Runtime原始碼淺析(內部分享)
2.1 Class型別
@interface NSObject <NSObject> {
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wobjc-interface-ivars"
Class isaOBJC_ISA_AVAILABILITY;
#pragma clang diagnostic pop
}
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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...
}
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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);
}
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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);
}
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2.3 isa.bits & ISA_MASK
union isa_t {
isa_t() { }
isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
Class cls;
uintptr_t bits;
};
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上述原始碼可以知道， isa_t 是個聯合體。
typedef unsigned longuintptr_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_MASK0x0000000ffffffff8ULL # elif __x86_64__ #define ISA_MASK0x00007ffffffffff8ULL # 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_MASK0x0000000ffffffff8ULL
#define ISA_MAGIC_MASK0x000003f000000001ULL
#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
};
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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;
};
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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;
}
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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;
}
// 816
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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;
};
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此時我們重新來看 ISA_MASK 的值 0000000ffffffff8 轉為二進位制：
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);
}
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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();
}
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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;
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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);
}
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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;
}
};
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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;
}
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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。
