目錄
作為一個(gè)開(kāi)發(fā)者沉衣，有一個(gè)學(xué)習(xí)的氛圍跟一個(gè)交流圈子特別重要郁副，這是一個(gè)我的iOS交流群：196800191，加群密碼：112233豌习，不管你是小白還是大牛歡迎入駐 霞势，分享BAT,阿里面試題、面試經(jīng)驗(yàn)斑鸦，討論技術(shù)， 大家一起交流學(xué)習(xí)成長(zhǎng)草雕！
1. 概述
每個(gè)iOS開(kāi)始人員對(duì)OC語(yǔ)言并不陌生巷屿，雖然現(xiàn)在蘋(píng)果提倡swift開(kāi)發(fā)，但是OC還是入門(mén)的必修課墩虹，平時(shí)開(kāi)發(fā)的時(shí)候嘱巾，我們通常就是調(diào)用各種API，很少探究其底層的原理诫钓，蘋(píng)果是如何在底層進(jìn)行封裝的呢旬昭？作為入行幾年的開(kāi)發(fā)者，還是有必要一探究竟菌湃。
OC是面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言问拘，在代碼中最常見(jiàn)的就是創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象了，那么對(duì)象是什么惧所，底層的結(jié)構(gòu)又是什么呢骤坐，是如何創(chuàng)建出來(lái)的呢？帶著這些問(wèn)題下愈，我們來(lái)開(kāi)始分析纽绍。
2. 對(duì)象是什么
對(duì)象在底層到底是個(gè)什么樣子呢？
在項(xiàng)目中創(chuàng)建一個(gè)GYMPerson類(lèi)势似，里面定義個(gè)name屬性和一個(gè)成員變量hobby拌夏，如下：
@interface GYMPerson : NSObject{
NSString *hobby;
}
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@end
然后通過(guò)命令行將main.m文件轉(zhuǎn)成c++文件main.cpp.
clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp
轉(zhuǎn)換完成后打開(kāi)main.cpp文件僧著，此時(shí)找到了：
struct GYMPerson_IMPL {
struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
NSString *hobby;
NSString *_name;
};
這個(gè)就是GYMPerson在底層的形式，一個(gè)結(jié)構(gòu)體障簿，并且繼承了父類(lèi)的所有屬性盹愚。
另外我們注意到hobby沒(méi)有下劃線，而name則有下劃線卷谈，我們都知道成員變量在底層保持不變杯拐，不會(huì)生成一個(gè)帶下劃線的成員變量的，而name是一個(gè)屬性世蔗，在底層是會(huì)生成一個(gè)帶下劃線的成員變量的端逼，而且還會(huì)增加getter和setter方法，如下：
static NSString * _I_GYMPerson_name(GYMPerson * self, SEL _cmd) { return (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_GYMPerson$_name)); }
static void _I_GYMPerson_setName_(GYMPerson * self, SEL _cmd, NSString *name) { objc_setProperty (self, _cmd, __OFFSETOFIVAR__(struct GYMPerson, _name), (id)name, 0, 1); }
所以對(duì)象的本質(zhì)是什么污淋？毫無(wú)疑問(wèn)顶滩，結(jié)構(gòu)體。
3. 對(duì)象創(chuàng)建流程
我們?cè)诖a中調(diào)用alloc方法創(chuàng)建對(duì)象的時(shí)候寸爆，通常會(huì)經(jīng)歷以下幾個(gè)步驟礁鲁，簡(jiǎn)易圖如下：
當(dāng)在代碼中調(diào)用alloc的時(shí)候，例如[GYMPerson alloc]赁豆，那么在底層仅醇，代碼會(huì)先去哪里呢？
毫無(wú)疑問(wèn)魔种，當(dāng)?shù)谝淮蝿?chuàng)建GYMPerson對(duì)象的時(shí)候析二，是會(huì)來(lái)到下面這個(gè)方法的：
// Calls [cls alloc].
id
objc_alloc(Class cls)
{
return callAlloc(cls, true/*checkNil*/, false/*allocWithZone*/);
}
其實(shí)這個(gè)方法沒(méi)什么，那么再來(lái)看看callAlloc這個(gè)方法
static ALWAYS_INLINE id
callAlloc(Class cls, bool checkNil, bool allocWithZone=false)
{
if (slowpath(checkNil && !cls)) return nil;
#if __OBJC2__
if (fastpath(!cls->ISA()->hasCustomAWZ())) {
// No alloc/allocWithZone implementation. Go straight to the allocator.
