runtime之ivar内存布局篇
2024-06-08 05:40:11
随着runtime越来越常用，iOSer对runtime的理解要求也越来越高，大家都热衷于runtime源码理解，这篇我带领大家理解下关于Ivar的内容。
1.内存对齐
在分析Ivar之前，我们要了解下内存对齐的概念。 每个特定平台上的编译器都有自己的默认“对齐系数”，而64位中iOS里这个参数是8。我们测试一下：
@interface Dog : NSObject
{int age; //4个字节BOOL sex; //1个字节NSString* name; //8个字节的指针地址short lifeTime; //2个字节NSString* style; //8个字节的指针地址
}
@end
复制代码这是我们新建的类Dog，里面有各种各样的成员变量，如果不存在内存对齐的话，会是一段连续的地址。我们打印下成员变量的地址偏移：
Class class = objc_getClass("Dog");NSLog(@"内存地址：%p",class);unsigned int count;Ivar* ivars =class_copyIvarList(objc_getClass("Dog"), &count);for (unsigned int i = 0; i < count; i++) {Ivar ivar = ivars[i];ptrdiff_t offset = ivar_getOffset(ivar);NSLog(@"%s = %td",ivar_getName(ivar),offset);}free(ivars);NSLog(@"Dog总字节 = %lu",class_getInstanceSize(objc_getClass("Dog")));
复制代码运行结果：
2019-03-02 14:26:53.613593+0800 Runtime-Ivar[39894:1319445] 内存地址：0x1060d6f28
2019-03-02 14:26:53.613780+0800 Runtime-Ivar[39894:1319445] age = 8
2019-03-02 14:26:53.613867+0800 Runtime-Ivar[39894:1319445] sex = 12
2019-03-02 14:26:53.613954+0800 Runtime-Ivar[39894:1319445] name = 16
2019-03-02 14:26:53.614038+0800 Runtime-Ivar[39894:1319445] lifeTime = 24
2019-03-02 14:26:53.614123+0800 Runtime-Ivar[39894:1319445] style = 32
2019-03-02 14:26:53.614234+0800 Runtime-Ivar[39894:1319445] Dog总字节 = 40
复制代码根据打印结果，sex是bool类型，应该只占1个字节，但是却好像占了4个字节，其实这里并不是占了4个字节，而是因为内存对齐，其中3个字节是没用的。我们画下内存结构图：
我们可以看到内存并不是全部占满的，这是由于CPU并不是以字节为单位存取数据的，以单字节为单位会导致效率变差，开销变大，所以 CPU 一般会以 2/4/8/16/32 字节为单位来进行存取操作。而这里，会以8个字节为单位存取。
2.ivar的内存分布
这一部分我们从这4个方面去看ivar的分布情况。
- 属性与变量的分布
@interface Cat : NSObject
{NSString* c1;NSString* c4;
}@property(nonatomic, copy)NSString* c2;
@property(nonatomic, copy)NSString* c3;
@end
复制代码unsigned int count;Ivar* ivars =class_copyIvarList(objc_getClass("Cat"), &count);for (unsigned int i = 0; i < count; i++) {Ivar ivar = ivars[i];ptrdiff_t offset = ivar_getOffset(ivar);NSLog(@"%s = %td",ivar_getName(ivar),offset);}free(ivars);NSLog(@"Cat总字节 = %lu",class_getInstanceSize(objc_getClass("Cat")));
复制代码运行结果：
2019-03-01 17:19:27.926009+0800 Runtime-Ivar[10017:6532014] c1 = 8
2019-03-01 17:19:27.926046+0800 Runtime-Ivar[10017:6532014] c4 = 16
2019-03-01 17:19:27.926056+0800 Runtime-Ivar[10017:6532014] _c2 = 24
2019-03-01 17:19:27.926065+0800 Runtime-Ivar[10017:6532014] _c3 = 32
2019-03-01 17:19:27.926097+0800 Runtime-Ivar[10017:6532014] Cat总字节 = 40
复制代码我们可以看到先是成员变量后是属性。
- 对象类型与基本类型的分布 先看下属性吧：
@interface Cat : NSObject@property(nonatomic, copy)NSString* c1;
@property(nonatomic, assign)int c3;
@property(nonatomic, copy)NSString* c2;
@property(nonatomic, assign)int c4;
@end
复制代码打印ivar的方法和上面一致，运行后：
2019-03-01 17:11:58.167160+0800 Runtime-Ivar[9888:6528420] _c3 = 8
2019-03-01 17:11:58.167202+0800 Runtime-Ivar[9888:6528420] _c4 = 12
