MJiOS底层笔记--OC对象本质

本文属笔记性质，主要针对自己理解不太透彻的地方进行记录。

推荐系统直接学习小码哥iOS底层原理班---MJ老师的课确实不错，强推一波。

OC对象本质

基于C与C++结构体实现

OC语言如何被编译器编译：

OC ==> C++ ==> 汇编 ==> 机器语言

而在C++中只有struct(结构体)才能容纳不同类型的内容(比如不同属性)。

将Objective-C代码转换为C\C++代码

clang -rewrite-objc OC源文件 -o 输出的CPP文件

将源文件转写成通用的cpp文件

xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc OC源文件 -o 输出的CPP文件

通过Xcode将源文件转写成arm64架构下的iphoneos文件，文件内容比第一种要少

如果需要链接其他框架，使用-framework参数。比如-framework UIKit

NSObject的OC与C++定义

在OC中的定义

@interface NSObject <NSObject> {Class isa;
}
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转成C++之后的定义

struct NSObject_IMPL {Class isa;
};
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对于结构体来说，和数组一样。其第一个成员的地址，即为结构体对象的地址。所以一个OC对象的地址，实际上就是其isa指针的地址。

而这个isa是指向objc_class结构体的指针

// 指针
typedef struct objc_class *Class;
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而一个指针在64位系统中所占的内存为8字节

所以一个OC对象所占的内存至少为8字节

NSObject对象所占用内存的大小

上面的结论通过class_getInstanceSize函数也可以佐证:

#import <objc/runtime.h>/*
获得NSObject实例对象的
`成员变量`
所占用的大小 >> 8
*/
NSLog(@"%zd", class_getInstanceSize([NSObject class]));//runtime源码中
size_t class_getInstanceSize(Class cls)
{if (!cls) return 0;return cls->alignedInstanceSize();
}// Class's ivar size rounded up to a pointer-size boundary.
uint32_t alignedInstanceSize() {return word_align(unalignedInstanceSize());
}
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需要注意这个word_align返回的是内存对齐后的大小，以unalignedInstanceSize(为对齐的)大小作为参数。

而对于NSObject *obj指针，我们有另一个函数可以查看其实际被分配的内存大小

#import <malloc/malloc.h>
// 获得obj指针所指向内存的大小 >> 16
NSLog(@"%zd", malloc_size((__bridge const void *)obj));
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为什么8字节的结构体会被分配16字节

继续看runtime

+ (id)alloc {return _objc_rootAlloc(self);
}id _objc_rootAlloc(Class cls)
{return callAlloc(cls, false/*checkNil*/, true/*allocWithZone*/);
}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 summaryif (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];
}// Replaced by ObjectAlloc
+ (id)allocWithZone:(struct _NSZone *)zone {return _objc_rootAllocWithZone(self, (malloc_zone_t *)zone);
}id _objc_rootAllocWithZone(Class cls, malloc_zone_t *zone)
{id obj;#if __OBJC2__// allocWithZone under __OBJC2__ ignores the zone parameter(void)zone;obj = class_createInstance(cls, 0);
#elseif (!zone) {obj = class_createInstance(cls, 0);}else {obj = class_createInstanceFromZone(cls, 0, zone);}
#endifif (slowpath(!obj)) obj = callBadAllocHandler(cls);return obj;
}id class_createInstance(Class cls, size_t extraBytes)
{return _class_createInstanceFromZone(cls, extraBytes, nil);
}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 performancebool 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;
}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;
}
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alloc函数最终会根据instanceSize返回的size，然后使用calloc(1, size);函数去分配内存。

在instanceSize函数中，alignedInstanceSize方法为成员变量所占内存大小(上面已经贴过一次).extraBytes参数(据我所见)都为0。

而CoreFoundation框架在instanceSize函数中硬性规定不足16字节的内存地址会被补成16位字节。

但实际上，NSObject对象只使用了8字节用来存储isa指针

Student对象的本质

@interface Student : NSObject
{@publicint _no;int _age;
}
@end
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重写成C++之后

struct Student_IMPL {struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;int _no;int _age;
};struct NSObject_IMPL {Class isa;
};//其实就是
struct Student_IMPL {Class isa; //8字节int _no; //4字节int _age; //4字节
};
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所以一个OC对象的本质实际上是一个包含了所有父类成员变量+自身成员变量的结构体

