OC源码分析之对象的创建

img_cover@1x.jpg

前言

想要成为一名iOS开发高手，免不了阅读源码。以下是笔者在OC源码探索中梳理的一个小系列——类与对象篇，欢迎大家阅读指正，同时也希望对大家有所帮助。

  1. OC源码分析之对象的创建
  2. OC源码分析之isa
  3. OC源码分析之类的结构解读
  4. OC源码分析之方法的缓存原理
  5. OC源码分析之方法的查找原理
  6. OC源码分析之方法的解析与转发原理

再前言：一个问题

进入主题之前，先请大家思考一下下面代码的输出

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface Person : NSObject

@end

@implementation Person

@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Person *p = [Person alloc];
        Person *p1 = [p init];
        Person *p2 = [p init];
        CCNSLog(@"p ==> %@", p);
        CCNSLog(@"p1 ==> %@", p1);
        CCNSLog(@"p2 ==> %@", p2);
    }
    return 0;
}

执行的结果是：

image

显而易见，对象p、p1、p2的内存地址一致，即这三者是同一个对象。那么问题来了，为什么这三个对象地址是一样的？alloc和init底层到底做了什么？带着这些问题，我们从源码的角度探索一下吧。

1. alloc源码分析

1.0 准备工作

  1. 从 苹果官方开源代码列表 找到 objc4源码。

笔者用的objc版本是（objc4-756.2源码），同时，XCode版本是Version 11.3 (11C29)。
源码版本和XCode版本不需要与笔者一致~

  1. 下载到本地后，需要对工程进行一番编译调试，具体步骤可参考 Cooci大佬 的博客
    iOS_objc4-756.2 最新源码编译调试。

  2. 编译通过后，就可以新建个target耍耍了。

image

博主已经把编译好的objc4-756.2项目传到 github 了，感兴趣的同学可以下载哈~

因为oc语言的runtime特性，我们并不能肯定入口一定是+alloc方法，也就是说首先需要找到真正的入口。

常用的代码跟踪方式：

  1. XCode菜单栏依次点击Debug->Debug Workflow->Always show Disassembly
  2. control + step into
  3. 下符号断点，如alloc

博主常用第一种，无他，手熟尔

1.1 objc_alloc——alloc的真正入口

给[Person alloc]加断点

image

此时，在XCode的菜单栏依次点击Debug->Debug Workflow->Always show Disassembly，得到汇编代码

image

不难发现，接下来会执行objc_alloc。源码如下图：

image

思考：为什么[Person alloc]会调用objc_alloc？（答案会在文末揭晓）

1.2 callAlloc分析——第一次的亲密接触

objc_alloc()内部调用callAlloc()，其源码为：

// Call [cls alloc] or [cls allocWithZone:nil], with appropriate 
// shortcutting optimizations.
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 summary
        if (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];
}

对callAlloc()的分析如下：

  1. slowpath(bool)与fastpath(bool)：常用于if-else，可以优化判断的速度。
// fastpath(x)：表示x为1（执行if代码块）的可能性更大
#define fastpath(x) (__builtin_expect(bool(x), 1))
// slowpath(x)：表示x为0（执行else代码块）的可能性更大
#define slowpath(x) (__builtin_expect(bool(x), 0))
  1. hasCustomAWZ()：意思是hasCustomAllocWithZone，即是否有重写类的+allocWithZone:方法，但是它的值并不能简单地这么判断！先看源码
bool hasCustomAWZ() {
    return ! bits.hasDefaultAWZ();
}

注意：hasCustomAWZ()的值问题

  • 类的+initialize:方法主要用于初始化静态变量。在其执行之前，hasDefaultAWZ()值为false，即hasCustomAWZ()为true；其执行之后，如果当前类重写了+allocWithZone:方法，hasCustomAWZ()为true，否则为false。
  • 类的+initialize:方法会在第一次初始化该类之前调用。当调用[cls alloc]时，会触发objc_msgSend，然后会执行+initialize:。（感兴趣的同学可以分别打印+alloc和+initialize:方法加以验证）

因此，当类第一次来到callAlloc()时，最终会执行[cls alloc]。

  1. canAllocFast()源码如下：
bool canAllocFast() {
    assert(!isFuture());
    return bits.canAllocFast();
}

再往底层找bits.canAllocFast()，发现关键宏FAST_ALLOC

#if FAST_ALLOC
    ...
    bool canAllocFast() {
        return bits & FAST_ALLOC;
    }
#else
    ...
    bool canAllocFast() {
        return false;
    }
#endif

继续深入，来到了FAST_ALLOC宏定义之处

#if !__LP64__   // 当前操作系统不是64位
...
#elif 1         // 当前操作系统是64位
...
#else
...
#define FAST_ALLOC              (1UL<<2)
...
#endif

从上面宏代码可以得出这样的结论，即无论当前操作系统是不是64位，都没有定义FAST_ALLOC，也就是说，canAllocFast()永远是false!