2019-03-01 17:11:58.167214+0800 Runtime-Ivar[9888:6528420] _c1 = 16
2019-03-01 17:11:58.167224+0800 Runtime-Ivar[9888:6528420] _c2 = 24
2019-03-01 17:11:58.167264+0800 Runtime-Ivar[9888:6528420] Cat总字节 = 32
复制代码我们可以看到属性的话先是基本类型后是对象类型。 再看下成员变量吧：
@interface Cat : NSObject
{NSString* c1;int c3;NSString* c2;int c4;
}
@end
复制代码运行结果：
2019-03-01 17:13:05.937474+0800 Runtime-Ivar[9909:6529050] c1 = 8
2019-03-01 17:13:05.937515+0800 Runtime-Ivar[9909:6529050] c3 = 16
2019-03-01 17:13:05.937526+0800 Runtime-Ivar[9909:6529050] c2 = 24
2019-03-01 17:13:05.937534+0800 Runtime-Ivar[9909:6529050] c4 = 32
2019-03-01 17:13:05.937567+0800 Runtime-Ivar[9909:6529050] Cat总字节 = 40
复制代码我们可以看到成员变量的话没有先后之分。
m文件与h文件的分布 先看属性吧：
Cat.h
@interface Cat : NSObject@property(nonatomic, copy)NSString* c1;
@property(nonatomic, copy)NSString* c3;@end
Cat.m
#import "Cat.h"
@interface Cat()
@property(nonatomic, copy)NSString* c2;
@property(nonatomic, copy)NSString* c4;
@end
@implementation Cat
@end
复制代码运行结果：
2019-03-01 17:16:16.989271+0800 Runtime-Ivar[9962:6530367] _c1 = 8
2019-03-01 17:16:16.989309+0800 Runtime-Ivar[9962:6530367] _c3 = 16
2019-03-01 17:16:16.989319+0800 Runtime-Ivar[9962:6530367] _c2 = 24
2019-03-01 17:16:16.989328+0800 Runtime-Ivar[9962:6530367] _c4 = 32
2019-03-01 17:16:16.989360+0800 Runtime-Ivar[9962:6530367] Cat总字节 = 40
复制代码我们可以看到先是h文件后是m文件。 再看看成员变量：
Cat.h
@interface Cat : NSObject
{NSString* c1;NSString* c3;
}
@end
Cat.m
#import "Cat.h"
@interface Cat()
{NSString* c2;NSString* c4;
}
@end
@implementation Cat
@end
复制代码运行结果：
2019-03-01 17:18:05.865890+0800 Runtime-Ivar[9992:6531268] c1 = 8
2019-03-01 17:18:05.865942+0800 Runtime-Ivar[9992:6531268] c3 = 16
2019-03-01 17:18:05.865952+0800 Runtime-Ivar[9992:6531268] c2 = 24
2019-03-01 17:18:05.865960+0800 Runtime-Ivar[9992:6531268] c4 = 32
2019-03-01 17:18:05.866000+0800 Runtime-Ivar[9992:6531268] Cat总字节 = 40
复制代码和上面一样显示h文件后是m文件。
那我们综合以上几种情况：
Cat.h
@interface Cat : Animal
{NSString* string_h_ivar;int int_h_ivar;}@property(nonatomic, copy)NSString* string_h_property;
@property(nonatomic, assign)int int_h_property;@end
Cat.m
#import "Cat.h"
@interface Cat()
{NSString* string_m_ivar;int int_m_ivar;}
@property(nonatomic, assign)int int_m_property;
@property(nonatomic, copy)NSString* string_m_property;
@end@implementation Cat@end
复制代码运行结果为：
2019-03-01 16:43:56.295851+0800 Runtime-Ivar[9412:6514675] string_h_ivar = 24
2019-03-01 16:43:56.295907+0800 Runtime-Ivar[9412:6514675] int_h_ivar = 32
2019-03-01 16:43:56.295917+0800 Runtime-Ivar[9412:6514675] string_m_ivar = 40
2019-03-01 16:43:56.295926+0800 Runtime-Ivar[9412:6514675] int_m_ivar = 48
2019-03-01 16:43:56.295934+0800 Runtime-Ivar[9412:6514675] _int_h_property = 52
2019-03-01 16:43:56.295942+0800 Runtime-Ivar[9412:6514675] _int_m_property = 56
