聯(lián)合體（union）

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構(gòu)造數(shù)據(jù)類型的方式有以下兩種：

• 結(jié)構(gòu)體（struct）
• 聯(lián)合體（union，也稱為共用體）

結(jié)構(gòu)體

結(jié)構(gòu)體是指把不同的數(shù)據(jù)組合成一個(gè)整體，其變量是共存的，變量不管是否使用，都會(huì)分配內(nèi)存。

• 缺點(diǎn)：所有屬性都分配內(nèi)存，比較浪費(fèi)內(nèi)存，假設(shè)有4個(gè)int成員，一共分配了16字節(jié)的內(nèi)存，但是在使用時(shí)，你只使用了4字節(jié)，剩余的12字節(jié)就是屬于內(nèi)存的浪費(fèi)

• 優(yōu)點(diǎn)：存儲(chǔ)容量較大，包容性強(qiáng)，且成員之間不會(huì)相互影響

聯(lián)合體

聯(lián)合體也是由不同的數(shù)據(jù)類型組成，但其變量是互斥的，所有的成員共占一段內(nèi)存。而且共用體采用了內(nèi)存覆蓋技術(shù)，同一時(shí)刻只能保存一個(gè)成員的值，如果對(duì)新的成員賦值，就會(huì)將原來成員的值覆蓋掉

• 缺點(diǎn)：，包容性弱

• 優(yōu)點(diǎn)：所有成員共用一段內(nèi)存，使內(nèi)存的使用更為精細(xì)靈活，同時(shí)也節(jié)省了內(nèi)存空間

兩者的區(qū)別

• 內(nèi)存占用情況

  • 結(jié)構(gòu)體的各個(gè)成員會(huì)占用不同的內(nèi)存，互相之間沒有影響
  • 共用體的所有成員占用同一段內(nèi)存，修改一個(gè)成員會(huì)影響其余所有成員

• 內(nèi)存分配大小

  • 結(jié)構(gòu)體內(nèi)存 >= 所有成員占用的內(nèi)存總和（成員之間可能會(huì)有縫隙）
  • 共用體占用的內(nèi)存等于最大的成員占用的內(nèi)存

isa的類型 isa_t

以下是isa指針的類型isa_t的定義，從定義中可以看出是通過聯(lián)合體（union）定義的。

union isa_t { //聯(lián)合體isa_t() { }isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }//提供了cls 和 bits ，兩者是互斥關(guān)系Class cls;uintptr_t bits; #if defined(ISA_BITFIELD)struct {ISA_BITFIELD; // defined in isa.h}; #endif };

isa_t類型使用聯(lián)合體的原因也是基于內(nèi)存優(yōu)化的考慮，這里的內(nèi)存優(yōu)化是指在isa指針中通過char + 位域（即二進(jìn)制中每一位均可表示不同的信息）的原理實(shí)現(xiàn)。通常來說，isa指針占用的內(nèi)存大小是8字節(jié)，即64位，已經(jīng)足夠存儲(chǔ)很多的信息了，這樣可以極大的節(jié)省內(nèi)存，以提高性能

從isa_t的定義中可以看出：

• 提供了兩個(gè)成員，cls 和 bits，由聯(lián)合體的定義所知，這兩個(gè)成員是互斥的，也就意味著，當(dāng)初始化isa指針時(shí)，有兩種初始化方式

  • 通過cls初始化，bits無默認(rèn)值

  • 通過bits初始化，cls有默認(rèn)值

• 還提供了一個(gè)結(jié)構(gòu)體定義的位域，用于存儲(chǔ)類信息及其他信息，結(jié)構(gòu)體的成員ISA_BITFIELD，這是一個(gè)宏定義，有兩個(gè)版本 __arm64__（對(duì)應(yīng)ios 移動(dòng)端） 和 __x86_64__（對(duì)應(yīng)macOS），以下是它們的一些宏定義，如下圖所示