// fixme store hasCustomAWZ in the non-meta class and
// add it to canAllocFast's summary
if (fastpath(cls->canAllocFast())) {
// No ctors, raw isa, etc. Go straight to the metal.
bool dtor = cls->hasCxxDtor();
id obj = (id)calloc(1, cls->bits.fastInstanceSize());
if (slowpath(!obj)) return callBadAllocHandler(cls);
obj->initInstanceIsa(cls, dtor);
return obj;
}
else {
// Has ctor or raw isa or something. Use the slower path.
id obj = class_createInstance(cls, 0);
if (slowpath(!obj)) return callBadAllocHandler(cls);
return obj;
}
}
#endif
// No shortcuts available.
if (allocWithZone) return [cls allocWithZone:nil];
return [cls alloc];
}
在這個(gè)方法中有個(gè)OBJC2判斷节预，現(xiàn)在底層的代碼全都是objc2的了叶摄，宏定義的值為1.
隨后遇到 fastpath(!cls->ISA()->hasCustomAWZ()) 判斷，因?yàn)檫@個(gè)類(lèi)是第一次創(chuàng)建對(duì)象安拟，類(lèi)還沒(méi)有初始化(懶加載)蛤吓，因此無(wú)法判斷該類(lèi)是否實(shí)現(xiàn)了allocWithZone方法，因而判斷也不成立糠赦，所以直接跳到下面allocWithZone的判斷会傲，但是callAlloc在調(diào)用的時(shí)候，傳入的allocWithZone是false拙泽，因此直接走到return唆铐，調(diào)用 [cls alloc] 。
+ (id)alloc {
return _objc_rootAlloc(self);
}
這一看奔滑，這也沒(méi)什么啊艾岂，別著急，繼續(xù)往下看
id _objc_rootAlloc(Class cls)
{
return callAlloc(cls, false/*checkNil*/, true/*allocWithZone*/);
}
感覺(jué)被欺騙了朋其，怎么又回來(lái)了王浴？請(qǐng)注意脆炎，參數(shù)值不一樣了，此時(shí)的allocWithZone是true了氓辣。
此時(shí)如果沒(méi)有實(shí)現(xiàn)allocWithZone方法秒裕，那么 fastpath(!cls->ISA()->hasCustomAWZ()) 判斷則成立，進(jìn)入內(nèi)部的 fastpath(cls->canAllocFast()) 判斷钞啸，而這個(gè)判斷永遠(yuǎn)是false几蜻，如下：
bool canAllocFast() {
assert(!isFuture());
return bits.canAllocFast();
}
bool canAllocFast() {
return false;
}
因此代碼會(huì)走到 id obj = class_createInstance(cls, 0) 創(chuàng)建對(duì)象。
那么如果用戶實(shí)現(xiàn)了allocWithZone方法体斩，第二次調(diào)用callAlloc傳入的allocWithZone參數(shù)為true梭稚，此時(shí) fastpath(!cls->ISA()->hasCustomAWZ()) 判斷不成立，代碼直接走到 [cls allocWithZone:nil] 方法中絮吵，然后調(diào)用allocWithZone方法弧烤，隨后調(diào)用 _class_createInstanceFromZone 方法。
上面我們提到了一個(gè)創(chuàng)建對(duì)象的方法class_createInstance(cls, 0)蹬敲，那我們看看這個(gè)方法：
id class_createInstance(Class cls, size_t extraBytes)
{
return _class_createInstanceFromZone(cls, extraBytes, nil);
}
真是萬(wàn)變不離其中啊暇昂，最終又回到了我們實(shí)現(xiàn)allocWithZone方法后，底層調(diào)用的統(tǒng)一方法 _class_createInstanceFromZone伴嗡，下面我們來(lái)看一下這個(gè)方法急波。
static __attribute__((always_inline))
id
_class_createInstanceFromZone(Class cls, size_t extraBytes, void *zone,
bool cxxConstruct = true,
size_t *outAllocatedSize = nil)
{
if (!cls) return nil;
assert(cls->isRealized());
// Read class's info bits all at once for performance
bool hasCxxCtor = cls->hasCxxCtor();
bool hasCxxDtor = cls->hasCxxDtor();
bool fast = cls->canAllocNonpointer();
size_t size = cls->instanceSize(extraBytes);
if (outAllocatedSize) *outAllocatedSize = size;
id obj;
if (!zone && fast) {
obj = (id)calloc(1, size);
if (!obj) return nil;
obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor);
}
else {
if (zone) {
obj = (id)malloc_zone_calloc ((malloc_zone_t *)zone, 1, size);
} else {
obj = (id)calloc(1, size);
}
if (!obj) return nil;
// Use raw pointer isa on the assumption that they might be
// doing something weird with the zone or RR.