2019-03-01 16:43:56.295950+0800 Runtime-Ivar[9412:6514675] _string_h_property = 64
2019-03-01 16:43:56.295960+0800 Runtime-Ivar[9412:6514675] _string_m_property = 72
2019-03-01 16:43:56.296001+0800 Runtime-Ivar[9412:6514675] Cat总字节 = 80
复制代码分析可得顺序为h文件的ivar->m文件的ivar->h文件的property基本类型->m文件的property对象类型
3.分析ivarlayout源码
在runtime.h里面关于IvarLayout的几个方法。
const uint8_t * _Nullable
class_getIvarLayout(Class _Nullable cls)
OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);const uint8_t * _Nullable
class_getWeakIvarLayout(Class _Nullable cls)
OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);void
class_setIvarLayout(Class _Nullable cls, const uint8_t * _Nullable layout)
OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);void
class_setWeakIvarLayout(Class _Nullable cls, const uint8_t * _Nullable layout)
OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);
复制代码我们试用下，我们创建Person类：
@interface Person : NSObject
{int int1;bool bool1;__strong NSString* strong1;__weak NSString* weak1;char char1;__weak NSString* weak2;__strong NSString* strong2;__strong NSString* strong3;char char2;__weak NSString* weak3;char char3;int int2;__weak NSString* weak4;__weak NSString* weak5;
}
复制代码然后我们使用下class_getIvarLayout和class_getWeakIvarLayout：
-(void)getIvarLayout {const uint8_t *strongLayout = class_getIvarLayout(objc_getClass("Person"));if (!strongLayout) {return;}uint8_t byte;while ((byte = *strongLayout++)) {printf("strongLayout = #%02x\n",byte);}const uint8_t *weakLayout = class_getWeakIvarLayout(objc_getClass("Person"));if (!weakLayout) {return;}while ((byte = *weakLayout++)) {printf("weakLayout = #%02x\n",byte);}
}
复制代码打印结果：
strongLayout = #11
strongLayout = #32
weakLayout = #21
weakLayout = #11
weakLayout = #31
weakLayout = #12
复制代码粗一看看不出什么，文档里面并没有详细说明layout的含义，我们要探究IvarLayout的话，还是要在源码找线索。
void fixupCopiedIvars(id newObject, id oldObject)
{for (Class cls = oldObject->ISA(); cls; cls = cls->superclass) {if (cls->hasAutomaticIvars()) {// Use alignedInstanceStart() because unaligned bytes at the start// of this class's ivars are not represented in the layout bitmap.size_t instanceStart = cls->alignedInstanceStart();const uint8_t *strongLayout = class_getIvarLayout(cls);if (strongLayout) {id *newPtr = (id *)((char*)newObject + instanceStart);unsigned char byte;while ((byte = *strongLayout++)) {unsigned skips = (byte >> 4);unsigned scans = (byte & 0x0F);newPtr += skips;while (scans--) {// ensure strong references are properly retained.id value = *newPtr++;if (value) objc_retain(value);}}}const uint8_t *weakLayout = class_getWeakIvarLayout(cls);// fix up weak references if any.if (weakLayout) {id *newPtr = (id *)((char*)newObject + instanceStart), *oldPtr = (id *)((char*)oldObject + instanceStart);unsigned char byte;while ((byte = *weakLayout++)) {unsigned skips = (byte >> 4);unsigned weaks = (byte & 0x0F);newPtr += skips, oldPtr += skips;while (weaks--) {objc_copyWeak(newPtr, oldPtr);++newPtr, ++oldPtr;}}}}}
