Runtime源码浅析(内部分享)

2.1 Class类型

@interface NSObject <NSObject> {
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wobjc-interface-ivars"
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#pragma clang diagnostic pop
}
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在Runtime源码中，我们能发现NSObject对象只有一个 Class 类型的成员变量： isa

typedef struct objc_class *Class;
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Class对象其实是一个指向objc_class结构体的指针。

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;
// 这里省略成员变量以及方法...
}
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Class 类型本质是个结构体，该结构体中存储了该 NSObject 中的所有信息。

那么一个NSObject对象占用多少内存？

NSObjcet实际上是只有一个名为isa的指针的结构体，因此占用一个指针变量所占用的内存空间大小，如果64bit(64位架构中)占用8个字节，如果32bit占用4个字节。

2.2 Class方法

- (Class)class {
    return object_getClass(self);
}
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在Runtime源码中，我们调用Class方法，其实是在调用 object_getClass(self) ，最终通过下面代码获取结果值。

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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上述源码可以知道， isa_t 是个联合体。

typedef unsigned long		uintptr_t;
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bits 是 long 类型的数值。

在 isa.h 中，可以找到 ISA_MASK 源码

# if __arm64__
#   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL
# elif __x86_64__
#   define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL
# else
#   error unknown architecture for packed isa
# endif
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可知，其实 ISA_MASK 还是个数值类型

我们可以看到class方法最终获取的即是：

结构体 objc_object 的 isa.bits & ISA_MASK 的数值计算结果。

3.NSObject对象的isa_t

3.1 isa_t

// 精简过的isa_t共用体
union isa_t 
{
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }

    Class cls;
    uintptr_t bits;

# 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)
    };
#endif
};
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上述源码中 isa_t 是union(共用体)类型。可以看到共用体中有一个结构体，结构体内部分别定义了一些变量，变量后面的值代表的是该变量占用多少个二进制位，也就是位域技术。

源码中通过共用体的形式存储了64位的值，这些值在结构体中被展示出来，通过对 bits 进行位运算而取出相应位置的值。

3.2 共用体

在进行某些算法的 C语言 编程的时候，需要使几种不同类型的变量存放到同一段内存单元中。也就是使用覆盖技术，几个变量互相覆盖。这种几个不同的变量共同占用一段内存的结构，在C语言中，被称作“共用体”类型结构，简称共用体，也叫联合体。

优点：可以很大程度上节省内存空间。

union U1  
{  
    int n;  
    char s[11];  
    double d;  
};
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对于U1共用体，s占11字节，n占4字节，d占8字节，因此其至少需11字节的空间。然而其实际大小并不是11，用运算符sizeof测试其大小为16。这是因为 内存对齐原则 ，11既不能被4整除，也不能被8整除。因此补充字节到16，这样就符合所有成员的自身对齐了。所以 联合体的内存除了取最大成员内存外，还要保证是所有成员类型size的最小公倍数

对比类的内存对齐：

原则 1. 前面的地址必须是后面的地址正数倍,不是就补齐。 原则 2. 整个Struct的地址必须是最大字节的整数倍。

@interface MXRPerson : NSObject{
    int _age;
}
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person对象的第一个地址要存放isa指针需要8个字节，第二个地址要存放_age成员变量需要4个字节，因此person对象就占用16个字节空间。

代码验证：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // 验证内存地址
        NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];
        NSLog(@"%zd",class_getInstanceSize([NSObject class]));
        NSLog(@"%zd",class_getInstanceSize([MXRPerson class]));
    }
    return 0;
}
// 8  16
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3.3 isa中存储的信息及作用

struct {
    // 0代表普通的指针，存储着Class，Meta-Class对象的内存地址。
    // 1代表优化后的使用位域存储更多的信息。
    uintptr_t nonpointer        : 1; 

   // 是否有设置过关联对象，如果没有，释放时会更快
    uintptr_t has_assoc         : 1;

    // 是否有C++析构函数，如果没有，释放时会更快
    uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;

    // 存储着Class、Meta-Class对象的内存地址信息
    uintptr_t shiftcls          : 33; 

    // 用于在调试时分辨对象是否未完成初始化
    uintptr_t magic             : 6;

    // 是否有被弱引用指向过。
    uintptr_t weakly_referenced : 1;

    // 对象是否正在释放
    uintptr_t deallocating      : 1;

    // 引用计数器是否过大无法存储在isa中
    // 如果为1，那么引用计数会存储在一个叫SideTable的类的属性中
    uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;

    // 里面存储的值是引用计数器减1
    uintptr_t extra_rc          : 19;
};
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此时我们重新来看 ISA_MASK 的值 0000000ffffffff8 转为二进制：

可以看出 ISA_MASK 的值转化为二进制中有33位都为1，所以按位与的作用是可以取出这33位中的值。我们再回头看看 isa_t 的源码，不难发现，这33位对应的是结构体的 shiftcls 的位域。那么 ISA_MASK 同 shiftcls 进行按位与运算即可以取出Class或Meta-Class的值(内存地址的值)。

