在探讨这个问题前，我们首先要弄清楚对象的本质什么
编译器clang
clang是一个由Apple主导编写，基于LLVM的C/C++/OC的编译器
操作指令

//1、将 main.m 编译成 main.cpp
clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp

//2、将 ViewController.m 编译成  ViewController.cpp
clang -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-13.0.0 -isysroot / /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator13.7.sdk ViewController.m

//以下两种方式是通过指定架构模式的命令行，使用Xcode工具 xcrun
//3、模拟器文件编译
- xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp 

//4、真机文件编译
- xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp 

探索对象本质是什么

1. 在main中自定义一个HLPerson类，有一个属性name

@interface HLPerson : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@end

@implementation HLPerson
@end

2. 打开终端，cd到main.m的文件夹，输入clang指令：clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp将main.m编译成 main.cpp
3. 打开编译好的main.cpp，搜索HLPerson，找到HLPerson的定义
   image.png
   我们发现HLPerson在底层被编译成struct结构体，属性name还生成了相应的get方法_I_HLPerson_name以及set方法_I_HLPerson_setName_
   在结构体中，我们看到第一个属性为struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS，其实它是继承于NSObject，这种方式属于伪继承，伪继承是直接将结构体定义为HLPerson中的第一个属性，意味着HLPerson拥有该结构体中的所有成员变量。
   然后我们搜索NSObject_IMPL

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};

发现NSObject_IMPL中的第一个属性其实就是isa

总结

• OC对象的本质就是结构体
• 每个对象都有一个isa，继承于NSObject

objc_setProperty 源码探索

在上面我们看到除了HLPerson的底层定义外，还有其属性对应的get和set方法，其中set方法其实是依赖于runtime中objc_setProperty所实现的
接下来我们来看看objc_setProperty的底层原理

• 在objc4-781中全局搜索objc_setProperty，找到objc_setProperty的源码实现
  image.png
• 跳转至reallySetProperty，其方法的原理就是新值retain，旧值release
  image.png

总结

所有外层属性的set方法。都会来到objc_setProperty方法，调用了reallySetProperty实现set功能。

image.png

构造数据类型

构造数据类型的方式有以下两种：

• 结构体（struct）
• 联合体（union，也称为共用体）
  结构体 struct
结构体是指把不同的数据组合成一个整体，其变量是共存的，变量不管是否使用，都会分配内存。
• 缺点：所有属性都分配内存，比较浪费内存，假设有4个int成员，一共分配了16字节的内存，但是在使用时，你只使用了4字节，剩余的12字节依旧会分配，这就属于内存的浪费
• 优点：存储容量较大，包容性强，且成员之间不会相互影响（占用不同内存）
  联合体 union
  联合体也是由不同的数据类型组成，但其变量是互斥的，所有的成员共占一段内存。而且共用体采用了内存覆盖技术，同一时刻只能保存一个成员的值，如果对新的成员赋值，就会将原来成员的值覆盖掉
• 缺点：每个变量是互斥的，且包容性差
• 优点：所有成员共用一段内存，使内存的使用更为精细灵活，同时也节省了内存空间

两者的区别

• 内存占用情况
  • 结构体的各个成员会占用不同的内存，互相之间没有影响
  • 联合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
• 内存分配大小
  • 结构体内存 >= 所有成员占用的内存总和（成员之间可能会有缝隙）
  • 共用体占用的内存等于 最大的成员占用的内存

isa的类型 isa_t

查看objc4-781源码，看到以下isa指针的类型isa_t的定义，从定义中可以看出是通过联合体（union）定义的。

image.png

• 提供了两个成员，cls和bits，由联合体的定义所知，这两个成员是互斥的
• 提供了一个结构体定义的位域，用于存储类信息及其他信息，结构体的成员ISA_BITFIELD，这是一个宏定义，有两个版本__arm64__（对应iOS移动端）和__x86_64__（对应macOS），以下是它们的一些宏定义，如下图所示
  image.png
• nonpointer：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 中包含了类信息、对象的引⽤计数等
• has_assoc：关联对象标志位。0：没有；1：存在
• has_cxx_dtor：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：存储类指针的值。开启指针优化的情况下，在arm64架构中有33位⽤来存储类指针；在x86_64架构中有44位⽤来存储类指针
• magic：⽤于调试器判断当前对象是真的对象还是没有初始化的空间
• weakly_referenced：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。
• deallocating：标志对象是否正在释放内存
• has_sidetable_rc：当对象引⽤技术⼤于 10 时，则需要借⽤该变量存储进位
• extra_rc：当表示该对象的引⽤计数值，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，则需要使⽤到下⾯的has_sidetable_rc

