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Runtime源码阅读分享之对象的本质，了解isa

引言

我们都知道，Runtime 是 Objective-C 这门动态语言的核心，只有理解了它，我们才能够更好的理解 Objective-C 到底是如何工作的，在编程时，也会更加得心应手。由于时间和精力有限，此次我主要想从以下几方面来进行 Runtime 源码的阅读，日后将会逐步完善。由于总体篇幅较长，所以我将会每一部分拆分成一篇文章来具体分析。

/// Represents an instance of a class. struct objc_object { private: isa_t isa; public: // ISA() assumes this is NOT a tagged pointer object Class ISA();
}; // 其内部有一个指向 Class 的指针，而 Class 是什么呢 // An opaque type that represents an Objective-C class. typedef struct objc_class *Class; // 再来看一下  objc_class 的定义,需要注意的是，objc_class 也是继承自 objc_object， 由于 objc_object 中已经定义了一个 isa 指针，由于结构体中所有的成员都是 public 的，所以 objc_class 也就拥有了 isa 并且也拥有访问 isa 的权限。 struct objc_class : objc_object { // Class ISA;   // 此时，类中的 isa 指针指向的是 metaClass 元类 Class superclass; // 父类 cache_t cache; // formerly cache pointer and vtable 类的方法缓存，因为 Runtime 时会把第一次遇到的方法缓存到方法缓存中，此后将直接从缓存中读取方法，极大提高了效率 class_data_bits_t bits; // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags //  class_data_bits_t  class_rw_t + 一个 rr/alloc 位 };

所以到这里，我们也就理解到了，实际上，类也是一个对象

我们需要知道的是，在 Objective-C 中，对象的方法并没有存储于对象的结构体中（如果每一个对象都保存了自己能执行的方法，那么对内存的占用有极大的影响）。在调用实例方法时，而是通过 isa 指针来寻找相应的类，通过 class_data_bits_t 来寻找类中的方法。具体是如何寻找的，我们看

// 首先 class_data_bits_t 中有一个 bits 位 struct class_data_bits_t { // Values are the FAST_ flags above. uintptr_t bits; public: // 这里返回的数据是 class_rw_t* 指针类型的数据，在这个方法中我们可以看出，将 bits 与 FAST_DATA_MASK 进行位运算，只取其中的 [3, 47] 位转换成 class_rw_t * 返回。 class_rw_t* data() { return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
    }
} // data() 返回的是一个 class_rw_t* 指针， class_rw_t 又是什么？ // 类中的属性、方法还有遵循的协议等信息都保存在 class_rw_t 中： 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;

    Class firstSubclass;
    Class nextSiblingClass; char *demangledName; #if SUPPORT_INDEXED_ISA uint32_t index; #endif }; // 由此我们可以看出， class_rw_t 中包含了一些关于类的信息，比如 flag， 版本号， 方法数组， 属性数组等。而其中又有一个指向 class_ro_t 的指针， class_ro_t 又是什么？ // 原来，class_ro_t 中存储了当前类在编译期就已经确定的属性、方法以及遵循的协议。 struct class_ro_t { uint32_t flags; uint32_t instanceStart; uint32_t instanceSize; #ifdef __LP64__ uint32_t reserved; #endif const uint8_t * ivarLayout; const char * name; method_list_t * baseMethodList; protocol_list_t * baseProtocols; const ivar_list_t * ivars; const uint8_t * weakIvarLayout; property_list_t *baseProperties; method_list_t *baseMethods() const { return baseMethodList;
    }
};

所以由此，我们知道 class_ro_t 保存的是在编译期时就已经确定的方法，所以当在编译期时， class_data_bits_t 将直接指向 class_ro_t ，而后在 Runtime 时，将会调用 class_data_bits_t 的 data() 直接将结果从 class_rw_t 转化成 class_ro_t 指针，然后再初始化一个 class_rw_t 指针，此时它中的数据都为空，然后再设置它的 ro 变量和 flag，最后再为其设置正确的 data

