在開發(fā)過程中，有時會有一個疑問：alloc&init究竟做了什么？

alloc 是分配內(nèi)存，init 具體干了點啥還真不是很清楚渠退，下面通過看 objc 源碼的方式，去看下 alloc&init 的底層實現(xiàn)脐彩。

來看下面這一段代碼：

NSObject *object = [NSObject alloc];

上面這段代碼其實就是開辟了一塊內(nèi)存空間碎乃，將這塊內(nèi)存空間的地址返回給了 object，我們可以在objc源碼中具體看下alloc 的實現(xiàn)惠奸，objc 源碼請自行查找梅誓。

alloc流程圖如下：

未命名文件.png

在 NSObject.mm文件中，我們看到了 alloc 的實現(xiàn)：

1. + (id)alloc

+ (id)alloc {
    return _objc_rootAlloc(self);
}

2. id_objc_rootAlloc(Class cls)

id
_objc_rootAlloc(Class cls)
{
    return callAlloc(cls, false/*checkNil*/, true/*allocWithZone*/);
}

3.static ALWAYS_INLINE id callAlloc(Class cls, bool checkNil, bool allocWithZone=false)

static ALWAYS_INLINE id
callAlloc(Class cls, bool checkNil, bool allocWithZone=false)
{
// 有可用的編譯器優(yōu)化
#if __OBJC2__ 

// checkNil 為 false, !cls 也為 false佛南，所以 slowpath  為 false
    if (slowpath(checkNil && !cls)) return nil;
// 判斷一個類是否有自定義的 +allocWithZone 實現(xiàn)梗掰，沒有則走到if里面的實現(xiàn)
    if (fastpath(!cls->ISA()->hasCustomAWZ())) {
        return _objc_rootAllocWithZone(cls, nil);
    }
#endif

    // No shortcuts available.
// 沒有可用的編譯器優(yōu)化
    if (allocWithZone) {
        return ((id(*)(id, SEL, struct _NSZone *))objc_msgSend)(cls, @selector(allocWithZone:), nil);
    }
    return ((id(*)(id, SEL))objc_msgSend)(cls, @selector(alloc));
}

這里繼續(xù)跟斷點，發(fā)現(xiàn)走到了_objc_rootAllocWithZone方法里面嗅回。

slowpath & fastpath

這兩個都是 objc 源碼中定義的宏：

// x很可能為真     可以理解為真值判斷
#define fastpath(x) (__builtin_expect(bool(x), 1))
// x很可能為假      可以理解為假值判斷
#define slowpath(x) (__builtin_expect(bool(x), 0))

__builtin_expect 指令是由 gcc 引入的
目的：編譯器可以對代碼進行優(yōu)化及穗，減少指令跳轉(zhuǎn)帶來的性能下降，即性能優(yōu)化
作用：允許程序員將最有可能執(zhí)行的分支告訴編譯器
寫法：__builtin_expect(EXP, N)绵载。表示 EXP==N的概率很大埂陆。

fastpath 定義中 __builtin_expect((x),1) 表示 x 的值為真的可能性很大，即執(zhí)行 if 里面語句的機會更大

slowpath 定義中 __builtin_expect((x),0) 表示 x 的值為假的可能性很大娃豹，即執(zhí)行 else 里面語句的機會更大

4. id _objc_rootAllocWithZone(Class cls, malloc_zone_t *zone __unused)

NEVER_INLINE
id
_objc_rootAllocWithZone(Class cls, malloc_zone_t *zone __unused)
{
    // allocWithZone under __OBJC2__ ignores the zone parameter
    return _class_createInstanceFromZone(cls, 0, nil,
                                         OBJECT_CONSTRUCT_CALL_BADALLOC);
}

這里發(fā)現(xiàn) zone參數(shù)沒用了猜惋，內(nèi)部接著調(diào)用_class_createInstanceFromZone方法了。

5.static ALWAYS_INLINE id _class_createInstanceFromZone

static ALWAYS_INLINE id
_class_createInstanceFromZone(Class cls, size_t extraBytes, void *zone,
                              int construct_flags = OBJECT_CONSTRUCT_NONE,
                              bool cxxConstruct = true,
                              size_t *outAllocatedSize = nil)
{
    ASSERT(cls->isRealized());

    // Read class's info bits all at once for performance
    bool hasCxxCtor = cxxConstruct && cls->hasCxxCtor();
    bool hasCxxDtor = cls->hasCxxDtor();
    bool fast = cls->canAllocNonpointer();
    size_t size;
    // 1.申請的內(nèi)存大小
    size = cls->instanceSize(extraBytes);
    if (outAllocatedSize) *outAllocatedSize = size;

    id obj;
    if (zone) {
        obj = (id)malloc_zone_calloc((malloc_zone_t *)zone, 1, size);
    } else {
      // 2. 開辟內(nèi)存
        obj = (id)calloc(1, size);
    }
    if (slowpath(!obj)) {
        if (construct_flags & OBJECT_CONSTRUCT_CALL_BADALLOC) {
            return _objc_callBadAllocHandler(cls);
        }
        return nil;
    }
   // 3. 將 cls 類與 obj 指針關(guān)聯(lián)
    if (!zone && fast) {
        obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor);
    } else {
        // Use raw pointer isa on the assumption that they might be
        // doing something weird with the zone or RR.
        obj->initIsa(cls);
    }

