準備工作

下載 objc4-781 源碼葡幸，選擇mac電腦進行編譯臭蚁。

編譯源碼涧窒，可參考iOS-底層原理 03：objc4-781 源碼編譯 & 調(diào)試。

alloc 源碼探索

整體的源碼流程探索如下：

image

首先我們用xcode運行項目菩帝，建立好相關的符號斷點。

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【第一步】根據(jù)main函數(shù)的XXPersion類的alloc方法進入具體源碼的實現(xiàn)。

//alloc源碼分析

+(id)alloc{return_objc_rootAlloc(self);}

【第二步】跳進return_objc_rootAlloc()方法查看源碼實現(xiàn)胁附。

//cls就是上面說的XXPersion類
id _objc_rootAlloc(Class cls)
{
    return callAlloc(cls, false/*checkNil*/, true/*allocWithZone*/);
}
//注意第一次會進入這個方法酒繁，調(diào)用callAlloc
id objc_alloc(Class cls)
{
    return callAlloc(cls, true/*checkNil*/, false/*allocWithZone*/);
}

【第三步】跳進callAlloc方法查看源碼實現(xiàn)。

 重磅提示 這里是核心方法
static ALWAYS_INLINE id callAlloc(Class cls, bool checkNil, bool allocWithZone=false)
{
#if __OBJC2__
    if (slowpath(checkNil && !cls)) return nil;
    if (fastpath(!cls->ISA()->hasCustomAWZ())) {
        return _objc_rootAllocWithZone(cls, nil);
    }
#endif
    if (allocWithZone) {
        return ((id(*)(id, SEL, struct _NSZone *))objc_msgSend)(cls, @selector(allocWithZone:), nil);
    }
    return ((id(*)(id, SEL))objc_msgSend)(cls, @selector(alloc));
}

注意：經(jīng)過調(diào)試發(fā)現(xiàn)先走objc_msgSend方法控妻，向XXPersion類發(fā)送alloc消息然后走到了第一步alloc方法州袒，然后執(zhí)行_objc_rootAlloc方法，最后進入_objc_rootAllocWithZone方法弓候。那么為什么這樣子走兩次呢郎哭？帶著疑問往下走，哈哈~~~~

//第二次進入菇存，調(diào)起`callAlloc`方法夸研，走到第三部的流程。
id _objc_rootAlloc(Class cls)
{
    return callAlloc(cls, false/*checkNil*/, true/*allocWithZone*/);
}

slowpath & fastpath
其中關于是slowpath和fastpath這里需要簡要說明下依鸥，這兩個都是objc源碼中定義的宏亥至，其定義如下:

//x很可能為真， fastpath 可以簡稱為 真值判斷
#define fastpath(x) (__builtin_expect(bool(x), 1)) 
//x很可能為假贱迟，slowpath 可以簡稱為 假值判斷
#define slowpath(x) (__builtin_expect(bool(x), 0)) 

其中的__builtin_expect指令是由gcc引入的姐扮，
1、目的：編譯器可以對代碼進行優(yōu)化衣吠，以減少指令跳轉(zhuǎn)帶來的性能下降茶敏。即性能優(yōu)化
2、作用：允許程序員將最有可能執(zhí)行的分支告訴編譯器缚俏。
3惊搏、指令的寫法為：__builtin_expect(EXP, N)。表示 EXP==N的概率很大忧换。
4恬惯、fastpath定義中__builtin_expect((x),1)表示x的值為真的可能性更大；即 執(zhí)行if 里面語句的機會更大
5包雀、slowpath定義中的__builtin_expect((x),0)表示 x 的值為假的可能性更大宿崭。即執(zhí)行else 里面語句的機會更大
6、在日常的開發(fā)中才写，也可以通過設置來優(yōu)化編譯器葡兑，達到性能優(yōu)化的目的，設置的路徑為：Build Setting --> Optimization Level --> Debug --> 將None 改為 fastest 或者 smallest

cls->ISA()->hasCustomAWZ()