因此，如果hasCustomAWZ()为false时，会直接去到class_createInstance()。

1.3 alloc->_objc_rootAlloc->callAlloc->class_createInstance

通过对hasCustomAWZ()的分析，我们知道类的第一次初始化最终是走到callAlloc的最后，即return [cls alloc];

  1. 由于执行了[cls alloc]，这次真的来到alloc()方法了
+ (id)alloc {
    return _objc_rootAlloc(self);
}
  1. 接着是_objc_rootAlloc() 
// Base class implementation of +alloc. cls is not nil.
// Calls [cls allocWithZone:nil].
id
_objc_rootAlloc(Class cls)
{
    return callAlloc(cls, false/*checkNil*/, true/*allocWithZone*/);
}
  1. 然后是callAlloc()->class_createInstance()

再次来到callAlloc，此时hasCustomAWZ()的值取决于当前类是否重写了+allocWithZone:方法。

由于Person类没有重写，fastpath(!cls->ISA()->hasCustomAWZ())为true，而canAllocFast()永远为false。

因此，接下来会走到class_createInstance()，其源码如下：

id 
class_createInstance(Class cls, size_t extraBytes)
{
    return _class_createInstanceFromZone(cls, extraBytes, nil);
}

1.4 _class_createInstanceFromZone

顾名思义，这是要创建对象！但是，alloc的时候就创建对象？？？现在，我们暂时把疑问放下，先分析一下源码：

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());

    // 一次读取类的信息位以提高性能
    bool hasCxxCtor = cls->hasCxxCtor();    // 是否有构造函数
    bool hasCxxDtor = cls->hasCxxDtor();    // 是否有析构函数
    bool fast = cls->canAllocNonpointer();
    
    // 计算内存
    size_t size = cls->instanceSize(extraBytes);
    if (outAllocatedSize) *outAllocatedSize = size;

    id obj;
    if (!zone  &&  fast) {
        // 分配1块大小为size的连续内存
        obj = (id)calloc(1, size);
        if (!obj) return nil;
        // 初始化对象的isa
        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;
}

对_class_createInstanceFromZone()的分析如下：

  1. cls->instanceSize(extraBytes)计算内存，此时的extraBytes是0，其源码是
// 1.
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;
}

// 2.
uint32_t alignedInstanceSize() {
    return word_align(unalignedInstanceSize());
}

// 3. 字节对齐
static inline uint32_t word_align(uint32_t x) {
    return (x + WORD_MASK) & ~WORD_MASK;
}
static inline size_t word_align(size_t x) {
    return (x + WORD_MASK) & ~WORD_MASK;
}

// 4.
#ifdef __LP64__
#   define WORD_SHIFT 3UL
#   define WORD_MASK 7UL
#   define WORD_BITS 64
#else
#   define WORD_SHIFT 2UL
#   define WORD_MASK 3UL
#   define WORD_BITS 32
#endif

可见，WORD_MASK在64位系统下是7，否则是3，因此，word_align()在64位系统下是8字节对齐，否则是4字节对齐。

同时，instanceSize()函数又对内存大小又进行了最小16字节的限制。

  1. canAllocNonpointer()是对isa的类型的区分，在 __OBJC2__ 中，如果一个类使用isa_t类型的isa的话，fast就是true；而在__OBJC2__中，zone会被忽略，所以!zone也是true；

综上，接着就是calloc()和initInstanceIsa()。

  1. calloc()的底层源码是在 苹果开源的libmalloc
    中，经过断点跟踪，发现calloc分配的内存大小受segregated_size_to_fit()影响，看下面源码：
static MALLOC_INLINE size_t
segregated_size_to_fit(nanozone_t *nanozone, size_t size, size_t *pKey)
{
    size_t k, slot_bytes;

    if (0 == size) {
        // Historical behavior
        size = NANO_REGIME_QUANTA_SIZE;
    }
    // round up and shift for number of quanta
    k = (size + NANO_REGIME_QUANTA_SIZE - 1) >> SHIFT_NANO_QUANTUM; 
    // multiply by power of two quanta size
    slot_bytes = k << SHIFT_NANO_QUANTUM;                           
    // Zero-based!
    *pKey = k - 1;                                                  

    return slot_bytes;
}

#define SHIFT_NANO_QUANTUM      4
#define NANO_REGIME_QUANTA_SIZE     (1 << SHIFT_NANO_QUANTUM)   // 16

从代码可以看出，slot_bytes相当于(size + 16-1) >> 4 << 4，也就是16字节对齐，因此calloc()分配的内存大小必然是16字节的整数倍。