/***********************************************************************
* realizeClass
* Performs first-time initialization on class cls, 
* including allocating its read-write data.
* Returns the real class structure for the class. 
* Locking: runtimeLock must be write-locked by the caller
**********************************************************************/ static Class realizeClass(Class cls) {
    runtimeLock.assertWriting(); const class_ro_t *ro; class_rw_t *rw;
    Class supercls;
    Class metacls; bool isMeta; if (!cls) return nil; if (cls->isRealized()) return cls;
    assert(cls == remapClass(cls)); // fixme verify class is not in an un-dlopened part of the shared cache? // 强制转化为 ro ro = (const class_ro_t *)cls->data(); if (ro->flags & RO_FUTURE) { // This was a future class. rw data is already allocated. rw = cls->data();
        ro = cls->data()->ro;
        cls->changeInfo(RW_REALIZED|RW_REALIZING, RW_FUTURE);
    } else { // Normal class. Allocate writeable class data. // 这时候首先给 rw 分配内存空间并且初始化为 0 rw = (class_rw_t *)calloc(sizeof(class_rw_t), 1); // 使 rw 指向 ro rw->ro = ro; // 设置 rw 的 flag 为 正在初始化和已经初始化 /**
      // class is realized - must never be set by compiler
          #define RO_REALIZED           (1data is class_rw_t, not class_ro_t
          #define RW_REALIZED           (1setData(rw);
    } // 判断是否为 metaClass  RO_META (1 << 0) isMeta = ro->flags & RO_META;

    rw->version = isMeta ? 7 : 0; // old runtime went up to 6 // Choose an index for this class. // Sets cls->instancesRequireRawIsa if indexes no more indexes are available cls->chooseClassArrayIndex(); if (PrintConnecting) {
      _objc_inform("CLASS: realizing class '%s'%s %p %p #%u", 
                   cls->nameForLogging(), isMeta ? " (meta)" : "", 
                   (void*)cls, ro, cls->classArrayIndex());
  } // Realize superclass and metaclass, if they aren't already. // This needs to be done after RW_REALIZED is set above, for root classes. // This needs to be done after class index is chosen, for root metaclasses. supercls = realizeClass(remapClass(cls->superclass));
  metacls = realizeClass(remapClass(cls->ISA())); #if SUPPORT_NONPOINTER_ISA // Disable non-pointer isa for some classes and/or platforms. // Set instancesRequireRawIsa. bool instancesRequireRawIsa = cls->instancesRequireRawIsa(); bool rawIsaIsInherited = false; static bool hackedDispatch = false; if (DisableNonpointerIsa) { // Non-pointer isa disabled by environment or app SDK version instancesRequireRawIsa = true;
  } else if (!hackedDispatch  &&  !(ro->flags & RO_META)  && 0 == strcmp(ro->name, "OS_object")) 
  { // hack for libdispatch et al - isa also acts as vtable pointer hackedDispatch = true;
      instancesRequireRawIsa = true;
  } else if (supercls  &&  supercls->superclass  &&  
           supercls->instancesRequireRawIsa()) 
  { // This is also propagated by addSubclass()  // but nonpointer isa setup needs it earlier. // Special case: instancesRequireRawIsa does not propagate  // from root class to root metaclass instancesRequireRawIsa = true;
      rawIsaIsInherited = true;
  } if (instancesRequireRawIsa) {
      cls->setInstancesRequireRawIsa(rawIsaIsInherited);
  } // SUPPORT_NONPOINTER_ISA #endif // Update superclass and metaclass in case of remapping cls->superclass = supercls;
  cls->initClassIsa(metacls); // Reconcile instance variable offsets / layout. // This may reallocate class_ro_t, updating our ro variable. if (supercls  &&  !isMeta) reconcileInstanceVariables(cls, supercls, ro); // Set fastInstanceSize if it wasn't set already. cls->setInstanceSize(ro->instanceSize); // Copy some flags from ro to rw if (ro->flags & RO_HAS_CXX_STRUCTORS) {
      cls->setHasCxxDtor(); if (! (ro->flags & RO_HAS_CXX_DTOR_ONLY)) {
          cls->setHasCxxCtor();
      }
  } // Connect this class to its superclass's subclass lists if (supercls) {
      addSubclass(supercls, cls);
  } else {
      addRootClass(cls);
  } // Attach categories // 在这个方法中将 rw 的方法列表，属性列表，协议列表赋值 methodizeClass(cls); return cls;
};

此时，经过 Runtime 的作用之后，现在内存中的关系是，类中的 data 指针指向 class_data_bits_t， class_data_bits_t 结构体中的 data() 方法获取到的是 class_rw_t 指针， class_rw_t 结构体中的 ro 指针指向 class_ro_t。图如下：

