name;@property (nonatomic, copy) NSString *nickName;@property (nonatomic, assign) int age;@property (nonatomic, assign) int address;@property (nonatomic, assign) int number;@end@implementation YDWHandsomeBoy@endint main(int argc, const char * argv[]) {@autoreleasepool {// insert code here...YDWHandsomeBoy *boy = [[YDWHandsomeBoy alloc] init];boy.name = @"Y";boy.nickName = @"D";boy.age = 18;boy.address = 10;boy.number = 11;NSLog(@"%zd",malloc_size((__bridge const void *)boy));}return 0;}打印結果如下：2020-09-02 15:44:27.345192+0800 iOS之對象isa[53982:3621024] 48

• 通過以上代碼可以看出：
• 若一個類繼承自另一個類，則它的底層會 將父類的成員變量放在結構體的最前面，此后依次放置本類的成員變量 。
• 而從之前的分析可知，NSObject_IMPL的本質就是一個 裝有成員變量isa的結構體 ，因此，YDWHandsomeBoy類對象所占的內存為isa的內存8加上YDWHandsomeBoy類成員變量所占的空間，若不滿16個字節，會強制分配到16個字節。
• 由于 內存對齊 的規定，結構體的最終大小必須是 最大成員的倍數 。

isa

一、isa 簡介

• alloc初始化時不僅 創建對象并且分配內存 ，同時 初始化 isa 指針屬性。
• Objective-C 對象在底層本質上是 結構體 ，所有的對象里面都會包含有一個 isa ，isa 的定義是一個 聯合體 isa_t ，isa_t 包含了 當前對象指向類的信息 。

union isa_t {isa_t() { }isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }Class cls;uintptr_t bits;#if defined(ISA_BITFIELD)struct {ISA_BITFIELD; // defined in isa.h};#endif};

• isa 是一個 聯合體，而這其實是從內存管理層面來設計的，因為聯合體是 所有成員共享一個內存，聯合體 內存的大小取決于內部成員內存大小最大的那個元素 。
• 對于 isa 指針來說，就不用額外聲明很多的屬性，直接在 內部的 ISA_BITFIELD 保存信息 。
• 由于聯合體 屬性間互斥 ，所以 cls 和 bits 在 isa 初始化流程時是在 兩個分支 中被賦值的。

union isa_t {isa_t() { }isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }Class cls;uintptr_t bits;#if defined(ISA_BITFIELD)struct {ISA_BITFIELD; // defined in isa.h};#endif};# define ISA_MASK 0x00007ffffffffff8ULL# define ISA_MAGIC_MASK 0x001f800000000001ULL# define ISA_MAGIC_VALUE 0x001d800000000001ULL# 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# define RC_ONE (1ULL<<56)# define RC_HALF (1ULL<<7)

• isa_t 是一個聯合體，聯合體的特性就是 內部所有的成員共用一塊內存地址空間 ，也就是說isa_t、cls、bits會共用同一塊內存地址空間，這塊 內存地址空間大小取決于最大長度內部成員的大小 ，即64位8字節，由此可以知道isa 的所占的內存空間大小為8字節。isa_t聯合體如下：

struct {uintptr_t indexed : 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;};

二、isa 結構

isa 作為一個聯合體，有一個結構體屬性為 ISA_BITFIELD ，其大小為 8 個字節，也就是 64 位。基于__arm64__ 和 x86 64 架構如下：

# if __arm64__ # define ISA_MASK 0x0000000ffffffff8ULL # define ISA_MAGIC_MASK 0x000003f000000001ULL # define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL # 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 # define RC_ONE (1ULL<<45) # define RC_HALF (1ULL<<18)# elif __x86_64__ # define ISA_MASK 0x00007ffffffffff8ULL # define ISA_MAGIC_MASK 0x001f800000000001ULL # define ISA_MAGIC_VALUE 0x001d800000000001ULL # 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 # define RC_ONE (1ULL<<56) # define RC_HALF (1ULL<<7)# else # error unknown architecture for packed isa # endif

• union-isa_t 存儲分配如下：

• nonpointer: 表示是否對 isa 指針 開啟指針優化 ：
  0: 純 isa 指針；
  1: 不止是類對象地址, isa 中包含了類信息、對象的引用計數等。
• 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 位用來存儲類指針。
• magic: 用于 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: 標志對象是否被指向或者曾經 指向一個 ARC 的弱變量 ，沒有弱引用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: 當對象引用技術大于 10 時，則需要借用該變量 存儲進位 。
• extra_rc: 當表示該 對象的引用計數值 ，實際上是引用計數值減 1。 例如，如果對象的引用計數為 10，那么 extra_rc 為 9；如果引用計數大于 10， 則需要使用到has_sidetable_rc。

