OC对象的探究(上篇)

大家好!我是Tony,一个热爱技术,希望运用技术改变生活的的追梦男孩。闲话不多说,下面带大家认识一下Objective-C的对象。

从OC的角度看对象本质

OC是一门面向对象的语言,我们从一开始接触OC的时候,肯定都接触过NSObject对象,和其他语言一样,如Java的Object,是整个OC的根类型,通俗的讲就是OC中所有的类都是直接或者间接的继承于此类,下面我们先移步到NSObject的头文件,看看里面有哪些内容。

NSObject协议
@protocol NSObject
//判断对象相等的方法
- (BOOL)isEqual:(id)object;
//获取对象的hash值
@property (readonly) NSUInteger hash;
//父类的类对象
@property (readonly) Class superclass;
- (Class)class ;
//自身指针
- (instancetype)self;
//直接向对象发送消息的方法,绕过编译器的检测(运行时系统负责去找方法,在编译时候不做任何校验),
//Cocoa支持在运行时向某个类添加方法,即方法编译时不存在,但是运行时候存在,这时候必然需要使用performSelector去调用。
//为了程序的健壮性,会使用检查方法- (BOOL)respondsToSelector:(SEL)aSelector;
- (id)performSelector:(SEL)aSelector;
- (id)performSelector:(SEL)aSelector withObject:(id)object;
- (id)performSelector:(SEL)aSelector withObject:(id)object1 withObject:(id)object2;
//自省方法 用来判断一个对象是不是某一个类的对象(包括子类)
- (BOOL)isKindOfClass:(Class)aClass;
//自省方法 用来判断一个对象是不是某一个类的对象(不包括子类)
- (BOOL)isMemberOfClass:(Class)aClass;
//判断对象是否尊守某个协议
- (BOOL)conformsToProtocol:(Protocol *)aProtocol;
//判断方法是否存在
- (BOOL)respondsToSelector:(SEL)aSelector;
//内存管理相关的方法
- (instancetype)retain OBJC_ARC_UNAVAILABLE;
- (oneway void)release OBJC_ARC_UNAVAILABLE;
- (instancetype)autorelease OBJC_ARC_UNAVAILABLE;
- (NSUInteger)retainCount OBJC_ARC_UNAVAILABLE;
- (struct _NSZone *)zone OBJC_ARC_UNAVAILABLE;
@end
NSObject类

这里仅留下了方法调用相关的方法

//方法查找相关的方法
+ (BOOL)instancesRespondToSelector:(SEL)aSelector;
- (IMP)methodForSelector:(SEL)aSelector;
+ (IMP)instanceMethodForSelector:(SEL)aSelector;
//第一步:在方法查找过程中,未处理掉的方法就会来到此处,询问是否在运行时增加该方法的IMP
//类方法决议(动态方法解析),调用resolveClassMethod给个机会让类添加这个实现这个函数
+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel 
//类实例方法决议(动态方法解析),调用resolveInstanceMethod给个机会让类添加这个实现这个函数
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel;
//第二步:快速方法转发,让其他类处理
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector;
//第三步:快速方法转发,让其他类处理
//对象方法签名,用于生成NSInvocation对象
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector;
//实例方法签名,用于生成NSInvocation对象
+ (NSMethodSignature *)instanceMethodSignatureForSelector:(SEL)aSelector;
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation ;
//第四步:方法找不到时,来到此方法,抛出异常
- (void)doesNotRecognizeSelector:(SEL)aSelector;

NSObject类干的事情有hash、equal、对象的原型、自省、内存管理、方法查找、动态方法解析、方法的快速转发等,
在头文件中能够看到和对象本质相关联的就是Class,isa等关键词,下面我们将继续学习Class和isa

Class的本质

Class的定义是typedef struct objc_class *Class;,在objc4中objc_class是继承objc_object,所以我们先看看objc_object的定义:

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;
public:
    // ISA() assumes this is NOT a tagged pointer object
    Class ISA();
    // object may have associated objects?
    bool hasAssociatedObjects();
    void setHasAssociatedObjects();
    // object may be weakly referenced?
    bool isWeaklyReferenced();
    void setWeaklyReferenced_nolock();
    ..........
};

可以看见objc_object的定义非常简单,内部有一个isa成员。
下面我们看看objc4中objc_class的结构

image.png

下面是objc4中objc_class的部分定义代码

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags

    bool isMetaClass() {
        ASSERT(this);
        ASSERT(isRealized());
#if FAST_CACHE_META
        return cache.getBit(FAST_CACHE_META);
#else
        return data()->ro->flags & RO_META;
#endif
    }

    // Like isMetaClass, but also valid on un-realized classes
    bool isMetaClassMaybeUnrealized() {
        return bits.safe_ro()->flags & RO_META;
    }

