alloc初探02：isa

一、知识预习（结构体、联合体）

结构体

结构体是一种集合，它里面包含了多个变量或数组，它们的类型可以相同，也可以不同，每个这样的变量或数组都称为结构体的成员（Member）。

结构体也是一种数据类型，它由我们自己来定义，可以包含多个其他类型的数据。
像int、float、char 等是由C语言本身提供的数据类型，不能再进行分拆，我们称之为基本数据类型；而结构体可以包含多个基本类型的数据，也可以包含其他的结构体
结构体变量

struct stu{
    char *name;  //姓名
    int num;  //学号
    int age;  //年龄
    char group;  //所在学习小组
    float score;  //成绩
} stu1, stu2;

理论上讲结构体的各个成员在内存中是连续存储的，和数组非常类似，例如上面的结构体变量 stu1、stu2 的内存分布如下图所示，共占用 4+4+4+1+4 = 17 个字节。但是在编译器的具体实现中，各个成员之间可能会存在空隙，C语言中，结构体大小的内存分配，参考于这片文章：类对象的内存

联合体（共用体）

结构体（Struct）是一种构造类型或复杂类型，它可以包含多个类型不同的成员。在C语言中，还有另外一种和结构体非常类似的语法，叫做共用体（Union），它的定义格式为：

union 共用体名{
    成员列表
};**

共用体有时也被成为联合体；

结构体和共用体的区别在于：结构体的各个成员会占用不同的内存，互相之间没有影响；而共用体的所有成员占用同一段内存，修改一个成员会影响其余所有成员。

结构体占用的内存大于等于所有成员占用的内存的总和（成员之间可能会存在缝隙），共用体占用的内存等于最长的成员占用的内存。共用体使用了内存覆盖技术，同一时刻只能保存一个成员的值，如果对新的成员赋值，就会把原来成员的值覆盖掉。
共用体也是一种自定义类型，可以通过它来创建变量，例如：

union data{
    int n;
    char ch;
    double f;
};
union data a, b, c;

小结

联合体可以定义多个不同类型的成员，联合体的内存大小由其中最大的成员的大小决定。
联合体中修改其中的某个变量会覆盖其他变量的值。
联合体所有的变量公用一块内存，变量之间互斥。
优点： 内存使用更为灵活，节省内存。
缺点： 不够包容。

二、initIsa函数

在alloc初探最后我们写到会执行到 _class_createInstanceFromZone 函数，在这个函数里面会调用 initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor)函数，而在这个函数下会调用initIsa函数，如图：


这里就是initIsa的实现方法
isa_t newisa(0);
啊哈！有一个isa_t，点进去 看一下，是一个联合体 自己可以点进去看一下

inline void 
objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, UNUSED_WITHOUT_INDEXED_ISA_AND_DTOR_BIT bool hasCxxDtor)
{ 
    ASSERT(!isTaggedPointer()); 
    
    isa_t newisa(0);  // isa初始化

    if (!nonpointer) {
        newisa.setClass(cls, this);
    } else {
        ASSERT(!DisableNonpointerIsa);
        ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());


#if SUPPORT_INDEXED_ISA // isa通过cls定义
        ASSERT(cls->classArrayIndex() > 0);
        newisa.bits = ISA_INDEX_MAGIC_VALUE;
        // isa.magic is part of ISA_MAGIC_VALUE
        // isa.nonpointer is part of ISA_MAGIC_VALUE
        newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
        newisa.indexcls = (uintptr_t)cls->classArrayIndex();
#else // bits是执行的流程
        newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE; // bits进行赋值 0x001d800000000001ULL
        // isa.magic is part of ISA_MAGIC_VALUE
        // isa.nonpointer is part of ISA_MAGIC_VALUE
#   if ISA_HAS_CXX_DTOR_BIT
        newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
#   endif
        newisa.setClass(cls, this);
#endif
        newisa.extra_rc = 1;
    }

    // This write must be performed in a single store in some cases
    // (for example when realizing a class because other threads
    // may simultaneously try to use the class).
    // fixme use atomics here to guarantee single-store and to
    // guarantee memory order w.r.t. the class index table
    // ...but not too atomic because we don't want to hurt instantiation
    isa = newisa;
}

该方法的逻辑主要分为两部分 - 通过 cls 初始化 isa - 通过 bits 初始化 isa

验证 isa指针 位域（0-64）
根据前文提及的0-64位域，可以在这里通过initIsa方法中证明有isa指针中有这些位域（目前是处于macOS，所以使用的是x86_64）

首先通过main中的LGPerson 断点 --> initInstanceIsa --> initIsa --> 走到else中的 isa初始化
还是上面这段代码 通过 cls 初始化 isa 两次后输出都是这个

(lldb) po cls
objc[24455]: mutex incorrectly locked
objc[24455]: mutex incorrectly locked
0x00000001000082c0

(lldb) p newisa   // 第二次 $1变为 $2
(isa_t) $1 = {
  bits = 0
  cls = nil
   = {
    nonpointer = 0
    has_assoc = 0
    has_cxx_dtor = 0
    shiftcls = 0
    magic = 0
    weakly_referenced = 0
    unused = 0
    has_sidetable_rc = 0
    extra_rc = 0
  }
}