三、isa 初始化

① isa 源碼實現

• 在objc的源碼中有isa的初始化方法：

inline void objc_object::initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor) {assert(!cls->instancesRequireRawIsa());assert(hasCxxDtor == cls->hasCxxDtor());initIsa(cls, true, hasCxxDtor);}inline void objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor) { assert(!isTaggedPointer()); if (!nonpointer) {isa.cls = cls;} else {assert(!DisableNonpointerIsa);assert(!cls->instancesRequireRawIsa());isa_t newisa(0);#if SUPPORT_INDEXED_ISAassert(cls->classArrayIndex() > 0);newisa.bits = ISA_INDEX_MAGIC_VALUE;// isa.magic is part of ISA_MAGIC_VALUE// isa.nonpointer is part of ISA_MAGIC_VALUEnewisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;newisa.indexcls = (uintptr_t)cls->classArrayIndex();#elsenewisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;// isa.magic is part of ISA_MAGIC_VALUE// isa.nonpointer is part of ISA_MAGIC_VALUEnewisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;#endif// This write must be performed in a single store in some cases// (for example when realizing a class because other threads// may simultaneously try to use the class).// fixme use atomics here to guarantee single-store and to// guarantee memory order w.r.t. the class index table// ...but not too atomic because we don't want to hurt instantiationisa = newisa;}}

• 由于nonpointer傳入的是true，SUPPORT_INDEXED_ISA定義為0，所以可以對這段代碼簡化一下：

inline void objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor) { isa_t newisa(0);newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;isa = newisa;}

② isa 初始化數據

• 可以看到對bits的賦值ISA_MAGIC_VALUE = 0x001d800000000001ULL，將此轉為二進制，在結合isa_t的結構得出如下的isa_t的初始數據圖：

• 對 isa 賦值ISA_MAGIC_VALUE初始化實際上只是設置了indexed和magic兩部分的數據：
  • indexed表示 isa_t 的類型 ：0表示 raw isa，也就是沒有結構體的部分，訪問對象的 isa 會直接返回一個指向 cls 的指針，也就是在 iPhone 遷移到 64 位系統之前時 isa 的類型；1則表示當前 isa 不是指針，但是其中也有 cls 的信息，只是其中關于類的指針都是保存在 shiftcls 中。
  • magic 用于 調試器判斷當前對象是否有初始化空間 。
• 在設置indexed和magic的值后會對has_cxx_dtor進行設值。has_cxx_dtor表示該對象是否有 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。

newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;

• 將當前對象的類指針存放在 shiftcls 中：

newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;

• 對cls的地址右移動3位的目的是 為了減少內存的消耗 ，因為類的指針需要按照8字節對齊，也就是說類的指針的大小必定是8的倍數，其二進制后三位為0 ，右移三位抹除后面的3位0并不會產生影響。

③ isa的初始化流程示意

四、isa 關聯對象和類

isa 是對象中的第一個屬性，這是在繼承的時候發生的，要早于對象的成員變量，屬性列表，方法列表以及所遵循的協議列表。在 alloc 底層，有一個方法叫做 initIsa ，這個方法的作用就是 初始化 isa 聯合體位域 。上文中我們已經看到了這個方法：

newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;

① cls 存儲到 isa

• isa 剛初始化時，還沒有被賦值，bits 全為空值，p newisa 如下：

• 繼續向下執行，當斷點執行到如下位置的時候，bits 會被賦上默認值(nonpointer = 1，magic = 59)，繼續p newisa如下：

• 為什么 magic = 59 呢？其實，通過計算器可以轉換算出：0x001d800000000001 = 59，上面我們已經 po 0x001d800000000001ULL 了，可以看到這個默認值。
• 繼續輸出 bits 二進制、輸出 cls 指針二進制可以看到：在未設置 shiftcls 時，bits 從右到左 [3, 46] 位都是0。如下：

