iOS - Runtime-isa详解（位域、union（共用体）、位运算）

前言

本章主要了解Runtime相关内容，苹果对isa做了哪些优化，位域、union（共用体）又是如何运用的

• 要想学习Runtime，首先要了解它底层的一些常用数据结构，比如isa指针
• 在arm64架构之前，isa就是一个普通的指针，存储着Class、Meta-Class对象的内存地址
• 从arm64架构开始，对isa进行了优化，变成了一个共用体（union）结构，还使用位域来存储更多的信息

1. 位域介绍

利用好位域的话，可以使程序运行高效、节省内存，操作系统级别的东西很多都会使用

在IM系统的开发中，就使用了位域来对数据进行优化，后续有时间再抽出案例聊聊。

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1.1 思路

假如ZSXPerson类需要3个BOOL类型的属性，这时候我们通常会直接使用@property声明3个属性，这时候系统会给我们生成 3个_开头的成员变量，3对get、set方法，所占据的内存也比较多

思路：BOOL 类型属性值要么 YES 要么 NO，使用字节中的一个位（0或者1）其实就能表示一个 BOOL 类型的属性值，一个字节就可以表示8个 BOOL 值

1.2 示例 - 结构体

ZSXPerson.h

@interface ZSXPerson : NSObject

- (void)setTall:(BOOL)tall;

- (BOOL)isTall;

- (void)setRich:(BOOL)rich;

- (BOOL)isRich;

- (void)setHandsome:(BOOL)handsome;

- (BOOL)isHandsome;

@end

ZSXPerson.m

@interface ZSXPerson() {
    struct {
        char tall: 1;
        char rich: 1;
        char handsome: 1;
    } _tallRichHandsome;
}

@end

@implementation ZSXPerson

- (void)setTall:(BOOL)tall {
    _tallRichHandsome.tall = tall;
}

- (BOOL)isTall {
    return !!_tallRichHandsome.tall;
}

- (void)setRich:(BOOL)rich {
    _tallRichHandsome.rich = rich;
}

- (BOOL)isRich {
    return !!_tallRichHandsome.rich;
}

- (void)setHandsome:(BOOL)handsome {
    _tallRichHandsome.handsome = handsome;
}

- (BOOL)isHandsome {
    return !!_tallRichHandsome.handsome;
}

@end

main.m

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        ZSXPerson *person = [[ZSXPerson alloc] init];
        person.tall = NO;
        person.rich = YES;
        person.handsome = YES;
        
        NSLog(@"tall:%d  rich:%d  handsome:%d", person.isTall, person.isRich, person.isHandsome);
    }
    return 0;
}

运行结果：

1.3 示例 - union（共用体）

ZSXPerson.h

@interface ZSXPerson : NSObject

- (void)setTall:(BOOL)tall;

- (BOOL)isTall;

- (void)setRich:(BOOL)rich;

- (BOOL)isRich;

- (void)setHandsome:(BOOL)handsome;

- (BOOL)isHandsome;

@end

ZSXPerson.h.m

#import "ZSXPerson.h"

#define ZSXTallMask (1)
#define ZSXRichMask (1 << 1)
#define ZSXHandsomeMask (1 << 2)

@interface ZSXPerson() {
    union {
        char bits;
        struct {
            char tall: 1;
            char rich: 1;
            char handsome: 1;
        };
    }_tallRichHandsome;
}

@end

@implementation ZSXPerson

- (void)setTall:(BOOL)tall {
    if (tall) {
        _tallRichHandsome.bits |= ZSXTallMask;
    }
    else {
        _tallRichHandsome.bits &= ~ZSXTallMask;
    }
}

- (BOOL)isTall {
    return !!(_tallRichHandsome.bits & ZSXTallMask);
}

- (void)setRich:(BOOL)rich {
    if (rich) {
        _tallRichHandsome.bits |= ZSXRichMask;
    }
    else {
        _tallRichHandsome.bits &= ~ZSXRichMask;
    }
}

- (BOOL)isRich {
    return !!(_tallRichHandsome.bits & ZSXRichMask);
}

- (void)setHandsome:(BOOL)handsome {
    if (handsome) {
        _tallRichHandsome.bits |= ZSXHandsomeMask;
    }
    else {
        _tallRichHandsome.bits &= ~ZSXHandsomeMask;
    }
}