obj->initIsa(cls);
}
if (cxxConstruct && hasCxxCtor) {
obj = _objc_constructOrFree(obj, cls);
}
return obj;
}
這個(gè)方法中zone為nil, fast經(jīng)判斷后是true，因此代碼會(huì)走到下面的代碼中：
if (!zone && fast) {
obj = (id)calloc(1, size);
if (!obj) return nil;
obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor);
}
這個(gè)if分支中就做了兩件事情瘪校，第一：在內(nèi)存中給這個(gè)對(duì)象開(kāi)辟空間幔崖，相當(dāng)于在小區(qū)里面申請(qǐng)了一套房子；第二：初始化isa渣淤，綁定對(duì)應(yīng)的類(lèi)信息，相當(dāng)于給這套房子弄個(gè)房本吉嫩，里面有具體的信息价认。
至于calloc和isa以后會(huì)講到，還有一個(gè)很重要的方法 cls->instanceSize(extraBytes) 馬上就會(huì)講到自娩，繼續(xù)往下看哦用踩！
以上則是一個(gè)對(duì)象的初始化過(guò)程，現(xiàn)在我們將上面的簡(jiǎn)易圖復(fù)雜化一下：
4. 對(duì)象空間大小及內(nèi)存對(duì)齊
上面我們主要探究了對(duì)象創(chuàng)建的流程忙迁，現(xiàn)在我們說(shuō)一下對(duì)象所需要空間的大小脐彩，以及字節(jié)對(duì)齊問(wèn)題。
還記得剛才說(shuō)過(guò)的方法嗎姊扔？
size_t instanceSize(size_t extraBytes) {
size_t size = alignedInstanceSize() + extraBytes;
// CF requires all objects be at least 16 bytes.
if (size < 16) size = 16;
return size;
}
這個(gè)方法主要計(jì)算對(duì)象所需要的內(nèi)存空間的大小惠奸，在了解如何計(jì)算之前，我們先看一下內(nèi)存對(duì)齊原則：
結(jié)構(gòu)(struct)(或聯(lián)合(union))的數(shù)據(jù)成員恰梢，第?個(gè)數(shù)據(jù)成員放在位置為0的地?佛南，以后每個(gè)數(shù)據(jù)成員存儲(chǔ)的起始位置要從該成員??或者成員的?成員??（只要該成員有?成員梗掰，?如說(shuō)是數(shù)組，結(jié)構(gòu)體等）的整數(shù)倍開(kāi)始(?如int為４字節(jié),則要從４的整數(shù)倍地址開(kāi)始)存儲(chǔ)嗅回。
如果?個(gè)結(jié)構(gòu)?有某些結(jié)構(gòu)體成員,則結(jié)構(gòu)體成員要從其內(nèi)部最?元素??的整數(shù)倍地址開(kāi)始存儲(chǔ).(struct a?存有struct b,b?有char,int ,double等元素,那b應(yīng)該從8的整數(shù)倍開(kāi)始儲(chǔ)）及穗。
結(jié)構(gòu)體的總??，必須是其內(nèi)部最?成員的整數(shù)倍.不?的要補(bǔ)齊绵载。
聽(tīng)起來(lái)是不是有些亂呢埂陆，來(lái)，還是看代碼理解吧娃豹，下面有四個(gè)結(jié)構(gòu)體：
struct Struct1 {
char a;
int b;
double c;
short d;
} Struct1;
struct Struct2 {
double ;
int b;
char c;
short d;
} Struct2;
struct Struct3 {
int a;
double b;
char c;
short d;
struct Struct2 e;
} Struct3;
struct Struct4 {
int a;
double b;
char c;
short d;
struct Struct1 e;
} Struct4;
- (void)instanceSizeFunction {
NSLog(@"Struct1 size = %lu", sizeof(Struct1));
NSLog(@"Struct2 size = %lu", sizeof(Struct2));
NSLog(@"Struct3 size = %lu", sizeof(Struct3));
NSLog(@"Struct4 size = %lu", sizeof(Struct4));
