位域-isa指针
一、isa指针结构
union isa_t { isa_t() { } isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { } Class cls; uintptr_t bits; #if SUPPORT_PACKED_ISA // extra_rc must be the MSB-most field (so it matches carry/overflow flags) // nonpointer must be the LSB (fixme or get rid of it) // shiftcls must occupy the same bits that a real class pointer would // bits + RC_ONE is equivalent to extra_rc + 1 // RC_HALF is the high bit of extra_rc (i.e. half of its range) // future expansion: // uintptr_t fast_rr : 1; // no r/r overrides // uintptr_t lock : 2; // lock for atomic property, @synch // uintptr_t extraBytes : 1; // allocated with extra bytes # if __arm64__ # define ISA_MASK 0x0000000ffffffff8ULL # define ISA_MAGIC_MASK 0x000003f000000001ULL # define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL struct { uintptr_t nonpointer : 1; uintptr_t has_assoc : 1; uintptr_t has_cxx_dtor : 1; uintptr_t shiftcls : 33; // MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x1000000000 uintptr_t magic : 6; uintptr_t weakly_referenced : 1; uintptr_t deallocating : 1; uintptr_t has_sidetable_rc : 1; uintptr_t extra_rc : 19; # define RC_ONE (1ULL<<45) # define RC_HALF (1ULL<<18) }; # elif __x86_64__ # define ISA_MASK 0x00007ffffffffff8ULL # define ISA_MAGIC_MASK 0x001f800000000001ULL # define ISA_MAGIC_VALUE 0x001d800000000001ULL struct { uintptr_t nonpointer : 1; uintptr_t has_assoc : 1; uintptr_t has_cxx_dtor : 1; uintptr_t shiftcls : 44; // MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x7fffffe00000 uintptr_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) }; # else # error unknown architecture for packed isa # endif // SUPPORT_PACKED_ISA #endif #if SUPPORT_INDEXED_ISA # if __ARM_ARCH_7K__ >= 2 # define ISA_INDEX_IS_NPI 1 # define ISA_INDEX_MASK 0x0001FFFC # define ISA_INDEX_SHIFT 2 # define ISA_INDEX_BITS 15 # define ISA_INDEX_COUNT (1 << ISA_INDEX_BITS) # define ISA_INDEX_MAGIC_MASK 0x001E0001 # define ISA_INDEX_MAGIC_VALUE 0x001C0001 struct { uintptr_t nonpointer : 1; uintptr_t has_assoc : 1; uintptr_t indexcls : 15; uintptr_t magic : 4; uintptr_t has_cxx_dtor : 1; uintptr_t weakly_referenced : 1; uintptr_t deallocating : 1; uintptr_t has_sidetable_rc : 1; uintptr_t extra_rc : 7; # define RC_ONE (1ULL<<25) # define RC_HALF (1ULL<<6) }; # else # error unknown architecture for indexed isa # endif // SUPPORT_INDEXED_ISA #endif };
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
struct bs { 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 unsigned b : 4; unsigned c : 3; }bit, *pbit; void test1() { bit.a = 512;//超过位域范围报警告 bit.b = 10; bit.c = 7; NSLog(@"%d,%d,%d\n", bit.a, bit.b, bit.c); pbit=&bit; pbit-> a=0; pbit-> b&=3; pbit-> c|=1; printf("%d,%d,%d\n ",pbit-> a,pbit-> b,pbit-> c); }
//输出
2019-10-08 18:22:37.051464+0800 SetAndGetsForMask[1966:248996] 0,10,7 0,2,7 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
#import "Person.h" //mask即掩码，表示二进制数（0b开头） #define TallMask (1<<0) //表示1左移0位：0b 0000 0001 #define RichMask (1<<1) //表示1左移1位：0b 0000 0010 #define HandsomeMask (1<<2) //表示1左移2位：0b 0000 0100 //拓展：10<<3即在10对应的二进制数后添加3个0 @interface Person() { char _saveBox; } @end @implementation Person - (instancetype)init { if (self = [super init]) { //用一个字节来存储三个变量：从最右往左依次为Tall、Rich、Handsome _saveBox = 0b00000101; } return self; } /*思路 0000 0101（_saveBox） |0000 0001（掩码） --------- 0000 0001（赋值tall为1） 0000 0101 &1111 1110（掩码取反） --------- 0000 0100（赋值tall为0） 1.如果赋的值为1，则按位或； 2.如果赋的值为0，则掩码先取反，后按位与； */ - (void)setTall:(BOOL)tall { if (tall) { _saveBox |= TallMask; } else { _saveBox &= ~TallMask; } } - (void)setRich:(BOOL)rich { if (rich) { _saveBox |= RichMask; } else { _saveBox &= ~RichMask; } } - (void)setHandsome:(BOOL)handsome { if (handsome) { _saveBox |= HandsomeMask; } else { _saveBox &= ~HandsomeMask; } } /*思路 0000 0101 &0000 0001 --------- 0000 0001（取出tall值） 1.按位与，用掩码取出_saveBox中特定位； 2.结果>=1，取反为0，再取反为1；同理，为0则双取反后为0； */ - (BOOL)isTall { return !!(_saveBox & TallMask); } - (BOOL)isRich { return !!(_saveBox & RichMask); } - (BOOL)isHandsome { return !!(_saveBox & HandsomeMask); } @end
