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位域-isa指针
来源：cnblogs　　作者：春天里的花骨朵　　时间：2019/10/10 8:50:10　　对本文有异议

一、isa指针结构

  1. union isa_t 
  2. {
  3.     isa_t() { }
  4.     isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
  6.     Class cls;
  7.     uintptr_t bits;
  9. #if SUPPORT_PACKED_ISA
  10.  
  11.     // extra_rc must be the MSB-most field (so it matches carry/overflow flags)
  12.     // nonpointer must be the LSB (fixme or get rid of it)
  13.     // shiftcls must occupy the same bits that a real class pointer would
  14.     // bits + RC_ONE is equivalent to extra_rc + 1
  15.     // RC_HALF is the high bit of extra_rc (i.e. half of its range)
  17.     // future expansion:
  18.     // uintptr_t fast_rr : 1;     // no r/r overrides
  19.     // uintptr_t lock : 2;        // lock for atomic property, @synch
  20.     // uintptr_t extraBytes : 1;  // allocated with extra bytes
  22. # if __arm64__
  23. #   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL
  24. #   define ISA_MAGIC_MASK  0x000003f000000001ULL
  25. #   define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL
  26.     struct {
  27.         uintptr_t nonpointer        : 1;
  28.         uintptr_t has_assoc         : 1;
  29.         uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;
  30.         uintptr_t shiftcls          : 33; // MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x1000000000
  31.         uintptr_t magic             : 6;
  32.         uintptr_t weakly_referenced : 1;
  33.         uintptr_t deallocating      : 1;
  34.         uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;
  35.         uintptr_t extra_rc          : 19;
  36. #       define RC_ONE   (1ULL<<45)
  37. #       define RC_HALF  (1ULL<<18)
  38.     };
  40. # elif __x86_64__
  41. #   define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL
  42. #   define ISA_MAGIC_MASK  0x001f800000000001ULL
  43. #   define ISA_MAGIC_VALUE 0x001d800000000001ULL
  44.     struct {
  45.         uintptr_t nonpointer        : 1;
  46.         uintptr_t has_assoc         : 1;
  47.         uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;
  48.         uintptr_t shiftcls          : 44; // MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x7fffffe00000
  49.         uintptr_t magic             : 6;
  50.         uintptr_t weakly_referenced : 1;
  51.         uintptr_t deallocating      : 1;
  52.         uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;
  53.         uintptr_t extra_rc          : 8;
  54. #       define RC_ONE   (1ULL<<56)
  55. #       define RC_HALF  (1ULL<<7)
  56.     };
  58. # else
  59. #   error unknown architecture for packed isa
  60. # endif
  62. // SUPPORT_PACKED_ISA
  63. #endif
  64.  
  65.  
  66. #if SUPPORT_INDEXED_ISA
  68. # if  __ARM_ARCH_7K__ >= 2
  70. #   define ISA_INDEX_IS_NPI      1
  71. #   define ISA_INDEX_MASK        0x0001FFFC
  72. #   define ISA_INDEX_SHIFT       2
  73. #   define ISA_INDEX_BITS        15
  74. #   define ISA_INDEX_COUNT       (1 << ISA_INDEX_BITS)
  75. #   define ISA_INDEX_MAGIC_MASK  0x001E0001
  76. #   define ISA_INDEX_MAGIC_VALUE 0x001C0001
  77.     struct {
  78.         uintptr_t nonpointer        : 1;
  79.         uintptr_t has_assoc         : 1;
  80.         uintptr_t indexcls          : 15;
  81.         uintptr_t magic             : 4;
  82.         uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;
  83.         uintptr_t weakly_referenced : 1;
  84.         uintptr_t deallocating      : 1;
  85.         uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;
  86.         uintptr_t extra_rc          : 7;
  87. #       define RC_ONE   (1ULL<<25)
  88. #       define RC_HALF  (1ULL<<6)
  89.     };
  91. # else
  92. #   error unknown architecture for indexed isa
  93. # endif
  95. // SUPPORT_INDEXED_ISA
  96. #endif
  98. };

