前言

在研究 isa 之前，我们首先思考一个问题，OC对象的本质是什么？ isa在其中又是扮演什么角色？在研究OC对象的本质之前，我们先来了解一个工具Clang。

Clang

引用百度百科的一句话：Clang是一个由Apple主导编写，基于LLVM的C/C++/Objective-C编译器。所以，我们可以通过Clang将OC源码编译成C++代码。

OC对象的本质

首先声明一个 PYTeacher 的类：

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface PYTeacher : NSObject

@end

@implementation PYTeacher

@end

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

通过一下命令把目标文件编译成C++文件：

clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp

查阅C++文件，我们发现 PYTeacher 被编译为：

// 省略...

struct PYTeacher_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
};

// 省略...

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};

所以OC对象的本质为 结构体，NSObject_IMPL 为 NSObject 的 结构体，每个OC实例都会包含一个继承自NSObject的 isa 指针。

isa

从刚才的代码中，我们发现 isa 是一个指向 Class 的指针。那 isa 的本质又是什么呢？

struct objc_object {
    private:
        isa_t isa;

    public:
        省略...
}

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
};

从上面的源码，我们发现 isa 本质是一个 联合体&位域。
其中 ISA_BITFIELD是一个宏定义，在arm64和x86_64下分别定义如下：

__arm64__
#   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
      
__x86_64__
#   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

可以看到在 isa_t 联合体中不仅仅表明了指向对象的地址信息，而且这个 64 位数据还记录了其 bits 情况以及该实例每一位保存的对象信息。
首先先来看一下这 64 个二进制位每一位的含义：

此时，我们可以通过一打印 isa 的 shiftcls 值来验证实例对象的类型，我们先将 PYTeacher 实例化，然后打印实例对象的内存分布：

(lldb) x/4gx teacher
0x10069e3a0: 0x001d800100002359 0x0000000000000000
0x10069e3b0: 0x50626154534e5b2d 0x65695672656b6369

0x001d800100002359 就是 isa 的指针，然后打印 isa 的二进制内容（以x86_64为例）：

(lldb) p/t 0x001d800100002359
(long) $1 = 0b0000000000011101100000000000000100000000000000000010001101011001

所以 shiftcls 的区域就是 0b0000000000011101100000000000000100000000000000000010001101011001，将 shiftcls 以外的值抹0，打印结果：

(lldb) po 0b0000000000000000000000000000000100000000000000000010001101011000
PYTeacher

我们也可以先将 isa 的值 右移3位，左移20位，再右移17位 的方式验证：

(lldb) p/x 0x001d800100002359 >> 3
(long) $3 = 0x0003b0002000046b
(lldb) p/x 0x0003b0002000046b << 20
(long) $4 = 0x0002000046b00000
(lldb) p/x 0x0002000046b00000 >> 17
(long) $5 = 0x0000000100002358
(lldb) po 0x0000000100002358
PYTeacher

所以类的实例对象通过 isa 指向自己所属的类，而类通过 isa 指向元类，元类通过 isa 指向根元类，根元类的 isa 指向自己。这样就形成了一个闭环。如下图：

类的继承.png