    // NOT identical to this->ISA when this is a metaclass
    Class getMeta() {
        if (isMetaClass()) return (Class)this;
        else return this->ISA();
    }

    bool isRootClass() {
        return superclass == nil;
    }
    bool isRootMetaclass() {
        return ISA() == (Class)this;
    }

    ...........
};
  • isa(继承自objc_object)指向元类
  • superclass指向父类
  • cache方法缓存,当调用一次方法后就会缓存进vtable中,加速下次调用
  • bits这是今天的主角,就是存储类的方法、属性和遵循的协议等信息的地方
    我们从Class的结构中可以看见,类对象其实存储了实例的变量和方法,及相关的协议;对象则是存储实例变量的值;我们经常会使用类的类方法,在Class的结构中我们并没有看见类方法的存储位置,类对象的isa其实指向的就是metaclass,而metaclass中存储了类方法。

看了这些是不是还有很多疑惑,如objc_cache方法缓存原理是啥?什么时候使用到?为什么要设计metaclass?方法的调用过程是什么?不着急后面将一一解答

从C/C++的角度看看对象本质

我们通过创建OC对象,并将OC文件转化为C++文件来探寻OC对象的本质,OC如下代码

#import <Foundation/Foundation.h>
#import <objc/runtime.h>
#import <malloc/malloc.h>
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        NSObject *object = [[NSObject alloc] init];
        NSLog(@"objc对象实际需要的内存大小: %zd", class_getInstanceSize([object class]));//objc对象实际需要的内存大小: 8
        NSLog(@"objc对象实际分配的内存大小: %zd", malloc_size((__bridge const void *)(object)));//objc对象实际分配的内存大小: 16
    }
    return 0;
}

使用 clang 将 OC 代码转换为 C++ 代码
clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp
或者使用 XCode 工具 xcrun 进行转换
xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp
打开main.cpp定位到main函数

int main(int argc, const char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 
//简化版本
        NSObject *object = objc_msgSend(objc_msgSend(objc_getClass("NSObject"),sel_registerName("alloc")),sel_registerName("init"))
    }
    return 0;
}

这里可以看到,objc_msgSend先向NSObject发送了alloc,然后发送了init消息;此时对象就被初始化完毕,下面我们打印一下内存占用情况,代码如下

 NSLog(@"objc对象实际需要的内存大小: %zd", class_getInstanceSize([object class]));//打印结果:8
 NSLog(@"objc对象实际分配的内存大小: %zd", malloc_size((__bridge const void *)(object)));//打印结果:16

是不是很疑惑,对象仅仅使用了8字节为什么会分配16个字节的大小呢?对于这个问题我们可以通过阅读objc4的源代码来找到答案。通过查看跟踪obj4中alloc和allocWithZone两个函数的实现,会发现这个连个函数都会调用一个instanceSize的函数:

size_t instanceSize(size_t extraBytes) {
        size_t size = alignedInstanceSize() + extraBytes;
        // CF requires all objects be at least 16bytes.
        if (size < 16) size = 16;
        return size;
    }

是不是豁然开朗,对象的内存大小最低消费就是16字节。
下面我们看看对象中有成员变量时,对象的内存占用变化

@interface Person : NSObject
@property (nonatomic,assign) int age;
@end
@implementation Person
@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        Person *object = [[Person alloc] init];
        NSLog(@"objc对象实际需要的内存大小: %zd", class_getInstanceSize([object class]));//打印结果:16
        NSLog(@"objc对象实际分配的内存大小: %zd", malloc_size((__bridge const void *)(object)));//打印结果:16
    }
    return 0;
}

此时对象的实际内存大小和分配内存大小都是16字节,我们知道int类型是占4个字节,而8+4=12,这应该才是实际内存占用的大小,为什么是16字节呢?
这里就需要引入内存地址对齐的问题,地址对齐意思就是内存的增加必须满足是8字节的倍数,所以12字节不满16,则分配16字节,其中增加了4字节的占位
有了这个概念后,如果我为Person对象再增加一个int类型number的属性,实际内存大小是否会改变呢?下面我们看一下打印结果:

@interface Person : NSObject
@property (nonatomic,assign) int age;
@property (nonatomic,assign) int number;
@end
@implementation Person
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        Person *object = [[Person alloc] init];
        NSLog(@"objc对象实际需要的内存大小: %zd", class_getInstanceSize([object class]));//打印结果:16
        NSLog(@"objc对象实际分配的内存大小: %zd", malloc_size((__bridge const void *)(object)));//打印结果:16
    }
    return 0;
}

可以看见打印结果都是16,说明内存大小并无增加,此时number的内存刚好填补了之前的4字节占位内存,不会造成内存的浪费
上篇文章先到此,感谢大家的阅读!

最后编辑于
©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
平台声明:文章内容(如有图片或视频亦包括在内)由作者上传并发布,文章内容仅代表作者本人观点,简书系信息发布平台,仅提供信息存储服务。

推荐阅读更多精彩内容