//Student
#import "Student.h" @interface Student() { /*思路 1.用一个结构体来存放变量； 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； */ struct { char tall : 1;//用一位来存储 char rich : 1; char handsome : 1; }_tallRichHandsome; } @end @implementation Student - (void)setTall:(BOOL)tall { _tallRichHandsome.tall = tall; } - (void)setRich:(BOOL)rich { _tallRichHandsome.rich = rich; } - (void)setHandsome:(BOOL)handsome { _tallRichHandsome.handsome = handsome; } - (BOOL)isTall { return !!_tallRichHandsome.tall;//非0（包括负数）取反为0 } - (BOOL)isRich { return !!_tallRichHandsome.rich; } - (BOOL)isHandsome { return !!_tallRichHandsome.handsome; } @end
//Worker
#import "Worker.h" #define TallMask (1<<0)//也可以左移6位，剩余位没用到 #define RichMask (1<<1) #define HandsomeMask (1<<2) #define ThinMask (1<<3) @interface Worker() { //苹果系统设计思路 union { char bits;//一个字节存储结构体中的所有成员变量 struct {//摆设用：位域，增加可读性 char tall : 1;//占一位 char rich : 1; char handsome : 1; char thin : 1; }; }_tallRichHandsome; } @end @implementation Worker - (void)setTall:(BOOL)tall { if (tall) { NSLog(@"----%c", _tallRichHandsome.bits); _tallRichHandsome.bits |= TallMask; } else { _tallRichHandsome.bits &= ~TallMask; } } - (void)setRich:(BOOL)rich { if (rich) { _tallRichHandsome.bits |= RichMask; } else { _tallRichHandsome.bits &= ~RichMask; } } - (void)setHandsome:(BOOL)handsome { if (handsome) { _tallRichHandsome.bits |= HandsomeMask; } else { _tallRichHandsome.bits &= ~HandsomeMask; } } - (void)setThin:(BOOL)thin { if (thin) { _tallRichHandsome.bits |= ThinMask; } else { _tallRichHandsome.bits &= ~ThinMask; } } - (BOOL)isTall { return !!(_tallRichHandsome.bits & TallMask); } - (BOOL)isRich { return !!(_tallRichHandsome.bits & RichMask); } - (BOOL)isHandsome { return !!(_tallRichHandsome.bits & HandsomeMask); } - (BOOL)isThin { return !!(_tallRichHandsome.bits & ThinMask); } @end
//main
#import <Foundation/Foundation.h> #import "Person.h" #import "Student.h" #import "Worker.h" #import "Engineer.h" struct bs { 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 unsigned b : 4; unsigned c : 3; }bit, *pbit; void test1() { bit.a = 512;//超过位域范围报警告 bit.b = 10; bit.c = 7; NSLog(@"%d,%d,%d\n", bit.a, bit.b, bit.c); pbit=&bit; pbit-> a=0; pbit-> b&=3; pbit-> c|=1; printf("%d,%d,%d\n ",pbit-> a,pbit-> b,pbit-> c); } void test2() { Person *per = [[Person alloc] init]; per.tall = NO; per.rich = NO; per.handsome = YES; NSLog(@"%d %d %d", per.isTall, per.isRich, per.isHandsome); } void test3() { Student *stu = [[Student alloc] init]; stu.tall = YES; stu.rich = NO; stu.handsome = YES; NSLog(@"%d %d %d", stu.isTall, stu.isRich, stu.isHandsome); } void test4() { Worker *worker = [[Worker alloc] init]; // worker.tall = YES; worker.rich = NO; worker.handsome = NO; worker.thin = YES; NSLog(@"%d %d %d", worker.isThin, worker.isRich, worker.isHandsome); } void test5() { Engineer *engineer = [[Engineer alloc] init]; // engineer.age = 12; // engineer.level = 6; // engineer.workers = 5; //0b 1111 1111 1111 1111（十进制：65535） //0b 0010 1100 1110 1101（十进制：11501） engineer->_personalInfo.bits =11501; NSLog(@"%d %d %d", engineer.getAge, engineer.getLevel, engineer.getWorkers); //2019-10-08 16:42:09.612140+0800 SetAndGetsForMask[1488:127227] 7 16 8160 // } int main(int argc, const char * argv[]) { @autoreleasepool { test1(); // test2(); // test3(); // test4(); // test5(); } return 0; }