}
我們調(diào)用instanceSizeFunction方法查看一下結(jié)果：
GYMDemo[41131:3568504] Struct1 size = 24
GYMDemo[41131:3568504] Struct2 size = 16
GYMDemo[41131:3568504] Struct3 size = 40
GYMDemo[41131:3568504] Struct4 size = 48
首先我們分析一下原則1焚虱，將其簡(jiǎn)化成一個(gè)公式：min(position, size)，如果是存儲(chǔ)第一個(gè)元素培愁，那么直接放到0的位置著摔，從第二個(gè)元素開(kāi)始，采用這個(gè)公式定续，position是第二個(gè)及以后元素存儲(chǔ)的最小開(kāi)始位置谍咆，size則是元素的大小（比如int為4字節(jié)）私股，公式的原理就是取position是size的最小整數(shù)倍的值作為存儲(chǔ)某一元素的開(kāi)始位置摹察。
我們看Struct1結(jié)構(gòu)體：
struct Struct1 {
char a; // 1 字節(jié)
int b; // 4 字節(jié)
double c;// 8 字節(jié)
short d; // 2 字節(jié)
} Struct1;
將a存入0位置的時(shí)候，只占用了1個(gè)字節(jié)倡鲸，此時(shí)position指向下一個(gè)可存儲(chǔ)的起始位置供嚎，也就是1，而下一個(gè)元素b是4字節(jié)峭状，那么position就往后移動(dòng)克滴，當(dāng)為4的時(shí)候（4為int(4字節(jié))的整數(shù)倍），存入b优床，則b存在4 5 6 7四個(gè)位置劝赔，此時(shí)position為8，下一個(gè)元素c胆敞，8個(gè)字節(jié)着帽，position正好是整數(shù)倍，于是開(kāi)始存c移层，則c存在8 9 10 11 12 13 14 15八個(gè)位置仍翰，此時(shí)position為16，正好是元素d（2字節(jié)的整數(shù)倍）观话，則d存在16 17兩個(gè)位置予借，這么一算結(jié)構(gòu)體Struct1一共占用了18個(gè)字符，但是別忘了原則3，結(jié)構(gòu)體整體大小是其內(nèi)部最大元素大小的整數(shù)倍蕾羊，iOS64位下最大的數(shù)據(jù)類(lèi)型占8字節(jié)喧笔，所以結(jié)構(gòu)體總大小應(yīng)是8的整數(shù)倍，那么比18大的最小整數(shù)倍即為24龟再，所以Struct1的總大小為24字節(jié)书闸。
如下入所示：
Struct2內(nèi)存對(duì)齊如下：
struct Struct2 {
double a; // 8 字節(jié)
int b; // 4 字節(jié)
char c; // 1 字節(jié)
short d; // 2 字節(jié)
} Struct2;
Struct3內(nèi)存對(duì)齊：
struct Struct3 {
int a; // 4 字節(jié)
double b; // 8 字節(jié)
char c; // 1 字節(jié)
short d; // 2 字節(jié)
struct Struct2 e; // 16 字節(jié)
} Struct3;
由結(jié)構(gòu)體定義可知，Struct3中有個(gè)結(jié)構(gòu)體成員e利凑，這涉及到了內(nèi)存對(duì)齊的第二個(gè)原則浆劲。
其內(nèi)存對(duì)齊如下圖：
至于Struct4，感興趣的朋友可以自己算一算哀澈。
上面說(shuō)完了內(nèi)存對(duì)齊的原則以及結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對(duì)齊牌借，下面回過(guò)頭看看創(chuàng)建對(duì)象時(shí)內(nèi)存大小是如何計(jì)算的。在創(chuàng)建對(duì)象的過(guò)程中割按，最后在calloc方法之前膨报，調(diào)用了 instanceSize(size_t extraBytes) 方法計(jì)算了對(duì)象申請(qǐng)的內(nèi)存空間大小，見(jiàn)下面的方法：
/**
方法中則調(diào)用 **alignedInstanceSize()** 方法進(jìn)行計(jì)算适荣，另外請(qǐng)注意下面還有個(gè)if判斷现柠，如果計(jì)算出來(lái)的size<16，那么size就為16.