Student的内存布局及大小

可以通过Debug->Debug workflow->View momory查看指定地址的结构来查证

对于Student实例对象所占内存地址的大小,我们同样可以通过malloc_size函数来确定。

结果是16。8字节父类的isa指针、4字节_age的int、4字节_no的int。

当然如果有兴趣可以用memory write (stu地址+8偏移量) 8的方式，通过直接修改内存的方式对成员变量_no的值进行修改。

内存对齐原则下的OC对象内存分配

alignedInstanceSize()函数的内存对齐

alignedInstanceSize()函数会按照所有成员变量中内存最长的一个做内存对齐。比如

@interface Animal: NSObject
{int weight;int height;int age;
}
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实际上只需要8+4+4+4=20个字节长度即可，但是内存对其之后会返回8*3=24

malloc()/calloc()函数的内存对齐

在对象实际创建时，先以alignedInstanceSize()返回的大小作为参考。然后calloc在实际分配内存时为了内存对齐，最终将会根据bucket进行分配。这个bucket是16的整数倍。

#define NANO_MAX_SIZE 256 /* Buckets sized {16, 32, 48, 64, 80, 96, 112, ...} */
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所以Animal的实例对象实际上会被分配32个字节长度的内存地址。

sizeOf 与 class_getInstanceSize

返回一个参数对象所占的内存大小

sizeOf

sizeOf是运算符，在程序编译阶段将会直接替换成参数类型所占内存具体的常数值。

由于在编译阶段替换，所以有以下这种特性:

MJPerson *p = [[MJPerson alloc] init];
NSLog(@"%zd", sizeof(p)); // 8
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p在编译时将会被认为成指针，返回8字节的指针内存长度。而不是MJPerson类型的内存长度。

class_getInstanceSize

class_getInstanceSize是一个方法，在程序运行阶段将会进行计算。

他可以在运行阶段计算某个类所需内存大小

class_getInstanceSize([p class]) //24
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objc_class

runtime.h

OC2.0以前的类结构体。在2.0之后只剩下头文件，并且已经标记成了OBJC2_UNAVAILABLE的弃用状态。

struct objc_class {Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;#if !__OBJC2__Class _Nullable super_class                              OBJC2_UNAVAILABLE;const char * _Nonnull name                               OBJC2_UNAVAILABLE;long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;struct objc_ivar_list * _Nullable ivars                  OBJC2_UNAVAILABLE;struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;struct objc_cache * _Nonnull cache                       OBJC2_UNAVAILABLE;struct objc_protocol_list * _Nullable protocols          OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif} OBJC2_UNAVAILABLE;
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objc_runtime_new.h

最新的runtime源码中，优化了类的结构，内部分工更加明确。

在一级结构体中，只保留了isa、superclass、cache三个常用的成员

其余信息均转移到了class_data_bits_t这个二级结构体上

struct objc_class : objc_object {// Class ISA;Class superclass;cache_t cache;             // 方法缓存class_data_bits_t bits;    // 具体的类信息class_rw_t *data() { return bits.data();}void setData(class_rw_t *newData) {bits.setData(newData);}...
}
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在class_data_bits_t(类信息列表)内部，还保存着class_rw_t(可读写信息列表)，这些信息是可以动态修改的

struct class_rw_t {// Be warned that Symbolication knows the layout of this structure.uint32_t flags;uint32_t version;const class_ro_t *ro;method_array_t methods; //方法property_array_t properties; //属性protocol_array_t protocols; //协议Class firstSubclass;Class nextSiblingClass;char *demangledName;
}
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在class_rw_t(可读写信息列表)内部，还保存着class_ro_t(不可变信息列表)，保存着类加载进内存时就需要确定的信息

struct class_ro_t {uint32_t flags;uint32_t instanceStart;uint32_t instanceSize; //实例对象所占内存大小
#ifdef __LP64__uint32_t reserved;
#endifconst uint8_t * ivarLayout;const char * name; //类名method_list_t * baseMethodList;protocol_list_t * baseProtocols;const ivar_list_t * ivars; //成员变量const uint8_t * weakIvarLayout;property_list_t *baseProperties;method_list_t *baseMethods() const {return baseMethodList;}
};
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参考资料

小码哥iOS底层原理班

iOS复习笔记：OC对象内存大小问题