- (BOOL)isHandsome {
    return !!(_tallRichHandsome.bits & ZSXHandsomeMask);
}

@end

main.m

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        ZSXPerson *person = [[ZSXPerson alloc] init];
        person.tall = NO;
        person.rich = YES;
        person.handsome = YES;
        
        NSLog(@"tall:%d  rich:%d  handsome:%d", person.isTall, person.isRich, person.isHandsome);
    }
    return 0;
}

运行结果：

1.3.1 说明

1.4 结构体 对比 union（共用体）

• 结构体的成员是各自占用各自所需大小
• 共同体的内存大小取决于其中最大的成员的大小，所有成员共用这块内存

• 使用共用体实际上还是通过位运算来控制每个属性所占位置
• 其中的sturct目的是增加可读性，实际上不会影响属性所占位置

2. arm64架构对isa的优化

arm64架构对isa中，使用一个64位的共用体来存储更多的信息，通过位域的概念来表示各个存储的信息的存储位置。其中有33位拿来存储Class、Meta-Class的地址值

2.1 位域内容

nonpointer

• 0，代表普通的指针，存储着Class、Meta-Class对象的内存地址
• 1，代表优化过，使用位域存储更多的信息

has_assoc

• 是否有设置过关联对象，如果没有，释放时会更快

has_cxx_dtor

• 是否有C++的析构函数（.cxx_destruct），如果没有，释放时会更快

shiftcls

• 存储着Class、Meta-Class对象的内存地址信息

magic

• 用于在调试时分辨对象是否未完成初始化

weakly_referenced

• 是否有被弱引用指向过，如果没有，释放时会更快

deallocating

• 对象是否正在释放

extra_rc

• 里面存储的值是引用计数器减1

has_sidetable_rc

• 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SideTable的类的属性中

2.2 Class、Meta-Class对象存储位置

Class、Meta-Class对象存储在shiftcls，从上图可知shiftcls是从第4位开始，连续33位

isa的掩码：define ISA_MASK 0x0000000ffffffff8ULL

将掩码转为二进制查看

它表示的就是从第4位开始，连续33位，通过这个掩码，就可以将Class、Meta-Class的地址值取出来

Class、Meta-Class的地址值后三位永远是 0。因为他的掩码左右边 3位是 0，&运算后一定是 0

3. 拓展

3.1 枚举值设计

在iOS中，系统的一些API可以使用|传入多个枚举值，比如：

self.view.autoresizingMask = UIViewAutoresizingFlexibleLeftMargin | UIViewAutoresizingFlexibleWidth | UIViewAutoresizingFlexibleRightMargin;

原理就是使用位域设计枚举值，然后通过位运算来取值

3.1.1 案例

我们也自己来设计一个这样的枚举

定义枚举：

typedef NS_OPTIONS(NSUInteger, ZSXOptions) {
    ZSXOptions1                 = 1 << 0, // 0b00000001
    ZSXOptions2                 = 1 << 1, // 0b00000010
    ZSXOptions3                 = 1 << 2, // 0b00000100
    ZSXOptions4                 = 1 << 3, // 0b00001000
    ZSXOptions5                 = 1 << 4, // 0b00010000
};

设置值方法：

- (void)setOptions:(ZSXOptions)options {
    if (options & ZSXOptions1) {
        NSLog(@"包含了ZSXOptions1");
    }
    
    if (options & ZSXOptions2) {
        NSLog(@"包含了ZSXOptions2");
    }
    
    if (options & ZSXOptions3) {
        NSLog(@"包含了ZSXOptions3");
    }
    
    if (options & ZSXOptions4) {
        NSLog(@"包含了ZSXOptions4");
    }
    
    if (options & ZSXOptions5) {
        NSLog(@"包含了ZSXOptions5");
    }
}

使用：

[self setOptions:ZSXOptions1 | ZSXOptions3 | ZSXOptions5];

打印如下：

此时我们已经实现了一个可以传入多个枚举值的接口

3.1.2 原理分析

/**
 0b00000001
 0b00000100
 0b00010000
 ----------------- | 运算（设置值）
 0b00010101
 
 0b00000001
 ----------------- & 运算（取值）
 0b00000001    为 true
 */

@oubijiexi