  1. initInstanceIsa()就是初始化isa，并且关联cls。
isa 是 objc 类结构中极其重要的一环，关于它的结构、初始化过程、继承关系等内容，博主会另起一篇文章讲述，敬请期待。

从上面的代码可以看出，_class_createInstanceFromZone()做了很多事情，并且最终确实创建了对象，几乎干了所有事情，那么，init又到底做了什么呢？请接着看下去。

2. init和new

1. init 

- (id)init {
    return _objc_rootInit(self);
}

id
_objc_rootInit(id obj)
{
    // In practice, it will be hard to rely on this function.
    // Many classes do not properly chain -init calls.
    return obj;
}

非常简单，init仅仅是将alloc创建的对象返回。为什么这样设计呢？其实并不难理解，在平时的开发中，我们常常会根据业务需求重写init，进行一些自定义的配置。

NSObject的init是一种工厂设计方案，方便子类重写。

2. new

我们再看看new

+ (id)new {
    return [callAlloc(self, false/*checkNil*/) init];
}

很明显，new相当于alloc+init。

3. 总结

关于alloc、init以及new的源码分析就到这了。在alloc的过程中，callAlloc和_class_createInstanceFromZone这两个函数是重点。

以上源码流程分析，是建立在objc4-756.2源码的基础上的，756.2是目前最新的版本。

下面用流程图总结一下alloc创建对象的过程

image

4. 结束语

以上就是OC对象源码创建的全部内容了。回首整个过程，有顺利也有坎坷，总体比较烧脑，但是经过alloc这一条龙服务后，仿佛完成了某项重任，身心无比愉悦。

OC源码分析之路，必将是荣誉之路，希望大家且行且珍惜，你我共勉！

补充

  1. Q：思考：为什么[Person alloc]会调用objc_alloc？
    A：项目编译的时候，会读取镜像文件，在_read_images()函数中，有这样一段代码：
void _read_images(...)
{
...
#if SUPPORT_FIXUP
    // Fix up old objc_msgSend_fixup call sites
    for (EACH_HEADER) {
        message_ref_t *refs = _getObjc2MessageRefs(hi, &count);
        if (count == 0) continue;
        ...
        for (i = 0; i < count; i++) {
            fixupMessageRef(refs+i);
        }
    }
    ts.log("IMAGE TIMES: fix up objc_msgSend_fixup");
#endif
...
}

而在fixupMessageRef()中，有对SEL_alloc进行IMP的修复绑定

static void 
fixupMessageRef(message_ref_t *msg)
{    
    msg->sel = sel_registerName((const char *)msg->sel);

    if (msg->imp == &objc_msgSend_fixup) { 
        if (msg->sel == SEL_alloc) {
            msg->imp = (IMP)&objc_alloc;
        } else if (msg->sel == SEL_allocWithZone) {
            msg->imp = (IMP)&objc_allocWithZone;
        } else if (msg->sel == SEL_retain) {
            msg->imp = (IMP)&objc_retain;
        } else if (msg->sel == SEL_release) {
            msg->imp = (IMP)&objc_release;
        } else if (msg->sel == SEL_autorelease) {
            msg->imp = (IMP)&objc_autorelease;
        } else {
            msg->imp = &objc_msgSend_fixedup;
        }
    } 
...
}

通过[Person alloc]调用的是objc_alloc()这个既定事实，我们可以猜测，在项目编译生成Mach-O文件期间，形成了SEL_alloc与objc_alloc的对应关系。

大家可以将编译生成的Mach-O文件拖到MachOView中，验证一下，看看能否找到objc_alloc

image

最后的问题

  1. 下面的两次alloc，底层流程区别？如果Person类重写了+allocWithZone:呢？
Person *p1 = [Person alloc];
Person *p2 = [Person alloc];

大家可以自己试试，通过比较会帮助大家理解记忆alloc的流程。

PS

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