两种不同的平台isa储存情况如图所示

image.png

原理探索

• 通过alloc-->_objc_rootAlloc-->callAlloc-->_objc_rootAllocWithZone-->_class_createInstanceFromZone方法路径，查找到initInstanceIsa

inline void 
objc_object::initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor)
{
    ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());
    ASSERT(hasCxxDtor == cls->hasCxxDtor());

    initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
}

• 跳转至initIsa的源码，即isa指针的初始化
  image.png

验证isa指针位域

• 首先通过main中的HLPerson断点 --> initInstanceIsa --> initIsa (由于项目是macOS环境下，所以使用的是x86_64），查看如果当前cls为HLPerson，往下运行代码至准备赋值bits
  
  image.png
• 执行lldb命令：p newisa，打印newisa的详细信息
  image.png
• 继续往下执行，走完newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;这一行，表示为isa的bits成员赋值完成，重新执行lldb命令p newisa，打应结果如下
  image.png
  
  通过赋值前后对比，我们发现newisa的值产生了变化。nonpointer变为了1，magic变为了59，59转换为2进制为111011。根据规则，ISA_MAGIC_VALUE的第0位应为1，52-47位应为111011，其它位应为0。查看ISA_MAGIC_VALUE定义，该值等于0x001d800000000001ULL，将其转换为2进制，如图
  image.png
  完美印证~

isa 与 类 的关联

cls与isa关联原理就是isa指针中的shiftcls位域中存储了类信息，其中initInstanceIsa的过程是将calloc指针和当前的类cls关联起来，可以通过以下几种方式来验证：

• 【方式一】通过initIsa方法中的newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;验证
• 【方式二】通过isa指针地址和ISA_MSAK的值进行&运算来验证
• 【方式三】通过runtime的方法object_getClass验证
• 【方式四】通过位运算验证

方式一：initIsa

• 运行至newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;，其中shiftcls用于存储当前类的值信息
• 执行lldb命令p (uintptr_t)cls，结果为(uintptr_t) $10 = 4295000648，再将结果右移三位，有以下两种方式（任选其一），将得到536875081存储到newisa的shiftcls中
  • p 4295000648 >> 3
  • 通过上一步的结果$10，执行lldb命令p $10 >> 3
    
    image.png
• 继续执行代码，将newisa.shiftcls赋值完成，让后打印newisa
  image.png
• 查看结果得知，cls由默认值变成了HLPerson，shiftcls也由0变成了536875081，此时isa与cls关联已经完成

方式二：isa & ISA_MSAK

• initInstanceIsa进行完毕，继续执行，回到_class_createInstanceFromZone方法，此时cls与isa已经关联完成，执行po obj
  image.png
• 执行x/4gx obj，得到isa指针的地址0x001d80010000824d
• 将isa指针地址 & ISA_MASK（处于macOS环境，使用x86_64中的宏定义），即po 0x001d80010000824d & 0x00007ffffffffff8ULL，得出HLPerson
  image.png

方式三：object_getClass

• main中导入#import <objc/runtime.h>
• 通过runtime的api，即object_getClass函数获取类信息

object_getClass(<#id  _Nullable obj#>)

• 查看object_getClass函数源码的实现
  image.png
• 跳转至object_getClass源码
  image.png
• 跳转至getIsa源码
  image.png
• 可以看到，如果不是一个纯isa指针返回的是ISA()的返回值，跳转至ISA源码
  image.png
• 在else流程中，拿到isa的bits，再& ISA_MASK，这与方式二中的原理是一致的
• 至此，也可证明isa与cls关联完成

方式四：位运算

• 回到_class_createInstanceFromZone方法。执行x/4gx obj，得到isa指针的地址0x001d80010000824d，isa中的shiftcls此时占44位（因为处于macOS环境）。想要获取shiftcls，将isa的前3位和后17位抹零即可
• 将isa地址右移3位：p/x 0x001d80010000824d >> 3 ，得到0x0003b00020001049
• 将0x0003b00020001049左移20位，再右移17位，得到0x0000000100008248，这就是isa中的shiftcls，即cls
• 打印p/x cls，其结果为0x0000000100008248，得证~
  运算过程如图
  image.png