同时可以看出 ISA_MASK 最后三位的值为0，那么任何数同 ISA_MASK 按位与运算之后，得到的最后三位必定都为0，因此任何类对象或元类对象的内存地址最后三位必定为0，转化为十六进制末位必定为8或者0。

对象的isa指针需要同 ISA_MASK 经过一次&（按位与）运算才能得出真正的Class对象地址。

代码验证

- (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
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shiftcls 中存储类对象地址。把转为2进制的实例对象isa地址与转为2进制的类对象地址作对比，可以看出存储类对象地址的33位二进制内容完全相同。

4.Class对象在内存中存储的信息

4.1 instance对象在内存中存储的信息包括

1. isa指针
2. 其他成员变量

4.2 class对象在内存中存储的信息主要包括

1. isa指针
2. superclass指针
3. 类的属性信息（@property），类的成员变量信息（ivar）
4. 类的对象方法信息（instance method），类的协议信息（protocol）

4.3 class_rw_t & class_ro_t

我们发现class_rw_t中存储着方法列表，属性列表，协议列表等内容。

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // 方法进行缓存
    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是二维数组的结构，并且可读可写，因此可以动态的添加方法，并且更加便于分类方法的添加。

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是通过bits调用data方法得来的，我们来到data方法内部实现。我们可以看到，data函数内部仅仅对bits进行&FAST_DATA_MASK操作

class_rw_t* data() {
        return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
    }
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成员变量信息则是存储在class_ro_t内部中的，我们来到class_ro_t内查看。

struct class_ro_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t instanceStart;
    uint32_t instanceSize;  //实例对象大小
#ifdef __LP64__
    uint32_t reserved;
#endif

    const uint8_t * ivarLayout;
    
    const char * name;  // 类名
    method_list_t * baseMethodList;
    protocol_list_t * baseProtocols;
    const ivar_list_t * ivars;  // 成员变量

    const uint8_t * weakIvarLayout;
    property_list_t *baseProperties;

    method_list_t *baseMethods() const {
        return baseMethodList;
    }
};
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4.4 每个类在内存中有且只有一个meta-class对象,在内存中存储的信息主要包括

1. isa指针
2. superclass指针
3. 类的类方法的信息（class method）

5.验证对象的isa指针指向

1.当对象调用实例方法的时候，我们上面讲到，实例方法信息是存储在class类对象中的，那么要想找到实例方法，就必须找到class类对象，那么此时isa的作用就来了

instance的isa指向class，当调用对象方法时，通过instance的isa找到class，最后找到对象方法的实现进行调用。

2.当类对象调用类方法的时候，同上，类方法是存储在meta-class元类对象中的。那么要找到类方法，就需要找到meta-class元类对象，而class类对象的isa指针就指向元类对象

class的isa指向meta-class当调用类方法时，通过class的isa找到meta-class，最后找到类方法的实现进行调用

3.当对象调用其父类对象方法的时候，又是怎么找到父类对象方法的呢？，此时就需要使用到class类对象superclass指针。

当Student的instance对象要调用Person的对象方法时，会先通过isa找到Student的class，然后通过superclass找到Person的class，最后找到对象方法的实现进行调用，同样如果Person发现自己没有响应的对象方法，又会通过Person的superclass指针找到NSObject的class对象，去寻找响应的方法

4.当类对象调用父类的类方法时，就需要先通过isa指针找到meta-class，然后通过superclass去寻找响应的方法

当Student的class要调用Person的类方法时，会先通过isa找到Student的meta-class，然后通过superclass找到Person的meta-class，最后找到类方法的实现进行调用

代码验证：

struct mxr_objc_class{
    Class isa;
};
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // 如何证明isa指针的指向真的如上面所说？
        NSObject *object = [[NSObject alloc] init];
        Class objectClass = [NSObject class];
        // 我们自己创建一个同样的结构体并通过强制转化拿到isa指针。
        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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验证结果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
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object-isa指针地址0x001dffff96537141经过同0x00007ffffffffff8位运算，得出objectClass的地址0x00007fff96537140

验证结果2

我们来验证class对象的isa指针是否同样需要位运算计算出 meta-class 对象的地址。 以同样的方式打印 objectClass->isa 指针时，发现无法打印。

(lldb) p/x objectClass->isa
error: member reference base type 'Class' is not a structure or union
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为了拿到isa指针的地址，我们自己创建一个同样的结构体并通过强制转化拿到isa指针。

(lldb) p/x objectClass2->isa
 (Class) $0 = 0x001d800100b160f1
 (lldb) p/x objectMetaClass
 (Class) $1 = 0x0000000100b160f0
 (lldb) p/x 0x00007ffffffffff8 & 0x001d800100b160f1
 (long) $2 = 0x0000000100b160f0
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objectClass2的isa指针经过位运算之后的地址是meta-class的地址。