*/
size_t instanceSize(size_t extraBytes) {
size_t size = alignedInstanceSize() + extraBytes;
// CF requires all objects be at least 16 bytes.
if (size < 16) size = 16;
return size;
}
/**
方法中將未內(nèi)存對(duì)齊的類(lèi)的屬性的總大小傳入 **word_align()** 方法中進(jìn)行對(duì)齊計(jì)算弛矛。
*/
uint32_t alignedInstanceSize() {
return word_align(unalignedInstanceSize());
}
// 返回類(lèi)的ivar中所有屬性的總大小够吩。
uint32_t unalignedInstanceSize() {
assert(isRealized());
return data()->ro->instanceSize;
}
// 計(jì)算內(nèi)存對(duì)齊后對(duì)象需要的空間大小，詳見(jiàn)下面講解：
static inline uint32_t word_align(uint32_t x) {
return (x + WORD_MASK) & ~WORD_MASK;
}
方法解析：
我們知道NSObject對(duì)象有一個(gè)屬性丈氓，那就是isa周循，是一個(gè)指針類(lèi)型，所占空間大小為8字節(jié)万俗，如果創(chuàng)建一個(gè)NSObject湾笛，我們看看這個(gè)方法如何計(jì)算的。
首先看一下宏定義：
#define WORD_MASK 7UL
很顯然在64位下闰歪，WORD_MASK為7.
當(dāng)傳入的x為8的時(shí)候嚎研，那么x + WORD_MASK為15，其二進(jìn)制為：0000 1111
WORD_MASK的二進(jìn)制為：0000 0111课竣， 那么~WORD_MASK的二進(jìn)制為：1111 1000
那么15 & ~7的計(jì)算為：
0000 1111
& 1111 1000
= 0000 1000
0000 1000的十進(jìn)制結(jié)果為8，那么當(dāng)傳入x值為8的時(shí)候置媳，經(jīng)過(guò)計(jì)算后得到的結(jié)果為8字節(jié)于樟。
是不是感覺(jué)有些巧合，都是8拇囊，好迂曲，那么假設(shè)傳入x=9，我們?cè)谟?jì)算一遍寥袭。
當(dāng)傳入的x為9的時(shí)候路捧，那么x + WORD_MASK為16关霸，其二進(jìn)制為：0001 0000
那么16 & ~7的計(jì)算為：
0001 0000
& 1111 1000
= 0001 0000
0001 0000的十進(jìn)制結(jié)果為16，由此可知杰扫，類(lèi)的屬性總空間大小為9队寇，經(jīng)過(guò)對(duì)齊后需要的空間為16.
由上面的分析可以，對(duì)象申請(qǐng)內(nèi)存空間的大小是8字節(jié)對(duì)齊計(jì)算的章姓。
經(jīng)過(guò)上面這一波計(jì)算佳遣，我們得到的內(nèi)存對(duì)齊后的數(shù)值就是對(duì)象創(chuàng)建的時(shí)候，向內(nèi)存申請(qǐng)的空間大小凡伊，那么計(jì)算機(jī)真的是按照這個(gè)數(shù)值開(kāi)辟的空間嗎零渐？請(qǐng)看下面章節(jié)。
5. 系統(tǒng)開(kāi)辟空間大小
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)真的是按照對(duì)象申請(qǐng)的空間大小來(lái)開(kāi)辟空間嗎系忙？
答案：不是诵盼。
系統(tǒng)在calloc方法中，對(duì)于開(kāi)辟多大的空間银还，有自己的算法风宁。在探索calloc底層源碼的時(shí)候，有一個(gè)很重要的方法见剩，如下：
segregated_size_to_fit(nanozone_t *nanozone, size_t size, size_t *pKey)
{
size_t k, slot_bytes;
if (0 == size) {
size = NANO_REGIME_QUANTA_SIZE; // Historical behavior
}
k = (size + NANO_REGIME_QUANTA_SIZE - 1) >> SHIFT_NANO_QUANTUM; // round up and shift for number of quanta
slot_bytes = k << SHIFT_NANO_QUANTUM; // multiply by power of two quanta size
*pKey = k - 1; // Zero-based!
