Objective-C 底层对象探究-上

2021-06-15 本文已影响0人赵欣Tommy

1. 背景

对iOS对象alloc方法进行了详细研究，目的是为了了解对象底层的本质、和对象在内存中的结构。如果你也有同样的兴趣？不要怀疑的阅读下去吧！~

2. 底层探索的三个方法

通过符号断点：

首先我们将断点打到 ZXPerson *p1 = [ZXPerson alloc];这段代码来已此作为我们探索的入口。
开始编译运行之后我们来到断点，通过按住control点击Setp into之后，我们会进入到汇编页面。

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在汇编顶部显示的alloc_test`objc_alloc那么我们就清楚alloc之后是调用的 objc_alloc这个函数，紧接着我们进行对这个函数添加符号断点继续调试。
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点击continue继续跟踪，发现新添加的符号断点已经断住了，我们从汇编界面分析在调用objc_alloc之后，会调用一个叫做_objc_rootAllocWithZone的函数，最后会调用一个objc_msgSend的函数发送消息，而后就完成了alloc的流程。
通过汇编：

首先我们先通过Xcode设置开启汇编显示功能，Debug > DebugWorkFlow >Always show Disassembly 之后运行。

图片.png 这时候我们看到红框标示的那段语句，从后面的提示我们就可以得知，这段代码实际就是调用了objc_alloc的方法了。后续我们再根据objc_alloc增加符号断点即可。
ps:这里分享点汇编的小知识我们看到的bl这个指令是属于 ARM 架构的汇编语法，他的功能是跳转到 0x104182564 这个地址去执行相关程序，并且把他下一步执行的地址0x1041821fc保存到 lr寄存器(又可以叫做x30寄存器) 中以便在objc_alloc执行ret命令之后可以回来继续往下执行
通过符号断点快速定位：

最后一种方法最暴力，当断点执行到ZXPerson *p1 = [ZXPerson alloc];时，我们直接添加alloc的符号断点即可马上定位。
那么，到此我们3中探索的方法就结束完了。

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3. 如何进行源码调试

当我们知道探索方法以及入口之后，我们怎么能有效的进行代码跟踪呢？如果是下载源码进行静态分析显然让人觉得不是那么爽，如果可以做到就跟调试我们自己编写的程序一样那就太完美了吧。是否真的能实现呢？答案当时是可行的，下面我们就来搞起！

首先我们现需要去苹果开源网站去下载源码，根据我们上面探索的结果发现alloc的底层都是由objc来负责的，所以我们需要的就是objc4-818.2的源码。但是！当你兴冲冲的下载完毕打开项目并且编译时，你就发现根本编译不通过会有很多错误。怎么办？

方案一：大家可以参考这个文章来进行处理解决。解决源码顺利编译方法步骤
方案二(推荐)：就是直接拿人家编译好的下载即可。最新macOS源码编译开源项目
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图片.png 以上都准备好之后我们来打开项目，我们创建一个target选择命令行工具。
图片.png 创建完成之后，将我们之前的ZXPerson拷贝到target目录下面。
图片.png 在图片.png ps：注意这里有一个坑点，就是在 Build Phases的 Compile Sources下把 main.m 文件夺挪到第一位来，要不可能不会触发断点，我不知道是不是我的Xcode(v12.5)问题，大家可以试一下
main.m文件里编写ZXPerson初始化的代码，同时加上断点。图片.png 最后，在新建的target的build Settings 中搜索runtime ，找到Enable Hardened Runtime选项，将其改为NO；然后继续在Build Phases 的Dependencies中引入objc库。图片.png 图片.png 接着激动人心的时刻来了，选则好target运行即可。当触发断点时点击Step into可以继续跟踪时我们就大功告成了！
图片.png 图片.png 图片.png 到这里咱们已经具备进行源码调试的能力了，下面就可以探索一下alloc的主线流程啦。
ps：注意有一个调试技巧，每次想跟踪对象时，先把除 ZXPerson *p1 = [ZXPerson alloc]; 之外的断点关闭，等断点断在 ZXPerson *p1 = [ZXPerson alloc]; 时，再把相关的断点打开，否则会有其他对象触发断点，而就不是我们想追踪的 ZXPerson 对象了。

4. 编译器的优化（LLVM优化）

这部分内容我只想简单的描述一下，不想做过多的解释，因为这个知识点我们平时并不需要特别关注，只要理解原理即可。

原理：
当我们编写完Objective-C程序完成编译之后，最终都会以汇编形式进行执行，那么在这个编译过程中，编译器(LLVM)会对我们的代码进行优化处理，具体他会根据程序来缩减、删除、简化等方式进行处理，例如：我们定义了一个变量 NSString *str 但是并没有使用它，虽然这个变量是存在于我们的程序代码中的，但是最终编辑器会将这段代码进行删除，这个过程就是编译器的优化，大家只用理解这个概念即可。
在Xcode中控制优化等级：
在Build Settings中搜索optimi回到看到一个Optimization Level选项后面就是可以调整优化级别例如：图片.png 图片.png
这时我们会发现，当处于Release时默认就是最快且最小模式，而在Debug模式下就是默认不优化的状态。图片.png