其中fastpath中的 cls->ISA()->hasCustomAWZ() 表示判斷一個類是否有自定義的 +allocWithZone 實現(xiàn)赞草，這里通過斷點調(diào)試讹堤，是沒有自定義的實現(xiàn)，所以會執(zhí)行到 if 里面的代碼厨疙，即走到_objc_rootAllocWithZone洲守。
【第四步】進入_objc_rootAllocWithZone方法，其源碼實現(xiàn)如下：

id _objc_rootAllocWithZone(Class cls, malloc_zone_t *zone __unused)
{
    // allocWithZone under __OBJC2__ ignores the zone parameter
    //zone 參數(shù)不再使用 類創(chuàng)建實例內(nèi)存空間
    return _class_createInstanceFromZone(cls, 0, nil,
                                         OBJECT_CONSTRUCT_CALL_BADALLOC);
}

【第五步】進入_class_createInstanceFromZone方法，這是alloc源碼的核心操作梗醇，大致可以分為一下的三部分：

• cls->instanceSize：計算需要開辟的內(nèi)存空間大小
• calloc：申請內(nèi)存知允，返回地址指針
• obj->initInstanceIsa：將 類 與 isa 關聯(lián)

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)// alloc 源碼 第五步
{
    ASSERT(cls->isRealized()); //檢查是否已經(jīng)實現(xiàn)

    // Read class's info bits all at once for performance
    //一次性讀取類的位信息以提高性能
    bool hasCxxCtor = cxxConstruct && cls->hasCxxCtor();
    bool hasCxxDtor = cls->hasCxxDtor();
    bool fast = cls->canAllocNonpointer();
    size_t size;

    //計算需要開辟的內(nèi)存大小，傳入的extraBytes 為 0
    size = cls->instanceSize(extraBytes);
    if (outAllocatedSize) *outAllocatedSize = size;

    id obj;
    if (zone) {
        obj = (id)malloc_zone_calloc((malloc_zone_t *)zone, 1, size);
    } else {
        //申請內(nèi)存
        obj = (id)calloc(1, size);
    }
    if (slowpath(!obj)) {
        if (construct_flags & OBJECT_CONSTRUCT_CALL_BADALLOC) {
            return _objc_callBadAllocHandler(cls);
        }
        return nil;
    }
    if (!zone && fast) {
        //將 cls類 與 obj指針（即isa） 關聯(lián)
        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);
    }

    if (fastpath(!hasCxxCtor)) {
        return obj;
    }

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

根據(jù)以上的源碼分析叙谨，得出以下的流程圖

image.png

重點：calloc方法

cls->instanceSize：計算所需內(nèi)存大小
開辟內(nèi)存大小過程如下：

image.png

ize_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 + 額外的字節(jié)數(shù)0
    size_t size = alignedInstanceSize() + extraBytes;
    // CF requires all objects be at least 16 bytes.
    //如果size 小于 16，最小取16
    if (size < 16) size = 16;
    return size;
}

然后跳轉(zhuǎn)到fastInstanceSize手负，源碼實現(xiàn)：

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)涤垫，如果參數(shù)EXP 的值是常數(shù)，函數(shù)返回 1竟终，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);
    }
}

然后跳轉(zhuǎn)到alight16蝠猬，這是一個16進制對齊的算法，源碼如下：

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

內(nèi)存對齊規(guī)則

每個特定平臺上的編譯器都有自己的默認“對齊系數(shù)”(也叫對齊模數(shù))统捶。程序員可以通過預編譯命令#pragma pack(n)榆芦，n=1,2,4,8,16來改變這一系數(shù)，其中的n就是你要指定的“對齊系數(shù)”瘾境。

1.數(shù)據(jù)成員對齊規(guī)則：struct 或 union （以下統(tǒng)稱結(jié)構體）的數(shù)據(jù)成員歧杏，第一個數(shù)據(jù)成員A放在偏移為 0 的地方，以后每個數(shù)據(jù)成員B的偏移為(#pragma pack(指定的數(shù)n) 與 該數(shù)據(jù)成員（也就是 B）的自身長度中較小那個數(shù)的整數(shù)倍迷守，不夠整數(shù)倍的補齊。