return slot_bytes;
}
還有兩個(gè)關(guān)鍵的宏定義：
#define SHIFT_NANO_QUANTUM 4
#define NANO_REGIME_QUANTA_SIZE (1 << SHIFT_NANO_QUANTUM) // 16
方法解析：
假如方法中傳入的size為24（對(duì)象經(jīng)過(guò)內(nèi)存對(duì)齊后申請(qǐng)空間的大猩迸础），我們看一下這行：
k = (size + NANO_REGIME_QUANTA_SIZE - 1) >> SHIFT_NANO_QUANTUM;
將宏替換掉后：
k = (24 + 16 - 1) >> 4;
即：k = 39 >> 4, 二進(jìn)制表示為：0010 0111 >> 4 = 0000 0010 = 2
再k計(jì)算完后苍苞，又進(jìn)行了：
slot_bytes = k << SHIFT_NANO_QUANTUM;
即 slot_bytes = k << 4固翰，二進(jìn)制表示為：0000 0010 << 4 = 0010 0000 = 32
最終得到的slot_bytes為32，也就是系統(tǒng)為這個(gè)對(duì)象開(kāi)辟的實(shí)際空間的大小羹呵。
由上可知骂际，在callloc底層，系統(tǒng)將傳入的size右移4位冈欢，再左移4位歉铝，也就是16字節(jié)對(duì)齊。
下面舉個(gè)例子：
定義一個(gè)GYMDeveloper類(lèi)凑耻，繼承GYMPerson太示，GYMPerson
@interface GYMPerson : NSObject
@end
@interface GYMDeveloper : GYMPerson
// isa // 8字節(jié)
@property (nonatomic, copy) NSString *name; // 8字節(jié)
@property (nonatomic, assign) int age; //4字節(jié)
@property (nonatomic, assign) long height; // 8字節(jié)
@property (nonatomic, copy) NSString *selfIntroduce; // 8字節(jié)
@end
對(duì)于GYMDeveloper，如果要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)GYMDeveloper的實(shí)例對(duì)象香浩，很容易就會(huì)算出該對(duì)象所需要的空間大小类缤，即40字節(jié)，不要忘了老祖宗NSObject還有isa指針邻吭，占8字節(jié)呢餐弱。
我們通過(guò)下面的方法測(cè)試一下：
- (void)instanceSizeFunction {
GYMDeveloper *developer = [GYMDeveloper alloc];
NSLog(@"對(duì)象申請(qǐng)的空間是：%lu字節(jié), 系統(tǒng)開(kāi)辟的空間是：%lu字節(jié)", class_getInstanceSize([developer class]), malloc_size((__bridge const void *)(developer)));
}
輸出結(jié)果為：
GYMDemo[51386:4021321] 對(duì)象申請(qǐng)的空間是：40字節(jié), 系統(tǒng)開(kāi)辟的空間是：48字節(jié)
綜上所述：對(duì)象申請(qǐng)空間的大小是8字節(jié)對(duì)齊計(jì)算的，而系統(tǒng)為對(duì)象開(kāi)辟空間是16字節(jié)對(duì)齊計(jì)算的。
寫(xiě)在最后：寫(xiě)文章不容易膏蚓，如果您覺(jué)得好就給個(gè)贊瓢谢，如果文章有問(wèn)題還請(qǐng)指正，轉(zhuǎn)載的話驮瞧，請(qǐng)標(biāo)注原文地址哦氓扛！
原文作者：Daniel_Coder
原文地址：https://blog.csdn.net/guoyongming925/article/details/108859202
