【3】cache_t原理剖析

1)OC对象的本质

举个例子,有如下main文件实现:

对象编译

    众所周知,在main函数文件中可以定义实现多个class,这些OC类声明作为查找索引的作用,即使main函数内部没有引用到类,Clang依然会对其进行编译。一旦类被实例化为对象,就会在底层编译为对应struct结构体。

Clang编译器

Clang编译器

Clang的作用

Clang的作用

在mac终端先进入到main.m所在路径,然后执行clang -rewrite命令,即可将main.m编译成main.cpp文件:

Clang命令编译

    打开main.cpp文件,在文件中直接查找LGPerson,可以看到原本定义的LGPerson class被替换成了struct LGPerson_IMPL,对应的name属性,implementation等也被注释替换掉了,由此可以确定OC对象的编译,在底层就是以struct结构体的形式存在。

Clang编译原理

2)联合体位域

    通常,在定义class的成员变量,是通过Property属性,结果就是生成的struct各个成员『共存』于内存中,尤其对于存在『互斥』关系的属性,这种方式可能存在内存浪费,这个时候可以考虑使用联合体来替代。两则具体区别总结如下: 

结构体与联合体区别

举个例子:

    有如下LGCar类,该类直接定义了front、back、left、right四个BOOL类型属性,此时计算属性占用的内存空间大小为:4*4 = 16字节=128位,对于BOOL类型只有0或1两种情况,所以1位就可以表示了,这种定义就造成了明显的内存浪费。

属性定义类成员

如果采用联合体位域,重新定义成如下形式,此时每个属性只占用了1位,总共也就1字节=8位(分配上至少是1字节),并且域bits之间是互斥关系,明显提升了内存使用率。

联合体定义类成员

3)isa源码分析

    具备了联合体的思想之后,打开objc源码,直接搜索initIsa,进入到isa_t(),可以看到系统isa的存储原理就是采用了union,即类cls和bits是互斥关系。继续进入到ISA_BITFIELD中可以看到x86_64、arm64的具体定义。下面以arm64为例,解释各个属性表示的含义。

isa_t定义
ISA_BITFIELD定义

上面arm64中这些宏定义具体表示的内容为:

nonpointer:表示是否对 isa 指针开启指针优化;
0:纯isa指针,1:不止是类对象地址,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没有,1存在。
has_cxx_dtor:该对象是否有 C++ 或者 Objc 的析构器,如果有析构函数,则需要做析构逻辑, 如果没有,则可以更快的释放对象。
shiftcls:存储类指针的值。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。
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 weakly_referenced:志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:当对象引用技术大于 10 时,则需要借用该变量存储进位。
extra_rc:当表示该对象的引用计数值,实际上是引用计数值减 1;
例如,如果对象的引用计数为 10,那么 extra_rc 为 9。如果引用计数大于 10, 则需要使用到下面的 has_sidetable_rc。 

isa类与指针的绑定

initIsa函数源码

通过源码,找到isa初始化赋值的地方插入断点,在newisa给shiftcls赋值绑定之前,先查打印一次newisa内容,如下:

绑定初始化时
绑定赋值后

然后,在isa最终赋值返回之前,再查看一次newisa的内容,对比如图所示。可以看出,在绑定赋值的时候,cls获取到了LGPerson,shiftcls也被更新了。接下来需要根据shiftcls反推,判断是否绑定的就是LGPerson。

接下来分析这两者之间的关联细节:继续执行断点,回到_class_createInstanceFromZone函数,打印obj,可以得到LGPerson地址和isa的内存数据地址。

obj绑定值

下面就是要转换isa得到shiftcls,过程如下:

方法一,直接通过x86平台下,ISA_MASK = 0x00007ffffffffff8ULL & isa = 0x001d8001000020e9,即得到LGPerson。

方法二:由于内存结构体中,x86平台下,左边是17位,右边是3位,存储绑定信息shiftcls的位置为中间的44位,所以先将isa右移3位,将头部去掉,此时尾部会新增3位0;所以,需要再左移20位,即可得到头部20位均为0的shiftcls,为了还原成shiftcls本来的位置(头部3,尾部17),需要将结果再左移17位,如图:

shiftcls转换示意图

最后输出如图所示:

shiftcls转换结果
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