iOS 底层原理 alloc&init&new

2020-09-09 本文已影响0人 jokerlee

前言

alloc&init&new都分别做了什么
我们在开发的过程当中知道是通过这些方法初始化实例但是并没有关注或研究过他们内部是怎么实现的

准备工具

正文

首先来看一段代码

Person *p1 = [Person alloc];
Person *p2 = [p1 init];
Person *p3 = [p1 init];
    
NSLog(@"%@-%p-%p",p1,p1,&p1);
NSLog(@"%@-%p-%p",p2,p2,&p2);
NSLog(@"%@-%p-%p",p3,p3,&p3);

打印的东西为对象,指针地址,对象地址
输出结果

15995807103349.jpg

可以发现输出对象的地址是一样
证明他们指向的是同一块内存地址

alloc原理

接下来我们通过断点去查看具体实现

15995814805191.jpg

接下来通过

15995812344464.jpg

输入alloc

15995815122073.jpg

点击下一个

15995815395519.jpg

确定到调用的那个库

15995815980761.jpg

调用的这个方法
_objc_rootAlloc
好我们接下来去下载对应的源码

接下我们一步一步的分析

1.alloc
这个我们可以看到里边就调用了一个_objc_rootAlloc方法

  + (id)alloc {
    return _objc_rootAlloc(self);
    }

2.跳转至_objc_rootAlloc
其中调用callAlloc

id
_objc_rootAlloc(Class cls)
{
    return callAlloc(cls, false/*checkNil*/, true/*allocWithZone*/);
}

3.跳转至callAlloc
其中关于 slowpath & fastpath 这里简要说明一下其实他们都是objc源码当中定义的宏

/////x很可能为真， fastpath 可以简称为 
真值判断 其实就是表示这个判断很可能为真 或者表达式成立 
#define fastpath(x) (__builtin_expect(bool(x), 1))
///x很可能为假，slowpath 可以简称为
假值判断 其实就是表示这个判断很可能为假 或者表达式不成立
#define slowpath(x) (__builtin_expect(bool(x), 0))

// Call [cls alloc] or [cls allocWithZone:nil], with appropriate 
// shortcutting optimizations.
static ALWAYS_INLINE id
callAlloc(Class cls, bool checkNil, bool allocWithZone=false)
{
#if __OBJC2__
    if (slowpath(checkNil && !cls)) return nil;
    if (fastpath(!cls->ISA()->hasCustomAWZ())) {
        return _objc_rootAllocWithZone(cls, nil);
    }
#endif

    // No shortcuts available.
    if (allocWithZone) {
        return ((id(*)(id, SEL, struct _NSZone *))objc_msgSend)(cls, @selector(allocWithZone:), nil);
    }
    return ((id(*)(id, SEL))objc_msgSend)(cls, @selector(alloc));
}

其中cls->ISA()->hasCustomAWZ()
是判断一个类是否+allocWithZone实现
因为这里是模拟器调试所以会执行_objc_rootAllocWithZone

5跳转至_objc_rootAllocWithZone

  NEVER_INLINE
id
_objc_rootAllocWithZone(Class cls, malloc_zone_t *zone __unused)
{
    // allocWithZone under __OBJC2__ ignores the zone parameter
    return _class_createInstanceFromZone(cls, 0, nil,
                                         OBJECT_CONSTRUCT_CALL_BADALLOC);
}

6跳转至_class_createInstanceFromZone实现

/***********************************************************************
* class_createInstance
* fixme
* Locking: none
*
* Note: this function has been carefully written so that the fastpath
* takes no branch.
**********************************************************************/
static ALWAYS_INLINE id
_class_createInstanceFromZone(Class cls, size_t extraBytes, void *zone,
                              int construct_flags = OBJECT_CONSTRUCT_NONE,
                              bool cxxConstruct = true,
                              size_t *outAllocatedSize = nil)
{
    ASSERT(cls->isRealized());

    // Read class's info bits all at once for performance
    bool hasCxxCtor = cxxConstruct && cls->hasCxxCtor();
    bool hasCxxDtor = cls->hasCxxDtor();
    bool fast = cls->canAllocNonpointer();
    size_t size;
    // 1:要开辟多少内存
    size = cls->instanceSize(extraBytes);
    if (outAllocatedSize) *outAllocatedSize = size;

    id obj;
    if (zone) {
        obj = (id)malloc_zone_calloc((malloc_zone_t *)zone, 1, size);
    } else {
        // 2;怎么去申请内存
        obj = (id)calloc(1, size);
    }
    if (slowpath(!obj)) {
        if (construct_flags & OBJECT_CONSTRUCT_CALL_BADALLOC) {
            return _objc_callBadAllocHandler(cls);
        }
        return nil;
    }