分析：

1.我们知道，实例对象的isa指针指向该对象所属类的类对象；类对象的isa指向其元类对象；

2.真机为arm64架构，模拟器和mac电脑为x86架架构，以下以arm64为例讲解；

3.在64位系统下，指针所占字节为8个即64位；

4.在arm64之前，isa就是一个普通的指针，存放着类（元类）对象的地址；之后，则需要&

ISA_MASK掩码，才能获取到类（元类）对象的地址，此时isa指针为一个共用体，存储的信息不局限于类（元类）对象的地址；

5.存储信息介绍：

 

其中，shiftcls结构体成员变量（33位）用来存储类（元类）对象的地址；

 

二、类（元类）对象的地址取值原理——位域

1.结构体支持位域运算

//代码

  1. struct bs {
  2.     unsigned a : 9;//如果超过位域范围(511)，则只取范围内的值，其他位（高位）丢弃
  3.     unsigned b : 4;
  4.     unsigned c : 3;
  5. }bit, *pbit;
  7. void test1()
  8. {
  9.     bit.a = 512;//超过位域范围报警告
  10.     bit.b = 10;
  11.     bit.c = 7;
  12.     NSLog(@"%d,%d,%d\n", bit.a, bit.b, bit.c);
  13.     
  14.     pbit=&bit;
  15.     pbit-> a=0;
  16.     pbit-> b&=3;
  17.     pbit-> c|=1;
  18.     printf("%d,%d,%d\n ",pbit-> a,pbit-> b,pbit-> c);
  19. }

 

 

 

//输出

  1. 2019-10-08 18:22:37.051464+0800 SetAndGetsForMask[1966:248996] 0,10,7
  2. 0,2,7
  3.  Program ended with exit code: 0

//分析

1）unsigned即无符号整型，占4个字节；结构体中成员变量所占内存相互独立且连续；

2）以a为例，所占位数为9位即0b111111111（十进制511），所以a的取值范围0～511，如果是512（二进制0b1000000000），由于只取低9位（000000000），所以取出值为0；

3）按位与&：两个都为1运算结果为1，否则为0；按位或|：两个都为0运算结果为0，否则为1；

2.参照isa，共用体套用结构体，一个char字符（一个字节）存储多个BOOL值并制定存储位置

 

2.设置类属性BOOL值（setter and getter）

//Person

  1. #import "Person.h"
  2.  
  3. //mask即掩码，表示二进制数（0b开头）
  4. #define TallMask (1<<0)      //表示1左移0位：0b 0000 0001
  5. #define RichMask (1<<1)      //表示1左移1位：0b 0000 0010
  6. #define HandsomeMask (1<<2)  //表示1左移2位：0b 0000 0100
  7.  
  8. //拓展：10<<3即在10对应的二进制数后添加3个0
  9.  
  10. @interface Person()
  11. {
  12.     char _saveBox;
  13. }
  15. @end
  16.  
  17. @implementation Person
  19. - (instancetype)init
  20. {
  21.     if (self = [super init]) {
  22.         //用一个字节来存储三个变量：从最右往左依次为Tall、Rich、Handsome
  23.         _saveBox = 0b00000101;
  24.     }
  25.     return self;
  26. }
  28. /*思路
  29.  0000 0101（_saveBox）
  30. |0000 0001（掩码）
  31.  ---------
  32.  0000 0001（赋值tall为1）
  33.  
  34.  0000 0101
  35. &1111 1110（掩码取反）
  36.  ---------
  37.  0000 0100（赋值tall为0）
  38.  
  39.  1.如果赋的值为1，则按位或；
  40.  2.如果赋的值为0，则掩码先取反，后按位与；
  41.  */
  42. - (void)setTall:(BOOL)tall
  43. {
  44.     if (tall) {
  45.         _saveBox |= TallMask;
  46.     } else {
  47.         _saveBox &= ~TallMask;
  48.     }
  49. }
  51. - (void)setRich:(BOOL)rich
  52. {
  53.     if (rich) {
  54.         _saveBox |= RichMask;
  55.     } else {
  56.         _saveBox &= ~RichMask;
  57.     }
  58. }
  60. - (void)setHandsome:(BOOL)handsome
  61. {
  62.     if (handsome) {
  63.         _saveBox |= HandsomeMask;
  64.     } else {
  65.         _saveBox &= ~HandsomeMask;
  66.     }
  67. }
  69. /*思路
  70.  0000 0101
  71. &0000 0001
  72.  ---------
  73.  0000 0001（取出tall值）
  74.  
  75.  1.按位与，用掩码取出_saveBox中特定位；
  76.  2.结果>=1，取反为0，再取反为1；同理，为0则双取反后为0；
  77.  */
  78. - (BOOL)isTall
  79. {
  80.     return !!(_saveBox & TallMask);
  81. }
  83. - (BOOL)isRich
  84. {
  85.     return !!(_saveBox & RichMask);
  86. }
  88. - (BOOL)isHandsome
  89. {
  90.     return !!(_saveBox & HandsomeMask);
  91. }
  93. @end

