iOS经典面试题之深入解析objc对象的内存空间、数据结构以及isa指针的理解

一、objc 对象的 isa 的指针指向什么？有什么作用？

isa 等价于 is kind of：
- 实例对象 isa 指向类对象；
- 类对象指 isa 向元类对象；
- 元类对象的 isa 指向元类的基类；
isa 有两种类型：
- 纯指针，指向内存地址；
- NON_POINTER_ISA，除了内存地址，还存有一些其它信息。
isa 指向它的类对象，从而可以找到对象上的方法，对象、类、元类之间的关系，如下所示：

说明如下：
- Root class(class) 其实就是 NSObject，NSObject 是没有超类的，因此 Root class(class) 的 superclass 指向 nil；
- 每个 Class 都有一个 isa 指针指向唯一的 Meta class；
- Root class(meta) 的 superclass 指向 Root class(class)，也就是 NSObject，形成一个回路；
- 每个 Meta class 的 isa 指针都指向 Root class(meta)。
在 Runtime 源码查看 isa_t 是共用体，简化结构如下：

union isa_ t {Class cls;uintptr_ t bits;# if _arm64__                                      // arm64架构# define ISA_MASK        0x80000000ffffffff8ULL   // 用来取出33位内存地址使用(&)操作# define ISA_MAGIC_MASK  0x0000003f000000001ULL# define ISA_MAGIC_VALUE 0x0000001a000000001ULLstruct {uintptr_t nonpointer         :1;  // 0:代表普通指针，1:表示优化过的，可以存储更多信息uintptr_t has_assoc          :1;  // 是否设置过关联对象，如果没设置过，释放会更快uintptr t has_cxx_dtor       :1;  // 是否有C++的析构函数uintptr t shiftcls           :33; // MACH_VL_MAX_ADDRESS ox10000000000 内存地址值uintptr_t magic              :6;  // 用于在调试时分解对象是否未完成初始化uintptr_t weakly_referenced  :1;  // 是否有被弱引用指向过uintptr_t deallocating       :1;  // 是否正在释放uintptr_t has_sidetable_rc   :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ideTable的类的uintptr_t extra_rc           :19; // 里面存储的值是引用计数器减define RC_ONE  (1ULL<<45)define RC_HALF (1ULL<<18)
};elif _x86_64_     // arm86架构, 模拟器是arm86define ISA_MASK       0x00007ffffffffff8ULLdefine ISA_MAGIC_MASK  0x001f800000008001ULLdefine ISA_MAGIC_VALUE 0x001d800000008001ULLstruct {uintptr_t nonpointer        : 1;uintptr_t has_assoc.        : 1;uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;uintptr_t shiftcls          : 44; // MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x7fffffe00000uintptr_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)};
elseerror unknown architecture for packed isa
endif

二、一个 NSObject 对象占用多少内存空间？

受限于内存分配的机制，一个 NSObject 对象都会分配 16byte 的内存空间。但是实际上在 64 位下，只使用了 8byte；在 32 位下，只使用了 4byte。
一个 NSObject 实例对象成员变量所占的大小，实际上是 8 字节。

#import <Objc/Runtime>
Class_getInstanceSize([NSObject class])

本质是：

size_t class_getInstanceSize(Class cls)
{if (!cls) return 0;return cls->alignedInstanceSize();
}

获取 ObjC 指针所指向的内存的大小，实际上是 16 字节：

#import <malloc/malloc.h>
malloc_size((__bridge const void *)objc);