//打印
2019-10-09 10:42:04.998750+0800 SetAndGetsForMask[2513:316066] 0 0 1 2019-10-09 10:42:04.999093+0800 SetAndGetsForMask[2513:316066] 1 0 1 2019-10-09 10:42:04.999122+0800 SetAndGetsForMask[2513:316066] 1 0 0 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
#import <Foundation/Foundation.h> NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN //位域位置（变量值存储位置） #define AgeMask 0b00000111//最低三位存储 #define LevelMask (1<<4)//低位往高位数，第5位存储 #define WorkersMask 0b0001111111100000 @interface Engineer : NSObject { @public union { int bits; struct {//位域范围（变量值范围） int age : 3; int level : 1; int workers : 8; }; }_personalInfo; } //- (void)setAge:(int)age; //- (void)setLevel:(int)level; //- (void)setWorkers:(int)workers; - (int)getAge; - (int)getLevel; - (int)getWorkers; @end NS_ASSUME_NONNULL_END #import "Engineer.h" @implementation Engineer //- (void)setAge:(int)age //{ // self->_personalInfo.bits |= AgeMask; //} // //- (void)setLevel:(int)level //{ // self->_personalInfo.bits |= LevelMask; //} // //- (void)setWorkers:(int)workers //{ // self->_personalInfo.bits |= WorkersMask; //} - (int)getAge { return self->_personalInfo.bits & AgeMask; } - (int)getLevel { return self->_personalInfo.bits & LevelMask; } - (int)getWorkers { return self->_personalInfo.bits & WorkersMask; } @end
//打印
2019-10-09 11:08:14.617655+0800 SetAndGetsForMask[2630:349068] 5 0 3296 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、按位或（叠加）
typedef NS_OPTIONS(NSUInteger, UIViewAutoresizing) { UIViewAutoresizingNone = 0, UIViewAutoresizingFlexibleLeftMargin = 1 << 0, UIViewAutoresizingFlexibleWidth = 1 << 1, UIViewAutoresizingFlexibleRightMargin = 1 << 2, UIViewAutoresizingFlexibleTopMargin = 1 << 3, UIViewAutoresizingFlexibleHeight = 1 << 4, UIViewAutoresizingFlexibleBottomMargin = 1 << 5 }; self.view.autoresizingMask = UIViewAutoresizingFlexibleWidth | UIViewAutoresizingFlexibleRightMargin;
1.分析：在iOS中，对view的自动布局经常会用到上述代码，苹果的做法是定义个枚举且每种类型都只占不同的一个二进制位，按位或相当于设定的场景都要考虑到；
2.如下代码：
typedef enum{ YBOptionTypeNone = 0, //0b0000 YBOptionTypeOne = 1<<0, //0b0001 YBOptionTypeTwo = 1<<1, //0b0010 YBOptionTypeThree = 1<<2, //0b0100 YBOptionTypeFour = 1<<3 //0b1000 }YBOptionType; void test6(YBOptionType option) { /*按位或叠加（包含多种情况），按位与取出（获得特定情况） 0b0001 0b0100 | 0b1000 ---------- 0b1101 & 0b0100 ---------- 0b0100 */ if (option & YBOptionTypeOne) { NSLog(@"contain YBOptionTypeOne"); } if (option & YBOptionTypeTwo) { NSLog(@"contain YBOptionTypeTwo"); } if (option & YBOptionTypeThree) { NSLog(@"contain YBOptionTypeThree"); } if (option & YBOptionTypeFour) { NSLog(@"contain YBOptionTypeFour"); } } int main(int argc, const char * argv[]) { @autoreleasepool { // test1(); // test2(); // test3(); // test4(); // test5(); test6(YBOptionTypeOne | YBOptionTypeThree | YBOptionTypeFour); } return 0; }
//打印
2019-10-22 21:55:17.154998+0800 SetAndGetsForMask[996:46994] contain YBOptionTypeOne 2019-10-22 21:55:17.155318+0800 SetAndGetsForMask[996:46994] contain YBOptionTypeThree 2019-10-22 21:55:17.155332+0800 SetAndGetsForMask[996:46994] contain YBOptionTypeFour Program ended with exit code: 0
四、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）！
3.按位与作用为在集合中取出某个特定值，按位或则将若干个特定值集合到一个值中（即所有设定场景都要考虑到）；
拓展：
//代码
//计算器演示
//分析
1.模拟器为x86_64架构，64位指针占八个字节；在结构体中，自上而下的变量在isa中的存储位置为从低位到高位即计算器中下到上、左到右——这点应该没问题；
2.per实例对象曾经被弱指针指向过（现在释放了），且曾经关联过对象（现在置空），而对应的位为1即表示确实曾经被弱指针指向过（如果没有则会为0），曾经关联过对象；所以
has_assoc和weakly_referenced分别表示对象曾经被弱指针指向过和曾经关联过对象——其他变量分析以此类推；