}
复制代码这一段源码是runtime如何使用strongLayout和weakLayout。 下面，我们仔仔细细的分析这段源码，我们取出其中关键的一部分，先看关于strongLayout:
//获得strongLayout的数组，数组元素类型为uint8_t，uint8_t为2位16进制数
const uint8_t *strongLayout = class_getIvarLayout(cls);
if (strongLayout) {//newPtr为ivar的初始地址id *newPtr = (id *)((char*)newObject + instanceStart);unsigned char byte;//遍历strongLayout，并且将内容赋值给bytewhile ((byte = *strongLayout++)) {//取出byte的左边一位unsigned skips = (byte >> 4);//取出byte的右边一位unsigned scans = (byte & 0x0F);//地址跳过skips位newPtr += skips;//循环scans次while (scans--) {// ensure strong references are properly retained.//取出地址里的内容，并且地址+1id value = *newPtr++;if (value) objc_retain(value);}}
}
复制代码从这一段源码，我们可以看到scans的地址值存放的是strong的成员变量，而skips是无效值，同样我们也可以分析weakLayout的那一段源码。为了能更加清晰的看到ivar的布局，我们通过ivar_getOffset方法获得ivar的内存布局。
-(void)getOffset {unsigned int count;Ivar* ivars =class_copyIvarList(objc_getClass("Person"), &count);for (unsigned int i = 0; i < count; i++) {Ivar ivar = ivars[i];ptrdiff_t offset = ivar_getOffset(ivar);NSLog(@"%s = %td",ivar_getName(ivar),offset);}free(ivars);NSLog(@"Person总字节 = %lu",class_getInstanceSize(objc_getClass("Person")));
}
复制代码运行结果：
2019-03-04 10:27:23.147813+0800 Runtime-Ivar[32952:841600] int1 = 8
2019-03-04 10:27:23.147842+0800 Runtime-Ivar[32952:841600] bool1 = 12
2019-03-04 10:27:23.147853+0800 Runtime-Ivar[32952:841600] strong1 = 16
2019-03-04 10:27:23.147863+0800 Runtime-Ivar[32952:841600] weak1 = 24
2019-03-04 10:27:23.147875+0800 Runtime-Ivar[32952:841600] char1 = 32
2019-03-04 10:27:23.147884+0800 Runtime-Ivar[32952:841600] weak2 = 40
2019-03-04 10:27:23.147894+0800 Runtime-Ivar[32952:841600] strong2 = 48
2019-03-04 10:27:23.147904+0800 Runtime-Ivar[32952:841600] strong3 = 56
2019-03-04 10:27:23.147913+0800 Runtime-Ivar[32952:841600] char2 = 64
2019-03-04 10:27:23.147922+0800 Runtime-Ivar[32952:841600] weak3 = 72
2019-03-04 10:27:23.147932+0800 Runtime-Ivar[32952:841600] char3 = 80
2019-03-04 10:27:23.147941+0800 Runtime-Ivar[32952:841600] int2 = 84
2019-03-04 10:27:23.147950+0800 Runtime-Ivar[32952:841600] weak4 = 88
2019-03-04 10:27:23.147959+0800 Runtime-Ivar[32952:841600] weak5 = 96
2019-03-04 10:27:23.147992+0800 Runtime-Ivar[32952:841600] Cat总字节 = 104
复制代码通过这个我们可以画出内存布局图：
这张图可以清晰的看到内存布局，然后我们再把strongLayout和weakLayout加到上面去： 因为无论是strong还是weak都是对象类型的变量，存的都是指针地址，所以占8位。所以源码中的scan地址，其实就是存的strong或者weak的指针地址。我们可以看到在strongLayout中，高位x8代表非strong类型所占的内存地址，低位代表strong类型的个数，在weakLayout中，高位x8代表非weak类型所占的内存地址，低位代表weak类的个数。
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