• 位域的宏定義

  • nonpointer有兩個(gè)值，表示自定義的類等，占1位

    • 0：純isa指針
    • 1：不只是類對(duì)象地址，isa中包含了類信息、對(duì)象的引用計(jì)數(shù)等

  • has_assoc表示關(guān)聯(lián)對(duì)象標(biāo)志位，占1位

    • 0：沒有關(guān)聯(lián)對(duì)象
    • 1：存在關(guān)聯(lián)對(duì)象

  • has_cxx_dtor 表示該對(duì)象是否有C++/OC的析構(gòu)器（類似于dealloc），占1位

    • 如果有析構(gòu)函數(shù)，則需要做析構(gòu)邏輯
    • 如果沒有，則可以更快的釋放對(duì)象

  • shiftcls表示存儲(chǔ)類的指針的值（類的地址）， 即類信息

    • arm64中占 33位，開啟指針優(yōu)化的情況下，在arm64架構(gòu)中有33位用來存儲(chǔ)類指針
    • x86_64中占 44位

  • magic 用于調(diào)試器判斷當(dāng)前對(duì)象是真的對(duì)象 還是 沒有初始化的空間，占6位

  • weakly_refrenced是 指對(duì)象是否被指向 或者 曾經(jīng)指向一個(gè)ARC的弱變量

    • 沒有弱引用的對(duì)象可以更快釋放

  • deallocating 標(biāo)志對(duì)象是是否正在釋放內(nèi)存

  • has_sidetable_rc表示 當(dāng)對(duì)象引用計(jì)數(shù)大于10時(shí)，則需要借用該變量存儲(chǔ)進(jìn)位

  • extra_rc（額外的引用計(jì)數(shù)） ,表示該對(duì)象的引用計(jì)數(shù)值，實(shí)際上是引用計(jì)數(shù)值減1

    • 如果對(duì)象的引用計(jì)數(shù)為10，那么extra_rc為9（這個(gè)僅為舉例說明），實(shí)際上iPhone 真機(jī)上的 extra_rc 是使用 19位來存儲(chǔ)引用計(jì)數(shù)的

針對(duì)兩種不同平臺(tái)，其isa的存儲(chǔ)情況如圖所示

原理探索

• 通過alloc --> _objc_rootAlloc --> callAlloc --> _objc_rootAllocWithZone --> _class_createInstanceFromZone方法路徑，查找到initInstanceIsa，并進(jìn)入其原理實(shí)現(xiàn)

inline void objc_object::initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor) {ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());ASSERT(hasCxxDtor == cls->hasCxxDtor());//初始化isainitIsa(cls, true, hasCxxDtor); }

• 進(jìn)入initIsa方法的源碼實(shí)現(xiàn)，主要是初始化isa指針

• 該方法的邏輯主要分為兩部分
  • 通過?cls?初始化?isa
  • 通過?bits?初始化?isa

驗(yàn)證 isa指針 位域（0-64）

根據(jù)前文提及的0-64位域，可以在這里通過initIsa方法中證明有isa指針中有這些位域（目前是處于macOS，所以使用的是x86_64）

• 首先通過main中的LGPerson 斷點(diǎn) --> initInstanceIsa --> initIsa --> 走到else中的 isa初始化

• 執(zhí)行l(wèi)ldb命令：p newisa，得到newisa的詳細(xì)信息

• 繼續(xù)往下執(zhí)行，走到newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;下一行，表示為isa的bits成員賦值，重新執(zhí)行l(wèi)ldb命令p newisa，得到的結(jié)果如下

  
  通過與前一個(gè)newsize的信息對(duì)比，發(fā)現(xiàn)isa指針中有一些變化，如下圖所示
  • 其中magic是59是由于將isa指針地址轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制，從47（因?yàn)榍懊嬗?個(gè)位域，共占用47位，地址是從0開始）位開始讀取6位，再轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，如下圖所示

isa 與 類 的關(guān)聯(lián)

cls 與 isa 關(guān)聯(lián)原理就是isa指針中的shiftcls位域中存儲(chǔ)了類信息，其中initInstanceIsa的過程是將 calloc 指針 和當(dāng)前的 類cls 關(guān)聯(lián)起來，有以下幾種驗(yàn)證方式：

• 【方式一】通過initIsa方法中的newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;驗(yàn)證

• 【方式二】通過isa指針地址與ISA_MSAK 的值 & 來驗(yàn)證

• 【方式三】通過runtime的方法object_getClass驗(yàn)證

• 【方式四】通過位運(yùn)算驗(yàn)證

方式一：通過 initIsa 方法

• 運(yùn)行至newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;前一步，其中 shiftcls存儲(chǔ)當(dāng)前類的值信息

  • 此時(shí)查看cls，是LGPerson類

  • shiftcls賦值的邏輯是將 LGPerson進(jìn)行編碼后，右移3位

• 執(zhí)行l(wèi)ldb命令p (uintptr_t)cls，結(jié)果為(uintptr_t) $2 = 4294975720,再右移三位，有以下兩種方式（任選其一），將得到536871965存儲(chǔ)到newisa的shiftcls中