对象在分配内存空间时，会进行内存对齐，所以在 iOS 中，分配内存空间都是 16 字节的倍数。

三、实例对象的数据结构

在文件 objc-private.h 中，如下所示：

struct objc_object {private:isa_t isa;public:// ISA() assumes this is NOT a tagged pointer objectClass ISA(bool authenticated = false);// rawISA() assumes this is NOT a tagged pointer object or a non pointer ISAClass rawISA();// getIsa() allows this to be a tagged pointer objectClass getIsa();uintptr_t isaBits() const;// initIsa() should be used to init the isa of new objects only.// If this object already has an isa, use changeIsa() for correctness.// initInstanceIsa(): objects with no custom RR/AWZ// initClassIsa(): class objects// initProtocolIsa(): protocol objects// initIsa(): other objectsvoid initIsa(Class cls /*nonpointer=false*/);void initClassIsa(Class cls /*nonpointer=maybe*/);void initProtocolIsa(Class cls /*nonpointer=maybe*/);void initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor);// changeIsa() should be used to change the isa of existing objects.// If this is a new object, use initIsa() for performance.Class changeIsa(Class newCls);bool hasNonpointerIsa();bool isTaggedPointer();bool isTaggedPointerOrNil();bool isBasicTaggedPointer();bool isExtTaggedPointer();bool isClass();// object may have associated objects?bool hasAssociatedObjects();void setHasAssociatedObjects();// object may be weakly referenced?bool isWeaklyReferenced();void setWeaklyReferenced_nolock();// object may have -.cxx_destruct implementation?bool hasCxxDtor();// Optimized calls to retain/release methodsid retain();void release();id autorelease();// Implementations of retain/release methodsid rootRetain();bool rootRelease();id rootAutorelease();bool rootTryRetain();bool rootReleaseShouldDealloc();uintptr_t rootRetainCount();// Implementation of dealloc methodsbool rootIsDeallocating();void clearDeallocating();void rootDealloc();private:void initIsa(Class newCls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor);// Slow paths for inline controlid rootAutorelease2();uintptr_t overrelease_error();#if SUPPORT_NONPOINTER_ISA// Controls what parts of root{Retain,Release} to emit/inline// - Full means the full (slow) implementation// - Fast means the fastpaths only// - FastOrMsgSend means the fastpaths but checking whether we should call//   -retain/-release or Swift, for the usage of objc_{retain,release}enum class RRVariant {Full,Fast,FastOrMsgSend,};// Unified retain count manipulation for nonpointer isainline id rootRetain(bool tryRetain, RRVariant variant);inline bool rootRelease(bool performDealloc, RRVariant variant);id rootRetain_overflow(bool tryRetain);uintptr_t rootRelease_underflow(bool performDealloc);void clearDeallocating_slow();// Side table retain count overflow for nonpointer isastruct SidetableBorrow { size_t borrowed, remaining; };void sidetable_lock();void sidetable_unlock();void sidetable_moveExtraRC_nolock(size_t extra_rc, bool isDeallocating, bool weaklyReferenced);bool sidetable_addExtraRC_nolock(size_t delta_rc);SidetableBorrow sidetable_subExtraRC_nolock(size_t delta_rc);size_t sidetable_getExtraRC_nolock();void sidetable_clearExtraRC_nolock();
#endif// Side-table-only retain countbool sidetable_isDeallocating();void sidetable_clearDeallocating();bool sidetable_isWeaklyReferenced();void sidetable_setWeaklyReferenced_nolock();id sidetable_retain(bool locked = false);id sidetable_retain_slow(SideTable& table);uintptr_t sidetable_release(bool locked = false, bool performDealloc = true);uintptr_t sidetable_release_slow(SideTable& table, bool performDealloc = true);bool sidetable_tryRetain();uintptr_t sidetable_retainCount();
#if DEBUGbool sidetable_present();
#endif
};

本质上 objc_object 的私有属性只有一个 isa 指针，指向类对象的内存地址。

四、类对象的数据结构

类对象就是 objc_class，如下所示：

struct objc_class : objc_object {Class superclass;const char *name;uint32_t version;uint32_t info;uint32_t instance_size;struct old_ivar_list *ivars;struct old_method_list **methodLists;Cache cache;struct old_protocol_list *protocols;// CLS_EXT onlyconst uint8_t *ivar_layout;struct old_class_ext *ext;void setInfo(uint32_t set) {OSAtomicOr32Barrier(set, (volatile uint32_t *)&info);}void clearInfo(uint32_t clear) {OSAtomicXor32Barrier(clear, (volatile uint32_t *)&info);}// set and clear must not overlapvoid changeInfo(uint32_t set, uint32_t clear) {ASSERT((set & clear) == 0);uint32_t oldf, newf;do {oldf = this->info;newf = (oldf | set) & ~clear;} while (!OSAtomicCompareAndSwap32Barrier(oldf, newf, (volatile int32_t *)&info));}bool hasCxxCtor() {// set_superclass propagates the flag from the superclass.return info & CLS_HAS_CXX_STRUCTORS;}bool hasCxxDtor() {return hasCxxCtor();  // one bit for both ctor and dtor}// Return YES if the class's ivars are managed by ARC, // or the class is MRC but has ARC-style weak ivars.bool hasAutomaticIvars() {return info & (CLS_IS_ARC | CLS_HAS_WEAK_WITHOUT_ARC);}// Return YES if the class's ivars are managed by ARC.bool isARC() {return info & CLS_IS_ARC;}bool hasCustomRR() {return true;}bool hasCustomAWZ() {return true;}bool forbidsAssociatedObjects() {// Old runtime doesn't support forbidding associated objects.return false;}bool instancesHaveAssociatedObjects() {return info & CLS_INSTANCES_HAVE_ASSOCIATED_OBJECTS;}void setInstancesHaveAssociatedObjects() {setInfo(CLS_INSTANCES_HAVE_ASSOCIATED_OBJECTS);}bool shouldGrowCache() {return info & CLS_GROW_CACHE;}void setShouldGrowCache(bool grow) {if (grow) setInfo(CLS_GROW_CACHE);else clearInfo(CLS_GROW_CACHE);}// +initialize bits are stored on the metaclass onlybool isInitializing() {return getMeta()->info & CLS_INITIALIZING;}// +initialize bits are stored on the metaclass onlyvoid setInitializing() {getMeta()->setInfo(CLS_INITIALIZING);}// +initialize bits are stored on the metaclass onlybool isInitialized() {return getMeta()->info & CLS_INITIALIZED;}// +initialize bits are stored on the metaclass onlyvoid setInitialized() {getMeta()->changeInfo(CLS_INITIALIZED, CLS_INITIALIZING);}bool isLoadable() {// A class registered for +load is ready for +load to be called// if it is connected.return isConnected();}IMP getLoadMethod();bool isFuture();bool isConnected();const char *mangledName() { return name; }const char *demangledName() { return name; }const char *nameForLogging() { return name; }bool isRootClass() {return superclass == nil;}bool isRootMetaclass() {return ISA() == (Class)this;}bool isMetaClass() {return info & CLS_META;}// NOT identical to this->ISA() when this is a metaclassClass getMeta() {if (isMetaClass()) return (Class)this;else return this->ISA();}// May be unaligned depending on class's ivars.uint32_t unalignedInstanceStart() {// This is not simply superclass->instance_size.// superclass->instance_size is padded to its sizeof() boundary, // which may envelop one of this class's ivars. // That in turn would break ARC-style ivar layouts.// Instead, we use the address of this class's first ivar when possible.if (!superclass) return 0;if (!ivars || ivars->ivar_count == 0) return superclass->instance_size;return ivars->ivar_list[0].ivar_offset;}// Class's instance start rounded up to a pointer-size boundary.// This is used for ARC layout bitmaps.uint32_t alignedInstanceStart() {return word_align(unalignedInstanceStart());}// May be unaligned depending on class's ivars.uint32_t unalignedInstanceSize() {return instance_size;}// Class's ivar size rounded up to a pointer-size boundary.uint32_t alignedInstanceSize() {return word_align(unalignedInstanceSize());}size_t instanceSize(size_t extraBytes) {size_t size = alignedInstanceSize() + extraBytes;// CF requires all objects be at least 16 bytes.if (size < 16) size = 16;return size;}
};