 

//Student

  1. #import "Student.h"
  2.  
  3. @interface Student()
  4. {
  5.     /*思路
  6.      1.用一个结构体来存放变量；
  7.      2.结构体支持位域：按先后顺序，一个char字符一个字节（0b0000 0000），从最右至左依次为tall、rich、handsome；
  8.      */
  9.     struct {
  10.         char tall : 1;//用一位来存储
  11.         char rich : 1;
  12.         char handsome : 1;
  13.     }_tallRichHandsome;
  14. }
  16. @end
  17.  
  18. @implementation Student
  20. - (void)setTall:(BOOL)tall
  21. {
  22.     _tallRichHandsome.tall = tall;
  23. }
  25. - (void)setRich:(BOOL)rich
  26. {
  27.     _tallRichHandsome.rich = rich;
  28. }
  30. - (void)setHandsome:(BOOL)handsome
  31. {
  32.     _tallRichHandsome.handsome = handsome;
  33. }
  35. - (BOOL)isTall
  36. {
  37.     return !!_tallRichHandsome.tall;//非0（包括负数）取反为0
  38. }
  40. - (BOOL)isRich
  41. {
  42.     return !!_tallRichHandsome.rich;
  43. }
  45. - (BOOL)isHandsome
  46. {
  47.     return !!_tallRichHandsome.handsome;
  48. }
  50. @end

 

//Worker

  1. #import "Worker.h"
  2.  
  3. #define TallMask (1<<0)//也可以左移6位，剩余位没用到
  4. #define RichMask (1<<1)
  5. #define HandsomeMask (1<<2)
  6. #define ThinMask (1<<3)
  7.  
  8. @interface  Worker()
  9. {
  10.     //苹果系统设计思路
  11.     union {
  12.         char bits;//一个字节存储结构体中的所有成员变量
  13.         struct {//摆设用：位域，增加可读性
  14.             char tall : 1;//占一位
  15.             char rich : 1;
  16.             char handsome : 1;
  17.             char thin : 1;
  18.         };
  19.     }_tallRichHandsome;
  20. }
  22. @end
  23.  
  24. @implementation Worker
  26. - (void)setTall:(BOOL)tall
  27. {
  28.     if (tall) {
  29.         NSLog(@"----%c", _tallRichHandsome.bits);
  30.         _tallRichHandsome.bits |= TallMask;
  31.     } else {
  32.         _tallRichHandsome.bits &= ~TallMask;
  33.     }
  34. }
  36. - (void)setRich:(BOOL)rich
  37. {
  38.     if (rich) {
  39.         _tallRichHandsome.bits |= RichMask;
  40.     } else {
  41.         _tallRichHandsome.bits &= ~RichMask;
  42.     }
  43. }
  45. - (void)setHandsome:(BOOL)handsome
  46. {
  47.     if (handsome) {
  48.         _tallRichHandsome.bits |= HandsomeMask;
  49.     } else {
  50.         _tallRichHandsome.bits &= ~HandsomeMask;
  51.     }
  52. }
  54. - (void)setThin:(BOOL)thin
  55. {
  56.     if (thin) {
  57.         _tallRichHandsome.bits |= ThinMask;
  58.     } else {
  59.         _tallRichHandsome.bits &= ~ThinMask;
  60.     }
  61. }
  63. - (BOOL)isTall
  64. {
  65.     return !!(_tallRichHandsome.bits & TallMask);
  66. }
  68. - (BOOL)isRich
  69. {
  70.     return !!(_tallRichHandsome.bits & RichMask);
  71. }
  73. - (BOOL)isHandsome
  74. {
  75.     return !!(_tallRichHandsome.bits & HandsomeMask);
  76. }
  78. - (BOOL)isThin
  79. {
  80.     return !!(_tallRichHandsome.bits & ThinMask);
  81. }
  83. @end

