03 - isa结构探索及关联类

今天的主题是探索isa的结构在此之前我们需要先了解下什么是联合体

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。

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
优点：存储容量较大，包容性强，且成员之间不会相互影响

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

缺点：，包容性弱
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

两者的区别

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）
共用体占用的内存等于最大的成员占用的内存

现在我们已经大致了解什么是联合体,下面进行isa探索,上代码

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        
        
        Person *objc = [Person alloc];

        NSLog(@"Hello, World!  %@",objc);
    }
    return 0;
}

从alloc的源码跟进去到关联指针和类的步骤：

if (!zone && fast) {
        obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor);
    } else {
        // Use raw pointer isa on the assumption that they might be
        // doing something weird with the zone or RR.
        obj->initIsa(cls);
    }

跟进obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor);

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

    initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
}

主要做的事情是initIsa(cls, true, hasCxxDtor);

inline void 
objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor) 
{ 
    ASSERT(!isTaggedPointer()); 
    
    if (!nonpointer) {
        isa = isa_t((uintptr_t)cls); // isa 初始化
    } else {
        ASSERT(!DisableNonpointerIsa);
        ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());

        isa_t newisa(0);  // isa 初始化
#if SUPPORT_INDEXED_ISA // !nopointmenter 执行的流程 ,即isa通过cls定义
        ASSERT(cls->classArrayIndex() > 0);
        newisa.bits = ISA_INDEX_MAGIC_VALUE;
        // isa.magic is part of ISA_MAGIC_VALUE
        // isa.nonpointer is part of ISA_MAGIC_VALUE
        newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
        newisa.indexcls = (uintptr_t)cls->classArrayIndex();
#else //bits 时执行的流程
        newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;//bist进行赋值  为0x001d800000000001ULL
        // isa.magic is part of ISA_MAGIC_VALUE
        // isa.nonpointer is part of ISA_MAGIC_VALUE
        newisa.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 instantiation
        isa = newisa;
    }
}

可以看到不管!nonpointer条件是否满足，都会生成一个isa_t的类型。跟进去可以发现：

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_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。通常来说，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

从isa_t的定义中可以看出：

提供了两个成员，cls 和bits，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

还提供了一个结构体定义的位域，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

位域宏定义

其中存储的成员信息：

nonpointer一般自定义的类都是这个类型的，而系统类才会有纯isa指针的情况，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关联对象标志位，0代表没有关联对象，1代表存在关联对象，占1位。
has_cxx_dtor该对象是否有C++或OC的析构器，如果有析构函数，则需要做析构逻辑，如果没有，则可以更快释放对象，占1位。
shiftclx存储类指针的值，也就是类信息，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``架构中占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 标志对象是否正在释放内存。
has_sidetable_rc当对象引用计数大于2的19次方(x86_64架构为2的8次方)时，则需要存储到散列表，这时该变量值变为true。
extra_rc表示该对象的``引用计数值，最大为2的19次方(x86_64架构为2的8次方)，实际上是引用计数值减1，，如果大于最大容量，就需要取一半计数存到散列表中，真机上最多有8张散列表存储对象引用计数，x86_64则最多64张，这时上面的has_sidetable_rc值置为true。