对象的底层探索(上)

我们每天进行alloc和init一个实例对象的时候,他们内部都发生了什么?让我们进行一个简单的探索。


通过alloc和init方式

打印对象地址发现是同一个地址

通过打印地址我们可以发现三者指向同一个地址,那么也就是alloc做了大部分的事情

通过汇编的方式进行查找

  • 汇编调试方法Debug-Debug WorkFlow - Always Show Disassembly打开汇编调试
  • 因为编译器对代码会有优化,编译器的优化等级可以在targets-Build Settings - Optimization Level下修改,None的优化登记并不代表编译器不会优化,只是说None的优化等级没有那么高而已
  • bl-跳转指令,函数调用
  • ret-函数的返回
  • ;-注释


    objc_alloc

    因为要探究alloc内部的实现,所以要添加symbolic BreakPoint "+[NSObject alloc]"


    _objc_rootAlloc

    _objc_rootAllocWithZone-objc_msgSend

通过源码调试探索底层实现:

objc4-838.1(提取码: 3p41 )

objc_alloc

callAlloc-objc_msgSend
alloc
_objc_rootAlloc

_objc_rootAllocWithZone

此时callAlloc执行了两次,方法内部执行了objc_msgSend查找alloc方法,第二次执行_objc_rootAllocWithZone,fastpath(!cls->ISA()->hasCustomAWZ())这个判断判断了cls是否被初始化以及是否自定义了allocWithZone方法,条件不成立才会执行objc_msgSend,继续执行


_class_createInstanceFromZone
_class_createInstanceFromZone

由图所示,alloc方法创建对象最终由_class_createInstanceFromZone创建,最终流程图如下


alloc内部执行的方法

calloc内存申请

cls->instanceSize

instanceSize

从图中,可以看出,通过alloc创建出来的对象,最小的大小是16字节
有缓存时16字节对齐


image.png

无缓存时8字节对齐


image.png
word_align

由上图的算法得知,iOS在64位操作系统下创建对象开辟的内存是以8字节对齐的,32位下是以4字节对齐,如果有缓存时则以16字节对齐,那么问题来了,创建的对象的内存到底是多大?返回到_class_createInstanceFromZone,发现size = cls->instanceSize(extraBytes);只是计算对象开辟需要的内存大小,系统实际分配的内存大小是calloc函数,calloc函数16字节对齐


_class_createInstanceFromZone

因此,在计算对象需要的内存使用的是8字节对齐,实际分配内存使用的是16字节对齐。继续探索_class_createInstanceFromZone:


_class_createInstanceFromZone

obj->initInstanceIsa方法做了一个操作,把calloc返回的内存地址关联到相应的类,_class_createInstanceFromZone主要做了下面几个操作:


_class_createInstanceFromZone主要做了什么

对象的本质

对象的本质是一个objc_object结构体,结构体内存储的是isa指针+成员变量的值

  • 为什么字节对齐,因为cpu读取内存时,是用“块”位单位来读取的,如果不对齐的话,频繁读取内存,需要花费大量的精力去计算要读取多少字节,造成cpu效率低下,所以用字节对齐来提高效率
  • 为什么对象内部的成员是8字节对齐,系统分配以16字节对齐 。以空间换取时间。每个对象都有一个isa指针,占据8字节,也就是说,每个对象至少占据8字节的内存,以16字节为一块,保证了cpu在读取的时候,直接按块读取,效率更高,不容易混乱。

结构体的字节对齐方式

对象的本质就是结构体,那么来看一下结构体的内存对齐是什么规则
首先定义三个如下结构体


image.png

打印结果如下:


image.png

结合打印结果和结构体的定义,我们发现结构体变量的位置和类型的不同都会对结构体占用的内存大小产生影响,结构体的内存对齐规则如下:

结构体内存对齐的规则
1:数据成员对齐规则:结构体(struct)的第一个数据成员放在offset为>0的地方,以后每个数据成员存储的起始位置要从该成员大小或者成员>的子成员大小的整数倍开始(比如int位4字节,则要从4的整数倍地址开始存储)
2:结构体作为成员:如果一个结构体里有某些结构体成员,则结构体成员要从其内部最大元素大小的整数倍地址开始存储。(struct a里存有struct b,b里有char,int ,double等元素,那b应该从8的整数倍开始存储)。
3:收尾工作:结构体的总大小,也就是sizeof的结果必须是其内部最大成员的整数倍,不足的要补齐

按照规则,我们计算一下如上结构体的内存占用


结构体内存占用

结论

  • alloc流程:alloc->objc_alloc->callAlloc->objc_msgSend->alloc->_objc_rootAlloc->callAlloc->_objc_rootAllocWithZone->_class_createInstanceFromZone
  • 在计算对象需要的内存使用的是8字节对齐,实际分配内存使用的是16字节对齐。内存存储和读取按照字节对齐是为了提高CPU的效率。
  • 对象的本质就是结构体,结构体内部存储的是isa指针和变量的值。结构体元素的位置和类型的不同都会对占用的内存大小产生影响,结构体的内存对齐有自己的规则。
  • 八字节对齐,存储的是以8字节存储
    算法1:(x+7)& ~7
    算法二:(x+7)>> 3<<3
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