【原】iOS开发进阶(唐巧)读书笔记(二)，我是唐巧

【原】iOS开发进阶(唐巧)读书笔记(二)，我是唐巧

第三部分：iOS开发底层原理

1、Objective-C对象模型

1.1 isa指针

NSObject.h部分代码：

NS_ROOT_CLASS
@interface NSObject <NSObject> {
    Class isa;
}

objc.h部分代码：

typedef struct objc_class *Class;
typedet struct objc_object {
    Class isa;
} *id;

每个对象都有一个名为isa的指针，指向该对象的类

isa指针指向流程图如下：

如果把类看成一个C语言的结构体(struct)，isa指针就是这个结构体的第一个成员变量，类的其他成员变量依次排列在结构体中

排列顺序：
| 1 | isa指针 |
| --- | --- |
| 2 | NSObject的成员变量 |
| 3 | NSObject子类的成员变量 |
| 4 | NSObject子类的子类的成员变量 |
| ... | ... |
| n-1 | 父类的成员变量 |
| n | 类本身的成员变量 |

一个简单的继承的实例代码：

@interface Father : NSObject {
    int _father;
}

@end

@implementation Father
@end

@interface Child : Father {
    int _child;
}

@end

@implementation Child
@end

在Xcode中，我们看到如下截图，这个结构与上面说的一致

因为对象在内存中的排布可以看成一个结构体，该结构体的大小并不能动态变化，所以无法在运行时动态地给对象增加成员变量。

对象的方法定义都保存在类的可变区域中。

在下面的 Objective-C 1.0 中，我们可以看到方法的定义列表是一个名为 methodLists 的指针

通过修改指针指向的指针的值，就可以动态的为某一个类增加成员方法，这也是 Category 实现的原理

Objective-C 1.0 objc_class代码

struct objc_class {
    Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#if !__OBJC2__
    Class super _class
    const char *name
    long version
    long info
    long instance_size
    struct objc_ivar_list *ivars
    struvt objc_method_list **methodLists
    struct objc_cache *cache
    struct objc_protocol_list *protocols
#endIf
} OBJC2_UNAVAILABLE

1.2 动态创建对象

#import <objc/runtime.h>

...

- (void)dynamicCreateClass {
    // 创建一个名为CustomView的类，它是UIView的子类
    Class newClass = objc_allocateClassPair([UIView class], "CustomView", 0);
    // 为这个类增加一个report的方法
    class_addMethod(newClass, @selector(report), (IMP)ReportFunction, "v@:");
    // 注册该类
    objc_registerClassPair(newClass);
    
    // 创建一个newClass的实例对象
    id instanceOfNewClass = [[newClass alloc] init];
    // 调用report方法
    [instanceOfNewClass performSelector:@selector(report)];
}

void ReportFunction(id self, SEL _cmd) {
    NSLog(@"This object is %p", self);
    NSLog(@"Class is %@, and super is %@", [self class], [self superclass]);
    Class currentClass = [self class];
    for (int i = 1; i < 5; i++) {
        NSLog(@"Following the isa pointer %d times gives %@ = %p", i, currentClass, currentClass);
        // 获取对象的isa指针所指向的对象
        currentClass = object_getClass(currentClass);
    }
    NSLog(@"NSObject class is %@ = %p", [NSObject class], [NSObject class]);
    NSLog(@"NSObject meta class is %@ = %p", object_getClass([NSObject class]), object_getClass([NSObject class]));
}

代码关键点：

1.3 方法交换（Method Swizzling）API说明

Objective-C提供了以下API来动态替换类方法或实例方法的实现：

• class_replaceMethod 替换类方法的定义

class_replaceMethod(Class  _Nullable __unsafe_unretained cls, SEL  _Nonnull name, IMP  _Nonnull imp, const char * _Nullable types)

• method_exchangeImplementations 交换两个方法的实现

method_exchangeImplementations(Method  _Nonnull m1, Method  _Nonnull m2)

• method_setImplementation 设置一个方法的实现

method_setImplementation(Method  _Nonnull m, IMP  _Nonnull imp)

