Runtime 深度剖析：类结构、ISA 与 Cache

iOS 面试

1. 类对象模型 (Class Structure)

在 Objective-C 中，类本身也是对象。

1.1 ISA 走位图

graph BT Instance --isa--> Class Class --isa--> MetaClass MetaClass --isa--> RootMetaClass RootMetaClass --isa--> RootMetaClass Class --superclass--> SuperClass MetaClass --superclass--> RootMetaClass

  • Instance (实例)：isa 指向 Class。

  • Class (类对象)：isa 指向 MetaClass（元类），存储实例方法。

  • MetaClass (元类)：isa 指向 RootMetaClass，存储类方法。

1.2 objc_class 结构体

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;           // 继承自 objc_object，占 8 字节
    Class superclass;       // 父类指针，占 8 字节
    cache_t cache;          // 方法缓存
    class_data_bits_t bits; // 具体类信息（方法、属性、协议）
};

2. ISA_T 位域 (Non-pointer isa)

在 64 位架构下，指针占 64 bit，但存储一个内存地址不需要这么多位。Apple 利用剩余空间存储了大量信息：

union isa_t {
    uintptr_t bits;
    struct {
        uintptr_t nonpointer        : 1;  // 0:纯指针, 1:包含位域信息
        uintptr_t has_assoc         : 1;  // 是否有关联对象
        uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;  // 是否有 C++ 析构函数
        uintptr_t shiftcls          : 33; // 真正的类地址 (需 mask)
        uintptr_t magic             : 6;  // 调试用魔数
        uintptr_t weakly_referenced : 1;  // 是否被 weak 指向
        uintptr_t deallocating      : 1;  // 是否正在释放
        uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;  // 引用计数是否溢出到 SideTable
        uintptr_t extra_rc          : 19; // 引用计数 (实际值 - 1)
    };
};

3. 方法缓存 (cache_t)

cache_t 是提升消息发送性能的关键。

3.1 结构设计

  • Buckets：哈希桶数组，存储 bucket_t (key, imp)。

  • Mask：数组容量 - 1，用于计算哈希下标。

  • Occupied：当前已缓存的方法数量。

3.2 扩容规则 (Expansion)

  • 触发条件：当 occupied + 1 > capacity * 3/4 时触发扩容。

  • 扩容倍数：容量翻倍（例如从 4 -> 8 -> 16）。

  • 数据清除：重要！ 扩容时会清空旧的缓存数据。

    • 原因：扩容后 mask 发生变化，所有 key 的哈希值都需要重新计算。与其遍历旧数组重新哈希，不如直接清空效率高（根据局部性原理，旧方法未必马上再次调用）。

3.3 哈希冲突处理

Runtime 使用 开放寻址法 (Open Addressing)：

  • 计算 index = key & mask。

  • 如果 buckets[index] 被占用且 key 不匹配，则 index = index - 1（向前/向后探测）。

  • 如果减到 0，则回绕到数组末尾继续查找。