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[C++知识库]isa与类关联的原理

alloc & init & new 源码分析文章中，alloc有3个核心操作，其中一个就是obj->initInstanceIsa，即类与isa绑定。主要理解类与isa是如何关联的。

objc4中分析obj->initInstanceIsa源码

探索对象本质

在main中自定义一个类LGPerson，有一个属性name

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface ZMPerson : NSObject

@property (nonatomic, copy) NSString *name;

@end

@implementation ZMPerson

@end


int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
       
    }
    return 0;
}

通过终端，利用clang将main.m编译成 main.cpp，有以下几种编译命令，这里使用的是第一种

//1、将 main.m 编译成 main.cpp
clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp

//2、将 ViewController.m 编译成 ViewController.cpp clang -rewrite-objc
-fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-13.0.0 -isysroot / /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator13.7.sdk
ViewController.m

//以下两种方式是通过指定架构模式的命令行，使用xcode工具 xcrun

//3、模拟器文件编译

xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp

//4、真机文件编译

xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main- arm64.cpp

Clang

clang是一个由Apple主导编写，基于LLVM的C/C++/OC的编译器

主要是用于底层编译，将一些文件``输出成c++文件，例如main.m 输出成main.cpp，

其目的是为了更好的观察底层的一些结构及实现的逻辑，方便理解底层原理。

请添加图片描述

ZMPerson 的定义

打开编译好的main.cpp，找到ZMPerson 的定义

// ZMPerson的底层编译
struct ZMPerson_IMPL {
	struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS; // isa
	NSString *_name;
};

//NSObject 的底层编译
struct NSObject_IMPL {
	Class isa;
};

//NSObject的定义
@interface NSObject <NSObject> {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
}

ZMPerson在底层会被编译成 struct 结构体

ZMPerson_IMPL中的第一个属性其实就是 isa，是继承自NSObject，属于伪继承，

伪继承的方式是直接将NSObject结构体定义为ZMPerson_IMPL中的第一个属性，意味着ZMPerson_IMPL拥有 NSObject中的所有成员变量。

ZMPerson中的第一个属性 NSObject_IVARS 等效于 NSObject中的 isa

疑问：为什么isa的类型是Class?

alloc & init & new 源码分析文章中，提及过alloc方法的核心之一的initInstanceIsa方法，通过查看这个方法的源码实现，我们发现，在初始化isa指针时，是通过isa_t类型初始化的
而在NSObject定义中isa的类型是Class，其根本原因是由于isa
对外反馈的是类信息，为了让开发人员更加清晰明确，需要在isa返回时做了一个类型强制转换，类似于swift中的 as
的强转。源码中isa的强转如下图所示

总结

所以从上述探索过程中可以得出：

OC对象的本质其实就是结构体
ZMPerson中的isa是继承自NSObject中的isa

objc_setProperty 源码探索(name 对应的 set方法)

除了ZMPerson的底层定义，我们发现还有属性 name 对应的 set 和 get方法，如下图所示，其中set方法的实现依赖于runtime中的objc_setProperty。

objc_setProperty的底层实现

在objc4-781中全局搜索objc_setProperty，找到objc_setProperty的源码实现
进入reallySetProperty的源码实现，其方法的原理就是新值retain，旧值release

请添加图片描述

objc_setProperty 的设计模式（适配器设计模式）

objc_setProperty方法的目的适用于关联上层的set方法以及底层的set方法，其本质就是一个接口

这么设计的原因

上层的set方法有很多，如果直接调用底层set方法中，会产生很多的临时变量，当你想查找一个sel时，会非常麻烦

适配器设计模式（即将底层接口适配为客户端需要的接口）

对外提供一个接口，供上层的set方法使用，对内调用底层的set方法，使其相互不受影响，即无论上层怎么变，下层都是不变的，或者下层的变化也无法影响上层，主要是达到上下层接口隔离的目的