比较：

class_replaceMethod 当类中没有找到要替换的原方法时，该方法会调用 class_addMethod 来为类增加一个新的方法，也正因为这样，class_replaceMethod 在调用时需要传入 type 参数，而 method_exchangeImplementations 和 method_setImplementation 都不需要
method_exchangeImplementations 内部实现是获取到两个方法的实现，然后进行互换

文档如下图：

使用场景：

• class_replaceMethod 当需要替换的方法有可能不存在时，可以考虑使用该方法。
• method_exchangeImplementations 当需要交换两个方法的实现时使用。
• method_setImplementation 是最简单的用法，当仅仅需要为一个方法设置其实现方式时使用。

2、Tagged Pointer 对象

2.1 原有系统的问题

32位程序过渡到64位存在的问题：

问题一：内存翻倍。

在iOS数据类型中，很多数据类型所占内存都是根据CPU的位数决定的。那么，当程序从32位程序过渡到64位时，这些数据类型的内存就会翻倍。如下图所示：


问题二：效率问题。

为了存储和访问一个NSNumber对象，我们需要在堆上为其分配内存，另外还要维护它的引用计数，管理它的生命周期。这些都给程序增加了额外的逻辑，造成运行效率上的损失，

2.2 Tagged Pointer 介绍

Tagged Pointer就是为了解决上述问题提出的。
原理：将一个对象指针拆分为两部分。如下图：

引入后，内存变化如下图：

特点：

注：Tagged Pointer 并不是真正的对象，而是一个伪对象，没有 isa 指针

2.2 64位下 isa 指针优化

32位环境：

对象的引用计数都保存在一个外部表中。

Retain 操作包含如下的5个步骤：

为了线程安全，需要对 hash 表进行加锁，从性能上看是非常差的。

64位环境：

isa指针是64位。每个bit位含义如下图:

bit位	变量名	意义
1 bit	indexed	0 表示普通的isa，1 表示 Tagged Pointer
1 bit	has_assoc	表示对象是否有过 associated 对象，如果没有，在析构释放内存时可以更快
1 bit	has_cxx_dtor	表示该对象是否有 C++ 或 ARC 的析构函数，如果没有，在析构释放内存时可以更快
30 bit	shiftcls	类的指针
9 bit	magic	其值固定为 0xd2，用于在调试时分辨对象是否未完成初始化
1 bit	weakly_referenced	表示该对象是否有过 weak 对象，如果没有，在析构释放内存时可以更快
1 bit	deallocating	表示该对象是否正在析构
1 bit	has_sidetable_rc	表示该对象的引用计数值是否大到无法直接在 isa 中保存
19 bit	extra_rc	表示该对象超过 1 的引用计数值，例如，如果该对象的引用计数是6，则 extra_rc 的值为5

extra_rc 的19位 bit 用来保存对象的引用计数，这样对引用计数的操作只需要修改这个职责即可。

Retain 操作包含如下的5个步骤：

3、block 对象模型

3.1 定义：

在苹果的 llvm 项目的开源代码(https://llvm.org/svn/llvm-project/compiler-rt/tags/Apple/Libcompiler_rt-10/BlocksRuntime/Block_private.h)中，我们可以看到 block 的数据结构定义，如下图：

对应的结构体定义如下：

struct Block_descriptor {
    unsigned long int reserved;
    unsigned long int size;
    void (*copy)(void *dst, void *src);
    void (*dispose)(void *);
};

struct Block_layout {
    void *isa;
    int flags;
    int reserved;
    void (*invoke)(void *, ...);
    struct Block_descriptor *descriptor;
    /* Imported variables */
};

组成 block 实例的6个部分：

3.2 分类：

block 的类型：

注：用 clang 分析 block 实现

clang 提供了一个命令，可以将 Objective-C 的源码改写成C语言。

命令是：clang -rewrite-objc block.c

3.2.1 NSConcreteGlobalBlock 类型的 block 的实现

创建一个名字为 block1.c 的源文件，文件实现：

#include <stdio.h>

int main(int argc, char const *argv[]) {
    ^{ printf("Hello, World!\n"); } ();
    return 0;
}

在命令行中输入 clang -rewrite-objc block1.c，即可在目录中看到 clang 输出了一个名为 ”block1.cpp” 的文件，这个文件就是 block 在C语言中的实现。
关键代码引用如下：

