alloc & init & new 源码分析

2020-11-12  本文已影响0人  神奇的小胖子

ios底层原理 02：alloc & init & new 源码分析

在分析源码之前，先看看这三个变量的内存地址和指针的区别：


截屏2020-11-12 07.12.40.png

分别输出3个对象的内容、内存地址、内存指针下图是打印结果：

截屏2020-11-12 07.12.27.png

结论：通过上图可以看出，3个对象指向的是用一片内存空间，所以其内容和内存地址是相同的，但是对象的指针是不同的。

%p->&p1：是对象指针的地址
%p->%p1：是对象指针指向的内存地址
这就是本文即将探索的内容，alloc做了什么，init做了什么？

准备工作

源码探索

alloc + init整体探索流程如下：


2251862-5cd87fac98b952fc.png

【第一步】首先根据main函数中的LGPerson的alloc方法进入alloc的源码实现（即源码分析开始）

//alloc源码分析-第一步
+ (id)alloc {
    return _objc_rootAlloc(self);
}

//alloc源码分析-第二步
id
_objc_rootAlloc(Class cls)
{
    return callAlloc(cls, false/*checkNil*/, true/*allocWithZone*/);
}

static ALWAYS_INLINE id
callAlloc(Class cls, bool checkNil, bool allocWithZone=false)// alloc 源码 第三步
{
#if __OBJC2__ //有可用的编译器优化
    /*
     参考链接：https://www.jianshu.com/p/536824702ab6
     */
    
    // checkNil 为false，!cls 也为false ，所以slowpath 为 false，假值判断不会走到if里面，即不会返回nil
    if (slowpath(checkNil && !cls)) return nil;
    
    //判断一个类是否有自定义的 +allocWithZone 实现，没有则走到if里面的实现
    if (fastpath(!cls->ISA()->hasCustomAWZ())) {
        return _objc_rootAllocWithZone(cls, nil);
    }
#endif

    // No shortcuts available. // 没有可用的编译器优化
    if (allocWithZone) {
        return ((id(*)(id, SEL, struct _NSZone *))objc_msgSend)(cls, @selector(allocWithZone:), nil);
    }
    return ((id(*)(id, SEL))objc_msgSend)(cls, @selector(alloc));
}

如上所示，在calloc方法中，当我们无法确定实现走到哪步时，可以通过断点调试，判断执行走哪部分逻辑。这里是执行到_objc_rootAllocWithZone

slowpath & fastpath

其中关于slowpath和fastpath这里需要简要说明下，这两个都是objc源码中定义的宏，其定义如下

//x很可能为真， fastpath 可以简称为 真值判断
#define fastpath(x) (__builtin_expect(bool(x), 1)) 
//x很可能为假，slowpath 可以简称为 假值判断
#define slowpath(x) (__builtin_expect(bool(x), 0))

其中的__builtin_expect指令是由gcc引入的，
1、目的：编译器可以对代码进行优化，以减少指令跳转带来的性能下降。即性能优化
2、作用：允许程序员将最有可能执行的分支告诉编译器。
3、指令的写法为：__builtin_expect(EXP, N)。表示EXP==N的概率很大。
4、fastpath定义中__builtin_expect((x),1)表示 x 的值为真的可能性更大；即 执行if 里面语句的机会更大
5、slowpath定义中的__builtin_expect((x),0)表示x 的值为假的可能性更大。即执行 else 里面语句的机会更大
6、在日常的开发中，也可以通过设置来优化编译器，达到性能优化的目的，设置的路径为：Build Setting --> Optimization Level --> Debug --> 将None 改为 fastest 或者 smallest

cls->ISA()->hasCustomAWZ()
其中fastpath中的 cls->ISA()->hasCustomAWZ()表示判断一个类是否有自定义的 +allocWithZone 实现，这里通过断点调试，是没有自定义的实现，所以会执行到 if 里面的代码，即走到_objc_rootAllocWithZone

id
_objc_rootAllocWithZone(Class cls, malloc_zone_t *zone __unused)// alloc 源码 第四步
{
    // allocWithZone under __OBJC2__ ignores the zone parameter
    //zone 参数不再使用 类创建实例内存空间
    return _class_createInstanceFromZone(cls, 0, nil,
                                         OBJECT_CONSTRUCT_CALL_BADALLOC);
}

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)// alloc 源码 第五步
{
    ASSERT(cls->isRealized()); //检查是否已经实现

    // Read class's info bits all at once for performance
    //一次性读取类的位信息以提高性能
    bool hasCxxCtor = cxxConstruct && cls->hasCxxCtor();
    bool hasCxxDtor = cls->hasCxxDtor();
    bool fast = cls->canAllocNonpointer();
    size_t size;