图片来自一位大神的博客，侵权删

但是问题来了，类的方法是如何被查找和调用的呢？由于我们已经知道了，在 ObjC 中，实际上类也是一个特殊的对象，查找类的方法实际上就和查找实例方法采用同样的机制，但是如何才能让他们采用同样的机制呢？这时，元类的作用就显现了出来。
- metaClass 保证了类中也有一个指向 Class 类型的指针，保证了类和对象的一致性，保证了类查找方法的机制与对象查找方法的机制保持同步。
  - 当实例方法调用时，通过对象的isa在类中获取方法的实现
  - 当类方法调用时，通过类的isa在元类中获取方法的实现

现在，我们的重点终于到了， isa 到底是什么？

我们在 Runtime 的源码中可以看到,在不同的处理器上，这个共同体所分配的内存位数是不同的。

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

    Class cls; uintptr_t bits; #if SUPPORT_PACKED_ISA // extra_rc must be the MSB-most field (so it matches carry/overflow flags) // nonpointer must be the LSB (fixme or get rid of it) // shiftcls must occupy the same bits that a real class pointer would // bits + RC_ONE is equivalent to extra_rc + 1 // RC_HALF is the high bit of extra_rc (i.e. half of its range) // future expansion: // uintptr_t fast_rr : 1;     // no r/r overrides // uintptr_t lock : 2;        // lock for atomic property, @synch // uintptr_t extraBytes : 1;  // allocated with extra bytes # if __arm64__ # define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL # define ISA_MAGIC_MASK  0x000003f000000001ULL # 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) }; # elif __x86_64__ # define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL # define ISA_MAGIC_MASK  0x001f800000000001ULL # define ISA_MAGIC_VALUE 0x001d800000000001ULL struct { 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; # define RC_ONE   (1ULL<<56) # define RC_HALF  (1ULL<<7) };
};

以 x86_64_ 为例，

图片来自一位大神的博客，侵权删

更深一步，从 isa 的初始化来看 isa 的结构

inline void objc_object::initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor)
{
    initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
} inline void objc_object::initIsa(Class cls, bool indexed, bool hasCxxDtor) 
{ if (!indexed) {
        isa.cls = cls;
    } else {
        isa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;
        isa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
        isa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;
    }
} // 由于对象的 isa 初始化时传入 indexed 为 true ，所以，可简化为 inline void objc_object::initIsa(Class cls, bool indexed, bool hasCxxDtor) 
{ // 其中 ISA_MAGIC_VALUE 为 0x000001a000000001ULL isa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;
        isa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
        isa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;
}

此时，当执行完 isa.bits = ISA_MAGIC_VALUE; 后 isa 的结构为，可以看到 ISA_MAGIC_VALUE 将 magic 和 indexed 都初始化了
image
接着 isa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor; 这一位会设置 has_cxx_dtor 的值，如果是 1，则表示当前对象是否有析构器，如果没有，就会快速释放
最后， isa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3; 将当前对象对应的类指针赋值给 shiftcls 这些位，之所以向右移三位，移三位的主要原因是用于将 Class 指针中无用的后三位清楚减小内存的消耗，因为类的指针要按照字节（8 bits）对齐内存，其指针后三位都是没有意义的 0。赋值之后如下

![image](http://upload-images.jianshu.io/upload_images/3262069-f3a02c34c16975e6?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240) 
至此，也就证明了我们之前对于初始化 `isa` 时对 `initIsa` 方法的分析是正确的。它设置了 `indexed`、`magic` 以及 `shiftcls`。

获取 isa

由于我们现在使用了结构体 isa_t 来替代 Class 类型的指针，所以我们也就需要一个指针能够返回 isa 所指的类，所以我们此时需要一个 ISA() 方法。

inline Class 
objc_object::ISA() 
{
    assert(!isTaggedPointer()); #if SUPPORT_INDEXED_ISA if (isa.nonpointer) { uintptr_t slot = isa.indexcls; return classForIndex((unsigned)slot);
    } return (Class)isa.bits; #else return (Class)(isa.bits & ISA_MASK); #endif } // 简化后如下 inline Class 
objc_object::ISA() 
{
    assert(!isTaggedPointer()); // 由此可以看到，实际上 ISA() 返回的是 isa.bits 与 0x0000000ffffffff8ULL 进行的按位与操作，确实可以返回当前的类 return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);
}