...
struct __block_impl {
  void *isa;
  int Flags;
  int Reserved;
  void *FuncPtr;
};
...
struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int flags=0) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
 printf("Hello, World!\n"); }

static struct __main_block_desc_0 {
  size_t reserved;
  size_t Block_size;
} __main_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __main_block_impl_0)};
int main(int argc, char const *argv[])
{
    ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA)) ();
    return 0;
}

代码中，__main_block_impl_0 就是该 block 的实现，从中我们可以看出：

具体文件见：https://github.com/AlonerOwl/OC_Block/tree/master/NSConcreteGlobalBlock

3.2.2 NSConcreteStackBlock 类型的 block 的实现

创建一个名字为 block1.c 的源文件，文件实现：

#include <stdio.h>

int main(int argc, char const *argv[]) {
    int a = 100;
    void (^block2)(void) = ^{ // block 实现
        printf("%d\n", a);
    };
    block2();
    
    return 0;
}

clang 后：

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  int a;
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int _a, int flags=0) : a(_a) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
  int a = __cself->a; // bound by copy

        printf("%d\n", a);
    }

static struct __main_block_desc_0 {
  size_t reserved;
  size_t Block_size;
} __main_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __main_block_impl_0)};
int main(int argc, char const *argv[]) {
    int a = 100;
    void (*block2)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, a));
    ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block2)->FuncPtr)((__block_impl *)block2);

    return 0;
}

在本例中，我们可以看到：

我们修改上面的源码，在变量前面增加 __block 关键字：

#include <stdio.h>

int main(int argc, char const *argv[]) {
    __block int i = 1024;
    void (^block2)(void) = ^{ // block 实现
        printf("%d\n", i);
        i = 1023;
    };
    block2();
    
    return 0;
}

clang 后，与之前差异相当大：

struct __Block_byref_i_0 {
  void *__isa;
__Block_byref_i_0 *__forwarding;
 int __flags;
 int __size;
 int i;
};

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  __Block_byref_i_0 *i; // by ref
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, __Block_byref_i_0 *_i, int flags=0) : i(_i->__forwarding) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
  __Block_byref_i_0 *i = __cself->i; // bound by ref

        printf("%d\n", (i->__forwarding->i));
        (i->__forwarding->i) = 1023;
    }
static void __main_block_copy_0(struct __main_block_impl_0*dst, struct __main_block_impl_0*src) {_Block_object_assign((void*)&dst->i, (void*)src->i, 8/*BLOCK_FIELD_IS_BYREF*/);}

static void __main_block_dispose_0(struct __main_block_impl_0*src) {_Block_object_dispose((void*)src->i, 8/*BLOCK_FIELD_IS_BYREF*/);}

static struct __main_block_desc_0 {
  size_t reserved;
  size_t Block_size;
  void (*copy)(struct __main_block_impl_0*, struct __main_block_impl_0*);
  void (*dispose)(struct __main_block_impl_0*);
} __main_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __main_block_impl_0), __main_block_copy_0, __main_block_dispose_0};

int main(int argc, char const *argv[]) {
    __attribute__((__blocks__(byref))) __Block_byref_i_0 i = {(void*)0,(__Block_byref_i_0 *)&i, 0, sizeof(__Block_byref_i_0), 1024};
    void (*block2)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, (__Block_byref_i_0 *)&i, 570425344));
    ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block2)->FuncPtr)((__block_impl *)block2);

    return 0;
}

从代码中我们可以看到：

具体文件见：https://github.com/AlonerOwl/OC_Block/tree/master/NSConcreteStackBlock

总结：

block 对于外部变量的使用，非 __block 修饰的变量，直接将其复制到 block 数据结构中来实现访问；__block 修饰的变量，复制这个变量的引用地址来实现访问的。

3.2.3 NSConcreteMallocBlock 类型的 block 的实现

NSConcreteMallocBlock 类型的 block 通常不会在源码中直接出现，只有当一个 block 被调用其 copy 方法的时候，系统才会将这个 block 复制到堆中，从而产生 NSConcreteMallocBlock 类型的 block。

注：在 ARC 开启的情况下，将只会存在 NSConcreteGlobalBlock 和 NSConcreteMallocBlock 类型的 block。原来的 NSConcreteStackBlock 会被 NSConcreteMallocBlock 的进行替代。