// 4. 返回開辟的內(nèi)存的地址培愁，也就是指向該內(nèi)存的指針
    if (fastpath(!hasCxxCtor)) {
        return obj;
    }

    construct_flags |= OBJECT_CONSTRUCT_FREE_ONFAILURE;
    return object_cxxConstructFromClass(obj, cls, construct_flags);
}

上面方法中具體干了 4 件事：

• 計算開辟空間大小
• 開辟內(nèi)存空間
• 將 cls 類與 obj 指針關(guān)聯(lián)
• 返回內(nèi)存地址的指針

該方法具體流程如下：

image.png

5.1 計算開辟空間大小

執(zhí)行流程如下圖所示：

image.png

5.1.1 instanceSize

跳轉(zhuǎn)至instanceSize的源碼實現(xiàn)：

 size_t instanceSize(size_t extraBytes) const {
        // 編譯器快速計算內(nèi)存大小
        if (fastpath(cache.hasFastInstanceSize(extraBytes))) {
            return cache.fastInstanceSize(extraBytes);
        }
        // 計算類中所有屬性的大小 + 額外字節(jié)數(shù) 0
        size_t size = alignedInstanceSize() + extraBytes;
        // 最小為 16
        if (size < 16) size = 16;
        return size;
    }

我們可以看到：if (size < 16) size = 16;，說明開辟的內(nèi)存空間最小是 16缓窜，下面定续，我們繼續(xù)看alignedInstanceSize ()

uint32_t alignedInstanceSize() const {
        return word_align(unalignedInstanceSize());
}

alignedInstanceSize這個方法是返回字節(jié)對齊后的內(nèi)存地址大小谍咆，具體包含下面兩個方法：

unalignedInstanceSize()是這個對象的一些成員變量占用的大小，也是未進行字節(jié)對齊之前的內(nèi)存大小私股，存放在data()->ro()->instanceSize摹察，在 dyld 加載 mach-o文件時，會加載整個類的結(jié)構(gòu)倡鲸，也就是在那時進行賦值的供嚎，這里直接取就行了：

uint32_t unalignedInstanceSize() const {
        ASSERT(isRealized());
        return data()->ro()->instanceSize;
    }

我們新創(chuàng)建一個類：Person，它沒有任何成員變量峭状，但是它的 unalignedInstanceSize = 8個字節(jié)克滴，因為繼承于 NSObject，有一個isa指針优床，64 位下一個指針占用8 個字節(jié)劝赔。

word_align()方法，進行字節(jié)對齊:

#   define WORD_MASK 7UL
static inline uint32_t word_align(uint32_t x) {
// 先對WORD_MASK進行非 ~ 運算
// 再和(x + WORD_MASK)進行 與 & 運算
    return (x + WORD_MASK) & ~WORD_MASK;
}

這個方法主要就是進行字節(jié)對齊胆敞，向上取 8 的倍數(shù)着帽。

通過斷點調(diào)試，instanceSize方法移层，會執(zhí)行到cache.fastInstanceSize方法仍翰，快速計算內(nèi)存大小，我們?nèi)タ聪逻@個方法：

size_t fastInstanceSize(size_t extra) const
{
    ASSERT(hasFastInstanceSize(extra));

    //Gcc的內(nèi)建函數(shù) __builtin_constant_p 用于判斷一個值是否為編譯時常數(shù)观话，如果參數(shù)EXP 的值是常數(shù)予借，函數(shù)返回 1，否則返回 0
    if (__builtin_constant_p(extra) && extra == 0) {
        return _flags & FAST_CACHE_ALLOC_MASK16;
    } else {
        size_t size = _flags & FAST_CACHE_ALLOC_MASK;
        // remove the FAST_CACHE_ALLOC_DELTA16 that was added
        // by setFastInstanceSize
        //刪除由setFastInstanceSize添加的FAST_CACHE_ALLOC_DELTA16 8個字節(jié)
        return align16(size + extra - FAST_CACHE_ALLOC_DELTA16);
    }
}

跳轉(zhuǎn)至align16()的源碼實現(xiàn)匪燕，這個方法是16字節(jié)對齊算法:

//16字節(jié)對齊算法
static inline size_t align16(size_t x) {
    return (x + size_t(15)) & ~size_t(15);
}