2.數(shù)據(jù)成員為結(jié)構體：如果結(jié)構體的數(shù)據(jù)成員還為結(jié)構體旺入，則該數(shù)據(jù)成員的“自身長度”為其內(nèi)部最大元素的大小兑凿。(struct a 里存有 struct b，b 里有char,int,double等元素茵瘾，那 b “自身長度”為 8)

3.結(jié)構體的整體對齊規(guī)則：在數(shù)據(jù)成員按照上述第一步完成各自對齊之后礼华，結(jié)構體本身也要進行對齊。對齊會將結(jié)構體的大小調(diào)整為(#pragma pack(指定的數(shù)n) 與 結(jié)構體中的最大長度的數(shù)據(jù)成員中較小那個的整數(shù)倍拗秘，不夠的補齊圣絮。

為什么要進行16字節(jié)對齊

• 通常內(nèi)存是由一個個字節(jié)組成的，cpu在存取數(shù)據(jù)時雕旨，并不是以字節(jié)為單位存儲扮匠，而是以塊為單位存取，塊的大小為內(nèi)存存取力度凡涩。頻繁存取字節(jié)未對齊的數(shù)據(jù)棒搜，會極大降低cpu的性能，所以可以通過減少存取次數(shù)來降低cpu的開銷
• 16字節(jié)對齊活箕，是由于在一個對象中力麸，第一個屬性isa占8字節(jié)，當然一個對象肯定還有其他屬性，當無屬性時克蚂，會預留8字節(jié)闺鲸，即16字節(jié)對齊，如果不預留埃叭，相當于這個對象的isa和其他對象的isa緊挨著翠拣，容易造成訪問混亂
• 16字節(jié)對齊后，可以加快CPU讀取速度游盲，同時使訪問更安全误墓，不會產(chǎn)生訪問混亂的情況。
  16字節(jié)對齊算法的計算過程
  
  image.png
• 首先將原始的內(nèi)存 8 與size_t(15)相加益缎，得到 8 + 15 = 23
• 將 size_t(15) 即 15進行~（取反）操作谜慌，~（取反）的規(guī)則是：1變?yōu)?，0變?yōu)?
• 最后將 23 與 15的取反結(jié)果 進行 &（與）操作莺奔，&（與）的規(guī)則是：都是1為1欣范，反之為0，最后的結(jié)果為 16令哟，即內(nèi)存的大小是以16的倍數(shù)增加的
  calloc：申請內(nèi)存恼琼，返回地址指針
  通過instanceSIze計算內(nèi)存的大小，向內(nèi)存申請為size大小的內(nèi)存屏富，拿到賦值給obj晴竞，obj是指向內(nèi)存地址的指針。

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

注意：未執(zhí)行calloc時候obj返回的是nil狠半，執(zhí)行完calloc之后返回一個16進制的地址噩死。在平時開發(fā)中，一個對象的打印的格式都是類似于這樣的<XXPerson: 0x01111111f>（是一個指針）,而obj打印的是一個地址神年，只要是因為還沒有傳入cls的關聯(lián)已维，同時印證了alloc的根本作用就是開辟內(nèi)存。
obj->initInstanceIsa：類與isa關聯(lián)
當calloc完成之后已日，內(nèi)存空間就申請好了垛耳。然后就進行isa的關聯(lián)，流程圖如下：

image.png

總結(jié)

• 通過對alloc源碼的系統(tǒng)學習占婉，可以知道alloc主要目的就是開辟內(nèi)存泡嘴，開辟內(nèi)存需要16字節(jié)對齊算法，開辟的內(nèi)存大小基本上都是16的整數(shù)倍逆济。
• 開辟內(nèi)存的核心步驟：計算------申請------關聯(lián)酌予。

上面的疑點：為什么第三步會走兩次

通過llvm源碼得知在編譯的過程中磺箕，alloc方法被hook成上面說的objc_alloc方法，這樣做的目的就是標記一個receiver抛虫，在標記完這個類為receiver之后都會進入普通的消息發(fā)送判斷（即第二次進入的alloc方法）松靡，這樣做的目的其實就是間接符號的綁定。