继承自 objc_object 结构体，因此包含 isa 指针：
- isa：指向元类；
- superClass：指向父类；
- Cache：方法的缓存列表；
- data：顾名思义，就是数据，是一个被封装好的 class_rw_t。

五、class_rw_t 的理解

rw 代表可读可写，ObjC 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：

// 可读可写
struct class_rw_t {// Be warned that Symbol ication knows the layout of this structureuint32_t flags;uint32_t version; ,const class_ro_t *ro;        // 指向只读的结构体，存故类初始信息/*这三个都是二维数组，是可读可写的，包含了类的初始内容，分类的内容methods 中，存储 methods_list_t --> methods_t二维数组，methods_list_t --> methods_t这三个二维数组中的数据有一部分是从 class_ro_t 中合并过来*/method_array_t methods;      // 方法列表（类对象存放对象方法，元类对象存放实例方法）property_array_t properties; // 属性列表protocol_array_t protocols;  // 协议列表Class firstSubclass;Class nextSiblingClass;// ...

六、class_ro_t 的理解

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;
#endifunion {const uint8_t * ivarLayout;Class nonMetaclass;};explicit_atomic<const char *> name;// With ptrauth, this is signed if it points to a small list, but// may be unsigned if it points to a big list.void *baseMethodList;protocol_list_t * baseProtocols;const ivar_list_t * ivars;const uint8_t * weakIvarLayout;property_list_t *baseProperties;// ...

七、objc 中向一个 nil 对象发送消息将会发生什么？

如果向一个 nil 对象发送消息，首先在寻找对象的 isa 指针时就是 0 地址返回，所以不会出现任何错误，也不会崩溃。
如果一个方法返回值是一个对象，那么发送给 nil 的消息将返回 0(nil)；
如果方法返回值为指针类型，其指针大小为小于或者等于 sizeof(void*) ，float，double，long double 或者 long long 的整型标量，发送给 nil 的消息将返回 0；
如果方法返回值为结构体，发送给 nil 的消息将返回 0，结构体中各个字段的值将都是 0；
如果方法的返回值不是上述提到的几种情况，那么发送给 nil 的消息的返回值将是未定义的。

八、objc 在向一个对象发送消息时，发生了什么？

objc 在向一个对象发送消息时，runtime 会根据对象的 isa 指针找到该对象实际所属的类，然后在该类中的方法列表以及其父类方法列表中寻找方法运行，如果一直到根类还没找到，转向拦截调用，执行消息转发机制，一旦找到，就去执行它的实现 IMP。

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一、objc 对象的 isa 的指针指向什么？有什么作用？

二、一个 NSObject 对象占用多少内存空间？

三、实例对象的数据结构

四、类对象的数据结构

五、class_rw_t 的理解

六、class_ro_t 的理解

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