5.1.2 內(nèi)存對齊

內(nèi)存對齊原則：
數(shù)據(jù)成員對齊規(guī)則：struct 或者 union 的數(shù)據(jù)成員蕾羊，第一個數(shù)據(jù)成員放在 offset 為 0 的地方，之后每個數(shù)據(jù)成員存儲的起始位置要從該成員大小或者成員的子成員大忻毖薄（只要該成員有子成員龟再，比如數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)體等）的整數(shù)倍開始（例如int在32位機中是4字節(jié)尼变，則要從4的整數(shù)倍地址開始存儲）
數(shù)據(jù)成員為結(jié)構(gòu)體：如果一個結(jié)構(gòu)里有某些結(jié)構(gòu)體成員利凑，則結(jié)構(gòu)體成員要從其內(nèi)部最大元素大小的整數(shù)倍地址開始存儲（例如：struct a里面存有struct b，b里面有char嫌术、int哀澈、double等元素，則b應(yīng)該從8的整數(shù)倍開始存儲）
結(jié)構(gòu)體的整體對齊規(guī)則：結(jié)構(gòu)體的總大小度气，即sizeof的結(jié)果割按，必須是其內(nèi)部做大成員的整數(shù)倍，不足的要補齊

為什么要 16 字節(jié)對齊磷籍？
內(nèi)存由一個個字節(jié)組成适荣，cpu 在存取數(shù)據(jù)時现柠，并不是以字節(jié)為單位進行存儲，而是以塊為單位存取弛矛，塊的大小為內(nèi)存存取粒度够吩，通過減少存取次數(shù)來降低 cpu 開銷
16字節(jié)對齊，由于一個對象中丈氓，isa 指針占 8 個字節(jié)周循，當(dāng)沒有其它屬性的時候，會預(yù)留 8 個字節(jié)万俗，即 16 字節(jié)對齊湾笛，如果不預(yù)留，相當(dāng)于這個對象的isa和其他對象的isa緊挨著该编，容易造成訪問混亂
16字節(jié)對齊后迄本，可以加快CPU讀取速度，同時使訪問更安全课竣，不會產(chǎn)生訪問混亂的情況

以 align(8) 為例嘉赎，解釋下 16 字節(jié)對齊算法的過程：

image.png

• 首先將原始的內(nèi)存 8 與size_t(15) 相加，得到 8 + 15 = 23
• 將 size_t(15)即 15進行~（取反）操作于樟，~（取反）的規(guī)則是：1變?yōu)?公条，0變?yōu)?
  ? 最后將 23 與 15的取反結(jié)果 進行&（與）操作，最后的結(jié)果為 16迂曲，即內(nèi)存的大小是以16的倍數(shù)增加的

5.1.3 calloc : 申請內(nèi)存靶橱，返回內(nèi)存地址指針

通過instanceSize計算的內(nèi)存大小，向內(nèi)存中申請 大小 為 size的內(nèi)存路捧，并賦值給obj关霸，因此 obj是指向一塊內(nèi)存的指針

obj = (id)calloc(1, size);

這里我們可以通過斷點來印證上述的說法，在未執(zhí)行calloc時杰扫，po obj為nil队寇，執(zhí)行后，再po obj發(fā)現(xiàn)章姓，返回了一個16進制的地址

`

• 這里 po obj 還是一個內(nèi)存地址佳遣，是因為還沒有與傳入的cls進行關(guān)聯(lián)
• 同時印證了alloc的根本作用就是開辟內(nèi)存

5.2 obj->initInstanceIsa：類與 isa 關(guān)聯(lián)

image.png

主要過程就是初始化一個isa指針，并將isa指針指向申請的內(nèi)存地址凡伊，再將指針與cls類進行關(guān)聯(lián)零渐。

在obj->initIsa(cls);代碼前后，我們可以分別po obj看下不同：

// 之前
(lldb) po obj
0x0000000101d21c20

// 之后
(lldb) po obj
<LGPerson: 0x101d21c20>

可以明顯的看到：obj 的isa指向的是 LGPerson系忙。

6. 總結(jié)

• 通過對alloc源碼的分析诵盼，可以得知alloc的主要目的就是開辟內(nèi)存，而且開辟的內(nèi)存需要使用16字節(jié)對齊算法，現(xiàn)在開辟的內(nèi)存的大小基本上都是16的整數(shù)倍
• 開辟內(nèi)存的核心步驟有3步：計算內(nèi)存大小 -- 申請內(nèi)存空間 -- 關(guān)聯(lián)cls和obj的isa指針

7. init分析

源碼如下：

// Replaced by CF (throws an NSException)
+ (id)init {
    return (id)self;
}

- (id)init {
    return _objc_rootInit(self);
}

id
_objc_rootInit(id obj)
{
    // In practice, it will be hard to rely on this function.
    // Many classes do not properly chain -init calls.
    return obj;
}

可以看到拦耐，init 其實就是返回了self耕腾，可能是為了方便程序猿重寫 init 方法吧。

8. new 分析

+ (id)new {
    return [callAlloc(self, false/*checkNil*/) init];
}

看起來和上面一樣杀糯，不是嗎？

順便記錄下 lldb 指令：

• register read xxx
  寄存器讀取
• x p
  以 16 進制打印 p 的內(nèi)存占用
• x/4xg p
  每4 位讀取 p 的內(nèi)存占用