    //计算需要开辟的内存大小，传入的extraBytes 为 0
    size = cls->instanceSize(extraBytes);
    if (outAllocatedSize) *outAllocatedSize = size;

    id obj;
    if (zone) {
        obj = (id)malloc_zone_calloc((malloc_zone_t *)zone, 1, size);
    } else {
        //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;
    }

    if (!zone && fast) {
        //将 cls类 与 obj指针（即isa） 关联
        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);
}

根据源码分析，得出其实现流程图如下所示：


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alloc 核心操作
核心操作都位于calloc方法中

**cls->instanceSize：计算所需内存大小
**
计算需要开辟内存的大小的执行流程如下所示:


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size_t instanceSize(size_t extraBytes) const {
    //编译器快速计算内存大小
    if (fastpath(cache.hasFastInstanceSize(extraBytes))) {
        return cache.fastInstanceSize(extraBytes);
    }
    
    // 计算类中所有属性的大小 + 额外的字节数0
    size_t size = alignedInstanceSize() + extraBytes;
    // CF requires all objects be at least 16 bytes.
    //如果size 小于 16，最小取16
    if (size < 16) size = 16;
    return size;
}

通过断点调试，会执行到cache.fastInstanceSize方法，快速计算内存大小

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

    //Gcc的内建函数 __builtin_constant_p 用于判断一个值是否为编译时常数，如果参数EXP 的值是常数，函数返回 1，否则返回 0
    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
        //删除由setFastInstanceSize添加的FAST_CACHE_ALLOC_DELTA16 8个字节
        return align16(size + extra - FAST_CACHE_ALLOC_DELTA16);
    }
}

//16字节对齐算法
static inline size_t align16(size_t x) {
    return (x + size_t(15)) & ~size_t(15);
}
内存字节对齐原则
为什么需要16字节对齐

需要字节对齐的原因，有以下几点：

字节对齐-总结

calloc：申请内存，返回地址指针

通过instanceSize计算的内存大小，向内存中申请 大小 为 size的内存，并赋值给obj，因此 obj是指向内存地址的指针

obj = (id)calloc(1, size);

这里我们可以通过断点来印证上述的说法，在未执行calloc时，po obj为nil，执行后，再po obj发现，返回了一个16进制的地址

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在平常的开发中，一般一个对象的打印的格式都是类似于这样的<LGPerson: 0x01111111f>（是一个指针）。为什么这里不是呢？

obj->initInstanceIsa：类与isa关联

经过calloc可知，内存已经申请好了，类也已经传入进来了，接下来就需要将 类与 地址指针 即isa指针进行关联，其关联的流程图如下所示


2251862-24fec93b412fa841.png

主要过程就是初始化一个isa指针，并将isa指针指向申请的内存地址，在将指针与cls类进行 关联
同样也可以通过断点调试来印证上面的说法，在执行完initInstanceIsa后，在通过po obj可以得出一个对象指针

2251862-1a4c4c6e7f02ad57.png

总结

通过对alloc源码的分析，可以得知alloc的主要目的就是开辟内存，而且开辟的内存需要使用16字节对齐算法，现在开辟的内存的大小基本上都是16的整数倍
开辟内存的核心步骤有3步：计算 -- 申请 -- 关联

init 源码探索

alloc源码探索完了，接下来探索init源码，通过源码可知，inti的源码实现有以下两种

类方法 init

+ (id)init {
    return (id)self;
}

这里的init是一个构造方法 ，是通过工厂设计（工厂方法模式）,主要是用于给用户提供构造方法入口。这里能使用id强转的原因，主要还是因为 内存字节对齐后，可以使用类型强转为你所需的类型

实例方法 init

LGPerson *objc = [[LGPerson alloc] 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;
}

有上述代码可以，返回的是传入的self本身。

new 源码探索

一般在开发中，初始化除了init，还可以使用new，两者本质上并没有什么区别，以下是objc中new的源码实现，通过源码可以得知，new函数中直接调用了callAlloc函数（即alloc中分析的函数），且调用了init函数，所以可以得出new 其实就等价于 [alloc init]的结论
但是一般开发中并不建议使用new，主要是因为有时会重写init方法做一些自定义的操作，例如 initWithXXX，会在这个方法中调用[super init]，用new初始化可能会无法走到自定义的initWithXXX部分。
例如，在ZCPerson中有两个初始化方法，一个是重写的父类的init，一个是自定义的initWithXXX方法，如下图所示

截屏2020-11-12 08.39.46.png

总结

补充

【问题】为什么无法断点到obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor);？
主要是因为断点断住的不是 自定义类的流程，而是系统级别的

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