(lldb) p/t 8303511812964353(long) $3 = 0b0000000000011101100000000000000000000000000000000000000000000001(lldb) p/t (uintptr_t)cls(uintptr_t) $4 = 0b0000000000000000000000000000000100000000010001110100000000111000(lldb) p/t (uintptr_t)cls >> 3(uintptr_t) $5 = 0b0000000000000000000000000000000000100000000010001110100000000111(lldb)

• 為什么要右移三位？在 Objective-C 中，類的指針是按照字節(8 bits)對齊的，也就是說類指針地址轉化成十進制后，都是8的倍數，也就是說，類指針地址轉化成二進制后，后三位都是0。既然是沒有意義的0，那么在存儲時就可以省略，用節省下來的空間存儲一些其他信息。
• 當 bits 被賦值之后，如下：

• 可以看到，現在的 bits 的 [3, 46] 位正好是之前 cls 指針右移三位的內容。

② isa 關聯對象和類

• 通過 LLDB 進行調試打印，就可以知道一個對象的 isa 會關聯到這個對象所屬的類：

• LLDB 調試的時候左移右移操作其實很好理解，先觀察 isa 的 ISA_BITFIELD 位域的結構：ISA_BITFIELD 的前 3 位是 nonpointer、has_assoc、has_cxx_dtor ，中間 44 位是 shiftcls ，后面 17 位是剩余的內容，同時因為 iOS 是 小端模式 ，那么就需要去掉右邊的 3 位和左邊的 17位，所以就會采用 >> 3 << 3 然后 << 13 >> 13 的操作。

五、isa 走位分析

① class object（類對象）/ metaclass（元類）

• Object-C的對象其本質就是結構體，前面也分析了每一個對象都會有一個isa。同時類的本質也是一個結構體，而且是繼承自objc_object的。

struct objc_object {private:isa_t isa;...};struct objc_class : objc_object {// Class ISA;Class superclass;// 方法緩存cache_t cache; // formerly cache pointer and vtable// 用于獲取具體的類信息class_data_bits_t bits; // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags...};

• 在objc_class中也有isa：

struct objc_class : objc_object {isa_t isa;Class superclass;cache_t cache; // formerly cache pointer and vtableclass_data_bits_t bits; // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags...};

• class_isMetaClass用于判斷Class對象是否為元類，object_getClass用于獲取對象的isa指針指向的對象。

OBJC_EXPORT BOOL class_isMetaClass(Class cls) OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0);OBJC_EXPORT Class object_getClass(id obj) OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0);

• 我們知道：對象可以創建多個，但是類是否可以創建多個呢？其實答案是否定的，類在內存中只會存在一份。

Class class1 = [Boy class];Class class2 = [Boy alloc].class;Class class3 = object_getClass([Boy alloc]);Class class4 = [Boy alloc].class;NSLog(@"\n%p-\n%p-\n%p-\n%p",class1, class2, class3, class4);// 打印如下：0x10edbedc80x10edbedc80x10edbedc80x10edbedc8

• 通過 LLDB 調試打印，其實可以發現：類的內存結構里面的第一個結構打印出來還是 Boy，那么是不是就意味著 對象 ->類->類 這樣的死循環呢？這里的第二個類其實是 元類，是由系統創建的，這個元類無法被我們實例化。

• 一個實例對象通過class方法獲取的Class就是它的isa指針指向的類對象，而類對象不是元類，類對象的isa指針指向的對象是元類。關系如下：
  

② isa 走位

• 官方的經典 isa 走位圖：
  • 實例對象的isa指向的是類；
  • 類的isa指向的元類；
  • 元類指向根元類；
  • 根元類指向自己；
  • NSObject的父類是nil，根元類的父類是NSObject。

• LLDB 調試打印：

六、對象的本質 isa

• OC 對象的本質就是一個結構體，在 libObjc 源碼的 objc-private.h 源文件中可以看到：

struct objc_object {private:isa_t isa;public:// ISA() assumes this is NOT a tagged pointer objectClass ISA();// getIsa() allows this to be a tagged pointer objectClass getIsa();......}

• 對于對象所屬的類來說，也可以在 objc-runtime-new.h 源文件中找到（即 objc_class 內存中第一個位置是 isa，第二個位置是 superclass）：

struct objc_class : objc_object {// Class ISA;Class superclass;cache_t cache; // formerly cache pointer and vtableclass_data_bits_t bits; // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags......}

• 對象在底層其實是一個結構體 objc_object ，而Class 在底層也是一個結構體 objc_class 。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的iOS之深入解析对象isa的底层原理的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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