iOS 底层原理 --- isa指针

本文讲述isa指针在runtime内部的底层实现和isa的优化方式

isa指针的底层实现

在arm64架构出现之前，isa就是一个普通的指针(Class isa)，存储着Class,Meta-Class对象的内存地址
从arm64架构开始，对isa进行了优化，变成了一个共用体，还使用位域来存储更多的信息
isa指针的结构如下（objc4-818.2）

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

private:
    Class cls;

public:
    struct {
        uintptr_t nonpointer        : 1; 
        uintptr_t has_assoc         : 1;
        uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;
        uintptr_t shiftcls          : 33;
        uintptr_t magic             : 6;
        uintptr_t weakly_referenced : 1;
        uintptr_t unused            : 1;
        uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;
        uintptr_t extra_rc          : 19
    };

    bool isDeallocating() {
        return extra_rc == 0 && has_sidetable_rc == 0;
    }
    void setDeallocating() {
        extra_rc = 0;
        has_sidetable_rc = 0;
    }

    void setClass(Class cls, objc_object *obj);
    Class getClass(bool authenticated);
    Class getDecodedClass(bool authenticated);
};

首先，共用体同结构体一样，是拥有成员变量的，但是不同的点在于所有成员变量共用一块内存，也就是说当一个成员变量有值时，其他成员变量都成了装饰。

在runtime中，我们只需要用到uintptr_t bits，uintptr_t是unsigned long的别名，在64位系统下占用8个字节，共64位

共用体内的struct { ... } 是为了增加可读性而添加的，它描述了bits里面存放了什么信息，我们一个个说明一下

补充说明：结构体内的冒号后面的数字表示这个成员所占的位数，举个例子，本来char name作为一个成员变量，是会占用一个字节，也就是8个二进制位，如果有3个这样子的成员变量，那么这个结构体就会占用3个字节，如果我们在这个成员变量的后面添加了一个数字，去限制这个成员变量所占的位数，比如char name : 1，那么三个这样子的成员变量就一共占用3个二进制位，也就是不到一个字节，因为系统分配内存的最小单位为1个字节，所以这个结构体就占用1个字节，这么做我们就可以节约2个字节了，这种技术叫做位域。

nonpointer
- 0代表普通的指针，存储着Class、Meta-Class对象的内存地址
- 1代表优化过，使用位域存储着更多的信息
has_assoc
- 是否有设置过关联对象（注意是“设置过”，就算以后关联对象移除了，它还会是true），如果没有，会释放得更快
has_cxx_dtor
- 是否有C++的析构函数（.cxx_destruct），如果没有，会释放得更快

上面两个会释放得更快的原因是，在对象销毁的时候，会调用runtime里面的这个方法

void *objc_destructInstance(id obj) 
{
    if (obj) {
        // Read all of the flags at once for performance.
        bool cxx = obj->hasCxxDtor();
        bool assoc = obj->hasAssociatedObjects();

        // This order is important.
        if (cxx) object_cxxDestruct(obj);
        if (assoc) _object_remove_assocations(obj, /*deallocating*/true);
        obj->clearDeallocating();
    }

    return obj;
}

可以看到如果has_assoc或者has_cxx_dtor的话，就不会进入判断为true的逻辑，函数会运行得更快

shiftcls
- 存储着Class、Meta-Class对象的内存信息
magic
- 用于在调试时分辨对象是否未完成初始化
weakly_referenced
- 是否有被弱引用指向过（同样注意“指向过”，有过即为true），如果没有，释放时会更快

“会释放得更快”是因为对象销毁时调用了如下runtime源码

NEVER_INLINE void
objc_object::clearDeallocating_slow()
{
    ASSERT(isa.nonpointer  &&  (isa.weakly_referenced || isa.has_sidetable_rc));

    SideTable& table = SideTables()[this];
    table.lock();
    if (isa.weakly_referenced) {
        weak_clear_no_lock(&table.weak_table, (id)this);
    }
    if (isa.has_sidetable_rc) {
        table.refcnts.erase(this);
    }
    table.unlock();
}

deallocating
- 对象是否正在释放
extra_rc
- 里面存储的值是引用计数器减1后的值
has_sitdtable_rc
- 引用计数器是否过大无法存储在isa中
- 如果为1，那么引用计数器会存储在一个叫做SideTable的类的属性中

如何从isa指针中取出对应的信息

isa是通过位运算来取出和存入信息的。

我们以取出shiftcls内的类信息为例

首先isa里面的bits存储着64个二进制位，然后其中shiftcls是使用了33个（从上面的共用体里面的位域看出），当系统需要取出对应信息的时候，就使用ISA_MASK（ISA掩码）跟bits做一次与运算，举个例子，bits的十六进制地址为0x011d8001000083a5

补充： ISA_MASK在arm64下的值为0x0000000ffffffff8ULL，下面我们把他转成二进制

	8	16	24	32	40	48	56	64
bits (0x011d8001000083a5)	1010 0101	1100 0001	0000 0000	0000 0000	1000 0000	0000 0001	1011 1000	1000 0000
ISA_MASK (0x0000000ffffffff8)	0001 1111	1111 1111	1111 1111	1111 1111	1111 0000	0000 0000	0000 0000	0000 0000
与运算后的结果 (0x00000001000083a0)	0000 0101	1100 0001	0000 0000	0000 0000	1000 0000	0000 0000	0000 0000	0000 0000

我们可以来验证一下

可以看到 isa一开始的值跟[person class]的值是不相同的，跟ISA_MASK进行一次与运算之后就相同了，所以可以看出实例对象的isa不是直接指向类对象的，是需要进行一次运算取出来的。

其他的信息如nonpointer等，取出的方式也类似这样，这么做的好处是充分利用了64个二进制位的内存，而不用像以前一样一个属性就占用了多个字节，造成二进制位的浪费。