  • p (uintptr_t)cls >> 3

  • 通過上一步的結(jié)果$2，執(zhí)行l(wèi)ldb命令p $2 >> 3

• 繼續(xù)執(zhí)行程序到isa = newisa;部分，此時(shí)執(zhí)行p newisa

  
  與bits賦值結(jié)果的對(duì)比，bits的位域中有兩處變化
  • cls 由默認(rèn)值，變成了LGPerson，將isa與cls完美關(guān)聯(lián)
  • shiftcls由0變成了536871965

所以isa中通過初始化后的成員的值變化過程，如下圖所示

為什么在shiftcls賦值時(shí)需要類型強(qiáng)轉(zhuǎn)？

因?yàn)閮?nèi)存的存儲(chǔ)不能存儲(chǔ)字符串，機(jī)器碼只能識(shí)別 0 、1這兩種數(shù)字，所以需要將其轉(zhuǎn)換為uintptr_t數(shù)據(jù)類型，這樣shiftcls中存儲(chǔ)的類信息才能被機(jī)器碼理解， 其中uintptr_t是long

為什么需要右移3位？

主要是由于shiftcls處于isa指針地址的中間部分，前面還有3個(gè)位域，為了不影響前面的3個(gè)位域的數(shù)據(jù)，需要右移將其抹零。

方式二：通過 isa & ISA_MSAK

• 在方式一后，繼續(xù)執(zhí)行，回到_class_createInstanceFromZone方法，此時(shí)cls 與 isa已經(jīng)關(guān)聯(lián)完成，執(zhí)行po objc

• 執(zhí)行x/4gx obj,得到isa指針的地址0x001d8001000020e9

• 將isa指針地址 & ISA_MASK （處于macOS，使用x86_64中的宏定義），即 po 0x001d8001000020e9 & 0x00007ffffffffff8 ，得出LGPerson

  • arm64中，ISA_MASK 宏定義的值為0x0000000ffffffff8ULL

  • x86_64中，ISA_MASK 宏定義的值為0x00007ffffffffff8ULL

方式三：通過 object_getClass

通過查看object_getClass的源碼實(shí)現(xiàn)，同樣可以驗(yàn)證isa與類關(guān)聯(lián)的原理，有以下幾步：

• main中導(dǎo)入#import <objc/runtime.h>

• 通過runtime的api，即object_getClass函數(shù)獲取類信息

object_getClass(<#id _Nullable obj#>)

• 查看object_getClass函數(shù) 源碼的實(shí)現(xiàn)

• 點(diǎn)擊進(jìn)入object_getClass 底層實(shí)現(xiàn)

• 進(jìn)入getIsa的源碼實(shí)現(xiàn)

• 點(diǎn)擊ISA()，進(jìn)入源碼，可以看到如果是indexed類型，執(zhí)行if流程，反之 執(zhí)行的是else流程

  • 在else流程中，拿到isa的bits這個(gè)位，再 & ISA_MASK，這與方式二中的原理是一致的，獲得當(dāng)前的類信息
  • 從這里也可以得出 cls 與 isa 已經(jīng)完美關(guān)聯(lián)

方式四：通過位運(yùn)算

• 回到_class_createInstanceFromZone方法。通過x/4gx obj 得到obj的存儲(chǔ)信息，當(dāng)前類的信息存儲(chǔ)在isa指針中，且isa中的shiftcls此時(shí)占44位（因?yàn)樘幱趍acOS環(huán)境）

• 想要讀取中間的44位 類信息，就需要經(jīng)過位運(yùn)算 ，將右邊3位，和左邊除去44位以外的部分都抹零，其相對(duì)位置是不變的。其位運(yùn)算過程如圖所示，其中shiftcls即為需要讀取的類信息

  • 將isa地址右移3位：p/x 0x001d8001000020e9 >> 3 ，得到0x0003b0002000041d

  • 在將得到的0x0003b0002000041d``左移20位：p/x 0x0003b0002000041d << 20 ,得到0x0002000041d00000

    • 為什么是左移20位？因?yàn)橄扔乙屏?位，相當(dāng)于向右偏移了3位，而左邊需要抹零的位數(shù)有17位，所以一共需要移動(dòng)20位

  • 將得到的0x0002000041d00000 再右移17位：p/x 0x0002000041d00000 >> 17 得到新的0x00000001000020e8

• 獲取cls的地址 與 上面的進(jìn)行驗(yàn)證 ：p/x cls 也得出0x00000001000020e8，所以由此可以證明 cls 與 isa 是關(guān)聯(lián)的

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的iOS-底层原理 06: cls 与类的关联原理的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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