进入 bits 初始化 isa

(lldb) po cls
MHPerson

(lldb) p newisa
(isa_t) $3 = {
  bits = 8303516107965165
  cls = MHPerson
   = {
    nonpointer = 1
    has_assoc = 0
    has_cxx_dtor = 1
    shiftcls = 536875101
    magic = 59
    weakly_referenced = 0
    unused = 0
    has_sidetable_rc = 0
    extra_rc = 0
  }
}

(lldb) p/t newisa
(isa_t) $5 = {
  bits = 0b0000000100011101100000000000000100000000000000001000001011101101
  cls = 0b0000000100011101100000000000000100000000000000001000001011101101 MHPerson
   = {
    nonpointer = 0b1
    has_assoc = 0b0
    has_cxx_dtor = 0b1
    shiftcls = 0b00000000000000100000000000000001000001011101
    magic = 0b111011
    weakly_referenced = 0b0
    unused = 0b0
    has_sidetable_rc = 0b0
    extra_rc = 0b00000001
  }
}

对比之下发现 bits clas的值发生了变化
①newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;
②magic是59(0b111011)是由于将isa指针地址转换为二进制这个是0x001d800000000001ULL
转换为16进制0x11d8001000082f0 ，从47（因为前面有4个位域，共占用47位，地址是从0开始）位开始读取6位，再转换为十进制。 具体可以看下面 注解

③shiftcls是536875101 这是在下面这份方法里运行至newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;前一步，其中 shiftcls存储当前类的值信息， 与bits赋值结果的对比，bits的位域中有两处变化 - cls 由默认值，变成了LGPerson，将isa与cls完美关联 - shiftcls由0变成了536871965

inline void
isa_t::setClass(Class newCls, UNUSED_WITHOUT_PTRAUTH objc_object *obj)
{
    // Match the conditional in isa.h.
#if __has_feature(ptrauth_calls) || TARGET_OS_SIMULATOR
#   if ISA_SIGNING_SIGN_MODE == ISA_SIGNING_SIGN_NONE
    // No signing, just use the raw pointer.
    uintptr_t signedCls = (uintptr_t)newCls;
#   elif ISA_SIGNING_SIGN_MODE == ISA_SIGNING_SIGN_ONLY_SWIFT
    // We're only signing Swift classes. Non-Swift classes just use
    // the raw pointer
    uintptr_t signedCls = (uintptr_t)newCls;
    if (newCls->isSwiftStable())
        signedCls = (uintptr_t)ptrauth_sign_unauthenticated((void *)newCls, ISA_SIGNING_KEY, ptrauth_blend_discriminator(obj, ISA_SIGNING_DISCRIMINATOR));
#   elif ISA_SIGNING_SIGN_MODE == ISA_SIGNING_SIGN_ALL
    // We're signing everything
    uintptr_t signedCls = (uintptr_t)ptrauth_sign_unauthenticated((void *)newCls, ISA_SIGNING_KEY, ptrauth_blend_discriminator(obj, ISA_SIGNING_DISCRIMINATOR));
#   else
#       error Unknown isa signing mode.
#   endif
    shiftcls_and_sig = signedCls >> 3;
#elif SUPPORT_INDEXED_ISA
    // Indexed isa only uses this method to set a raw pointer class.
    // Setting an indexed class is handled separately.
    cls = newCls;
#else // Nonpointer isa, no ptrauth
    shiftcls = (uintptr_t)newCls >> 3;
#endif
}

注解

涉及方法执行流程

为什么在shiftcls赋值时需要类型强转？
因为内存的存储不能存储字符串，机器码只能识别 0 、1这两种数字，所以需要将其转换为uintptr_t数据类型，这样shiftcls中存储的类信息才能被机器码理解， 其中uintptr_t是long
为什么需要右移3位？
主要是由于shiftcls处于isa指针地址的中间部分，前面还有3个位域，为了不影响前面的3个位域的数据，需要右移将其抹零。
为什么magic要从47位开始读 为什么读6位？（对上面方法的关键部分注释）
nonpointer在0位，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包含了类信息、对象的引用计数等。
has_assoc在1位，表示关联对象标志位，0：没有，1：有。
has_cxx_dtor在2位，表示该对象是否有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在x86架构中占用3_{46位，表示存储类指针的值。开启指针优化的情况下，在arm64架构中占用3}35位。
magic在x86架构中占用47_{52位，在arm64架构中占用36}41位，用于调式器判断当前对象是真的对象还是没有初始化的空间。
weakly_referenced在x86架构中占用53位，在arm64架构中占用42位，标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。
unused在x86架构中占用54位，在arm64架构中占用43位，标志对象是否正在释放内存。
has_sidetable_rc在x86架构中占用55位，在arm64架构中占用44位，表示当对象引用计数大于10时，则需要借用该变量存储进位。
extra_rc在x86架构中占用56_{63位，在arm64架构中占用45}63位，当表示该对象的引用计数值时，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has_sidetable_rc。