下图是上层、隔离层、底层之间的关系

请添加图片描述

结构体与联合体

构造数据类型的方式有以下两种：

结构体（struct）
联合体（union，也称为共用体）

结构体

结构体是指把不同的数据组合成一个整体，其变量是共存的，变量不管是否使用，都会分配内存。

优点：

存储容量较大，包容性强，且成员之间不会相互影响

缺点：

所有属性都分配内存，比较浪费内存，假设有4个int成员，一共分配了16字节的内存，但是在使用时，你只使用了4字节，剩余的12字节就是属于内存的浪费

联合体

联合体也是由不同的数据类型组成，但其变量是互斥的，所有的成员共占一段内存。而且共用体采用了内存覆盖技术，同一时刻只能保存一个成员的值，如果对新的成员赋值，就会将原来成员的值覆盖掉

优点：

所有成员共用一段内存，使内存的使用更为精细灵活，同时也节省了内存空间

缺点：

包容性弱

结构体与联合体区别

内存占用情况

结构体的各个成员会占用不同的内存，互相之间没有影响

共用体的所有成员占用同一段内存，修改一个成员会影响其余所有成员

内存分配大小

结构体内存 >= 所有成员占用的内存总和（成员之间可能会有缝隙）

2.共用体占用的内存等于最大的成员占用的内存

isa 与类的关联原理

isa的类型 isa_t

思考：为什么isa的类型isa_t（联合体）

从isa_t的定义

以下是isa指针的类型isa_t的定义，从定义中可以看出是通过联合体（union）定义的。

union isa_t { //联合体
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
    //提供了cls 和 bits ，两者是互斥关系
    Class cls;
    uintptr_t bits;
#if defined(ISA_BITFIELD)
    struct {
        ISA_BITFIELD;  // defined in isa.h
    };
#endif
};

从isa_t的定义中可以看出：

提供了两个成员，cls 和 bits（互斥）

由联合体的定义所知，这两个成员是互斥的，也就意味着，当初始化isa指针时，有两种初始化方式

通过cls初始化，bits无默认值
通过bits初始化，cls有默认值

结构体定义的位域（ ISA_BITFIELD）

用于存储类信息及其他信息，结构体的成员ISA_BITFIELD，这是一个宏定义，有两个版本 arm64（对应ios 移动端）和 x86_64（对应macOS），以下是它们的一些宏定义，如下图所示

请添加图片描述

nonpointer有两个值，表示自定义的类等，占1位

0：纯isa指针
1：不只是类对象地址，isa中包含了类信息、对象的引用计数等 has_assoc表示关联对象标志位，占1位
0：没有关联对象
1：存在关联对象

has_cxx_dtor 表示该对象是否有C++/OC的析构器（类似于dealloc），占1位

如果有析构函数，则需要做析构逻辑
如果没有，则可以更快的释放对象

shiftclx表示存储类的指针的值（类的地址），即类信息

arm64中占 33位，开启指针优化的情况下，在arm64架构中有33位用来存储类指针
x86_64中占 44位

magic 用于调试器判断当前对象是真的对象还是没有初始化的空间，占6位

weakly_refrenced是指对象是否被指向或者曾经指向一个ARC的弱变量

没有弱引用的对象可以更快释放

deallocating 标志对象是是否正在释放内存

has_sidetable_rc表示当对象引用计数大于10时，则需要借用该变量存储进位

extra_rc（额外的引用计数） — 导尿管表示该对象的引用计数值，实际上是引用计数值减1

如果对象的引用计数为10，那么extra_rc为9

针对两种不同平台，其isa的存储情况如图所示

请添加图片描述

isa_t类型使用联合体的原因

也是基于内存优化的考虑，这里的内存优化是指在isa指针中通过char + 位域（即二进制中每一位均可表示不同的信息）的原理实现。isa指针占用的内存大小是8字节，即64位，已经足够存储很多的信息了，这样可以极大的节省内存，以提高性能

原理探索

找到obj->initInstanceIsa源码

首先从alloc进入objc的源码，找到obj = (id)calloc(1, size);操作，涉及的方法顺序是alloc --> _objc_rootAlloc --> callAlloc --> _objc_rootAllocWithZone --> _class_createInstanceFromZone

请添加图片描述

找到initIsa方法

上边 initInstanceIsa 方法点击进去

inline void 
objc_object::initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor)
{
    ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());
    ASSERT(hasCxxDtor == cls->hasCxxDtor());

    initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
}