    // 3: ?
    if (!zone && fast) {
        obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor);
    } else {
        // Use raw pointer isa on the assumption that they might be
        // doing something weird with the zone or RR.
        obj->initIsa(cls);
    }

    if (fastpath(!hasCxxCtor)) {
        return obj;
    }

    construct_flags |= OBJECT_CONSTRUCT_FREE_ONFAILURE;
    return object_cxxConstructFromClass(obj, cls, construct_flags);
}

该方法总结为3部分
1.cls->instanceSize(extraBytes)计算要开辟的内存以16字节对其
2.(id)calloc(1, size) 开辟内存
3.obj->initIsa(cls) isa与类关联初始化isa

根据源码总结得出大致调用流程

15995833504303.jpg

根据上边调用路程分析得出有3个方法比较重要
1.cls->instanceSize 计算内存大小

size_t instanceSize(size_t extraBytes) const {
        if (fastpath(cache.hasFastInstanceSize(extraBytes))) {
            return cache.fastInstanceSize(extraBytes);
        }

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

流程如下

15995840879417.jpg

fastInstanceSize 方法实现
会跳之align16计算内存大小

size_t fastInstanceSize(size_t extra) const
    {
        ASSERT(hasFastInstanceSize(extra));

        if (__builtin_constant_p(extra) && extra == 0) {
            return _flags & FAST_CACHE_ALLOC_MASK16;
        } else {
            size_t size = _flags & FAST_CACHE_ALLOC_MASK;
            // remove the FAST_CACHE_ALLOC_DELTA16 that was added
            // by setFastInstanceSize
            return align16(size + extra - FAST_CACHE_ALLOC_DELTA16);
        }
    }

alignedInstanceSize
会跳转至word_align

// Class's ivar size rounded up to a pointer-size boundary.
    uint32_t alignedInstanceSize() const {
        return word_align(unalignedInstanceSize());
    }

align16
16字节内存对齐方法


static inline size_t align16(size_t x) {
    return (x + size_t(15)) & ~size_t(15);
}

下边以align16(7)为例

带入公式
22 & ~ 15

0000 0000 0001 0110 //22

0000 0000 0000 1111 //15 
1111 1111 1111 0000 //取反

0000 0000 0001 0110 & 1111 1111 1111 0000

0000 0000 0001 0000 //16 最后得到结果16

首先将 7 + 15 = 22
再将15取反得到 1111 1111 1111 0000
最后将两个结果进行&操作规则是 1^1=1 其他都是=0得到最后结果为 16

内存对齐的原因有

1.通常内存是由一个个字节组成的，cpu在存取数据时，并不是以字节为单位存储，而是以块为单位存取，块的大小为内存存取力度。频繁存取字节未对齐的数据，会极大降低cpu的性能，所以可以通过减少存取次数来降低cpu的开销

2.calloc申请内存返回指针地址
这里我们可以通过断点来印证这一点

2251862-b9a30d37e76a428a.png

这里我们可以看到断点之前是 nil
断点之后返回一个16进制地址

3.obj->initInstanceIsa 类与isa 进行关联
内存也有了接下来就是该将内存与isa进行关联
这里也可以通过断点来进行验证
在obj->initInstanceIsa函数调用之后我们可以得到一个结果如下图

2251862-1a4c4c6e7f02ad57.png

总结

通过对alloc源码的分析得出 alloc主要的作用就是开辟内存通过16字节对齐
主要步骤计算->开辟->关联

init原理

接下来按照上边alloc的调试方法断点跟进去得到如下两个方法

// Replaced by CF (throws an NSException)
+ (id)init {
    return (id)self;
}

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

跳转至_objc_rootInit

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;
}

可以得到结果是返回自己也就self (id)
返回id类型方便强转

new原理

通过源码可以得到

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

看到这里我们应该就明白 new = alloc + init
在平常开发的过程当中也有用到new
验证

15996068675337.jpg

png

总结

new最后会调用到init 如果子类重写了init会先调用子类的init
如果子类没重写会掉用父类的init
如果使用我们alloc+自定义实现方法可以实现更多可能,相比new来说提供了拓展性更灵活