 

//main

  1. #import <Foundation/Foundation.h>
  2. #import "Person.h"
  3. #import "Student.h"
  4. #import "Worker.h"
  5. #import "Engineer.h"
  6.  
  7. struct bs {
  8.     unsigned a : 9;//如果超过位域范围(511)，则只取范围内的值，其他位（高位）丢弃
  9.     unsigned b : 4;
  10.     unsigned c : 3;
  11. }bit, *pbit;
  13. void test1()
  14. {
  15.     bit.a = 512;//超过位域范围报警告
  16.     bit.b = 10;
  17.     bit.c = 7;
  18.     NSLog(@"%d,%d,%d\n", bit.a, bit.b, bit.c);
  19.     
  20.     pbit=&bit;
  21.     pbit-> a=0;
  22.     pbit-> b&=3;
  23.     pbit-> c|=1;
  24.     printf("%d,%d,%d\n ",pbit-> a,pbit-> b,pbit-> c);
  25. }
  27. void test2()
  28. {
  29.     Person *per = [[Person alloc] init];
  30.     per.tall = NO;
  31.     per.rich = NO;
  32.     per.handsome = YES;
  33.     NSLog(@"%d %d %d", per.isTall, per.isRich, per.isHandsome);
  34. }
  36. void test3()
  37. {
  38.     Student *stu = [[Student alloc] init];
  39.     stu.tall = YES;
  40.     stu.rich = NO;
  41.     stu.handsome = YES;
  42.     NSLog(@"%d %d %d", stu.isTall, stu.isRich, stu.isHandsome);
  43. }
  45. void test4()
  46. {
  47.     Worker *worker = [[Worker alloc] init];
  48. //    worker.tall = YES;
  49.     worker.rich = NO;
  50.     worker.handsome = NO;
  51.     worker.thin = YES;
  52.     NSLog(@"%d %d %d", worker.isThin, worker.isRich, worker.isHandsome);
  53. }
  55. void test5()
  56. {
  57.     Engineer *engineer = [[Engineer alloc] init];
  58. //    engineer.age = 12;
  59. //    engineer.level = 6;
  60. //    engineer.workers = 5;
  61.     
  62.     //0b 1111 1111 1111 1111（十进制：65535）
  63.     //0b 0010 1100 1110 1101（十进制：11501）
  64.     engineer->_personalInfo.bits =11501;
  65.     NSLog(@"%d %d %d", engineer.getAge, engineer.getLevel, engineer.getWorkers);
  66.     //2019-10-08 16:42:09.612140+0800 SetAndGetsForMask[1488:127227] 7 16 8160
  67.     //
  68. }
  70. int main(int argc, const char * argv[]) {
  71.     @autoreleasepool {
  72.         
  73.         test1();
  74. //        test2();
  75. //        test3();
  76. //        test4();
  77. //        test5();
  78.     }
  79.     return 0;
  80. }

 