5. alloc的主线流程

第一步：我们先来到了objc_alloc方法，通过名称我们大致可以猜到，通过[cls alloc]方式alloc对象时，都应该先走到这里。
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第二步：第二步：来的allAlloc方法，这个方法有几个分支我们先不用管，先把分支打上断点，通过断点我们发现这里直接走到最后return语句，这段话通过objc_msgSend方法向cls类的alloc方法发送消息。
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第三步：我们来到alloc这个只是过渡方法直接无视继续往下。
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第四步：来到objc_rootAlloc方法，还是过渡方法直接无视继续往下。
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第五步：又来到了allAlloc方法，这次进入了objc_rootAllocWithZone方法。
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第七步：又是一个过渡方法直接无视。图片.png

第五步：进入class_createInstanceFromZone方法，我们先通过这个方法返回值来分析，通过查看我们发现返回的是一个叫obj变量，在往上查找就看到了obj变量的初始化代码，我们可以整体的分析出来大致的逻辑，首先通过instanceSize来得到对象在内存所需的大小；然后对obj对象重新分配内存空间，这个obj对象可以理解成是一个空对象，它本身并没有说明含义，因为我们alloc的是ZXPerson类的对象，所以还需要将obj与ZXPerson类建立绑定关系，而来联系这层关系的就是我们熟悉的Isa。后面hasCxxDtor是将C++的相关功能也赋值给这个obj。图片.png 图片.png
说了这么多我们一起来验证一下obj对象的变化，直接上图更直观。图片.png 图片.png 图片.png 通过LLDB调试我们分别打印了obj在内存里面的变化。
最后返回obj 图片.png
最后附上一个流程图：图片.png

6. 对象在内存中的结构

一个类的实例在创建之后不添加任何代码的情况下，在内存中占用的大小是8字节，为什么是8字节呢？因为实例对象在内存结构中存放在第一位的是Isa指针，而指针的大小就是占用8字节。我们可以通过增加断点进行验证；图片.png 如上图，我们可以再左侧实例对象中观察到Isa的指针地址为0x011d8001000080e9，然后我们利用LLDB在右侧输入x zxp（显示 zxp 指针的内存情况），等待打印出结果后我们就会看到，首个8字节的地址，因为iOS属于小端模式所以在读取内存时是从右往左读，我们可以p 0x011d8001000080e9打印一下看看是否会显示Isa的内容，结果出来之后并没有跟我预想的一样，原因是需要&上ISA_MASK，为什么需要&上ISA_MASK？ISA_MASK值是什么？带着这两个问题我们一起来寻找答案。
我们从alloc流程中已经得知，与初始化Isa相关的事情都是在_class_createInstanceFromZone()函数中实现的，那么我直接来到改函数的initInstanceIsa()方法，然后跟进查看一下；图片.png 跟进之后发现了叫initIsa()方法，继续前进。图片.png 到这里我们看到了程序再给一个叫newisa的对象赋值，而这个对象的类型是isa_t,我们都知道Isa指向的是该对象的类信息，这里已经明显的有setClass()的方法，我们只需看看是否有getClass方法？该方法中是否有我们想找的东西。图片.png 继续跟踪isa_t，果然发现了getClass方法，继续跟进查到了clsbits &= ISA_MASK通过上面的注释，大致猜到是MASK是一个掩码，目的是为了屏蔽除了类指针与签名之外的一些东西。那么我们再看一下ISA_MASK内容是什么？图片.png 图片.png 通过搜索我们找到了。我这里因为是非ram64架构的，所以匹配到了这个0x0000000ffffffff8ULL 图片.png 最后我们来验证一下！果然打印的是Isa指针指向的类图片.png
刚才我们是在不添加任何代码的情况下，现在我们增加几个属性变量看一下内存的变化；然后我们这回用过x/4gx zxp方式对打印进行格式化（每隔4段以16进制的数据进行展示）结果如下：图片.png 图片.png 图片.png 我们发现zxp对象第一个位置还是Isa，后面的数据分别存储了zxName、zxAge、zxSex、zxHieght，优化的部分不知道大家是否看出来了，zxAge、zxSex因为是int类型（占4字节）与char类型（占1字节）所以共用了8字节的空间,这就是内存对齐（有关内存对齐的内容我会在下一篇中介绍）。下面我们分别来验证一下：图片.png
结构示意图：图片.png