//打印

  1. 2019-10-09 10:42:04.998750+0800 SetAndGetsForMask[2513:316066] 0 0 1
  2. 2019-10-09 10:42:04.999093+0800 SetAndGetsForMask[2513:316066] 1 0 1
  3. 2019-10-09 10:42:04.999122+0800 SetAndGetsForMask[2513:316066] 1 0 0
  4. Program ended with exit code: 0

//分析（以Worker为例）

1）共用体中所有成员共同占用一块内存区，其大小等于最大那个成员所占字节数；

2）Worker中的结构体并为定义变量，编译器不会计算其内存，仅是增加可读性；

3）Worker中只有一个char型变量bits（占一个字节），故该共用体变量_tallRichHandsome也占一个字节；

4）结构体的位域限制变量的取值范围（一位：即0或1），mask掩码规定该变量存储的位置（在哪一位上）；

 

3.设置类属性非BOOL类型（setter and getter）——限定变量值范围且指定存储位置

//Engineer

  1. #import <Foundation/Foundation.h>
  3. NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN
  5. //位域位置（变量值存储位置）
  6. #define AgeMask 0b00000111//最低三位存储
  7. #define LevelMask (1<<4)//低位往高位数，第5位存储
  8. #define WorkersMask 0b0001111111100000
  9.  
  10. @interface Engineer : NSObject
  11. {
  12.     @public
  13.     union {
  14.         int bits;
  15.         struct {//位域范围（变量值范围）
  16.             int age : 3;
  17.             int level : 1;
  18.             int workers : 8;
  19.         };
  20.     }_personalInfo;
  21. }
  23. //- (void)setAge:(int)age;
  24. //- (void)setLevel:(int)level;
  25. //- (void)setWorkers:(int)workers;
  26.  
  27. - (int)getAge;
  28. - (int)getLevel;
  29. - (int)getWorkers;
  31. @end
  33. NS_ASSUME_NONNULL_END
  37. #import "Engineer.h"
  38.  
  39. @implementation Engineer
  41. //- (void)setAge:(int)age
  42. //{
  43. //    self->_personalInfo.bits |= AgeMask;
  44. //}
  45. //
  46. //- (void)setLevel:(int)level
  47. //{
  48. //    self->_personalInfo.bits |= LevelMask;
  49. //}
  50. //
  51. //- (void)setWorkers:(int)workers
  52. //{
  53. //    self->_personalInfo.bits |= WorkersMask;
  54. //}
  55.  
  56. - (int)getAge
  57. {
  58.     return self->_personalInfo.bits & AgeMask;
  59. }
  61. - (int)getLevel
  62. {
  63.      return self->_personalInfo.bits & LevelMask;
  64. }
  66. - (int)getWorkers
  67. {
  68.      return self->_personalInfo.bits & WorkersMask;
  69. }
  71. @end

//打印

  1. 2019-10-09 11:08:14.617655+0800 SetAndGetsForMask[2630:349068] 5 0 3296
  2. Program ended with exit code: 0

//说明

1）掩码mask既可以直接用二进制（0b开头）或十六进制（0x开头）表示，也可以左移符号<<表示（一般用于位域为1的情况）；

2）掩码表示所占位数：1表示占住该位，0未占；并且所占位数应当是连续的，不存在两侧为1，中间为0的情况；

 

三、结论

1.arm64之后，isa是一个共用体类型的指针，存储内部套用的结构体中的所有成员变量；

2.根据结构体的位域来限制成员变量的值范围，用掩码来规定成员变量存储的位置，对掩码按位与运算取出特定位置的成员变量的值；

如：用bits对ISA_MASK按位与运算后，得到的是类（元类）对象的地址；

 

可以看到shiftcls成员变量位域为33位，所占bits变量的存储位置为：地位到高位第四位起，最低三位是空出来的

————因此，在arm64架构中，所有的类和元类对象地址二进制表示时最低三位都为0，十六进制表示时最低一位为0或8（这个用class和object_getClass去打印地址，此处不再展示了）！

 

GitHub

原文链接：http://www.cnblogs.com/lybSkill/p/11641510.html

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