iOS-OC底层一:对象alloc的本质

2022-04-27  本文已影响0人  轰天裂天罗三炮

1.准备源码程序

源码分析alloc&init&new的流程,使用从github上下载的LGCooci的源码https://github.com/LGCooci/KCCbjc4_debug

因为设备限制,我是基于818的源码进行学习。

从github下载完成后,在KCObjcBuild所在的目录新建一个OC类命名为Person,Person类中什么都不写。

在main.m中写入如下代码:

#import "Person.h"

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);

选择target为KCObjcBuild,就可以运行了。


运行结果.png

指针在栈上开辟的地址,指针是int类型,64位机上大小为8字节没有问题。但是MAC上与iOS上开辟的顺序有一点区别,在iOS上P1、P2、P3的地址依次减小8;Mac上却是P1、P3、P2的顺序依次减小8。

执行的结果分析:

执行结果分析图解.png

那么alloc和init具体做了什么呢?

2.用源码分析alloc创建过程

2.1修复断点不走问题

Person *p1 = [Person alloc]那一行,打一个断点。运行,会出现断点无效。

如果遇到断点无效的问题,确保如下两步是正确的:

  1. Build PhasesCompile Sources中,将main.m拖到最前面
  2. 找到Targets -> Build Settings -> Enable Hardened Runtime,值置为NO

2.2跟踪源码

直接step into跟踪源码。

2.2.1先走NSObject.mm+ (id)alloc方法

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

2.2.2再走NSObject.mmid _objc_rootAlloc(Class cls)方法

// 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*/);
}

2.2.3再走NSObject.mmcallAlloc方法

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));
}

这个方法走的是上面那部分:

#if __OBJC2__
    if (slowpath(checkNil && !cls)) return nil;
    if (fastpath(!cls->ISA()->hasCustomAWZ())) {
        return _objc_rootAllocWithZone(cls, nil);
    }
#endif

objective-c2.0是2006年苹果发布版本,但是至此之后没有再重新命名objective-c3.0,虽然官方的源代码已经以OBJC4命名,但是项目中依然是OBJC2。

出于好奇,到底OBJC2是什么玩意。没有找到相关的宏定义。

看到代码中有如下一处#if !defined(__cplusplus) && !__OBJC2__,便打印一下这其中到底是什么值:

分析宏定义的值.png
__cplusplus定义编程语言和编译器之间的关系

199711L(until C++11), 201103L(C++11), 201402L(C++14), 201703L(C++17), or 202002L(C++20)

UNAVAILABLE_ATTRIBUTE:告知方法失效。

关于fastpathslowpath,虽然不重要,但是还是了解一下:

#define fastpath(x) (__builtin_expect(bool(x), 1))
#define slowpath(x) (__builtin_expect(bool(x), 0))

2.2.4再走objc-runtime-new.mm_objc_rootAllocWithZone方法

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);
}

2.2.5再走objc-runtime-new.mm_class_createInstanceFromZone方法

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;

    size = cls->instanceSize(extraBytes);
    if (outAllocatedSize) *outAllocatedSize = size;

    id obj;
    if (zone) {
        obj = (id)malloc_zone_calloc((malloc_zone_t *)zone, 1, size);
    } else {
        obj = (id)calloc(1, size);
    }
    if (slowpath(!obj)) {
        if (construct_flags & OBJECT_CONSTRUCT_CALL_BADALLOC) {
            return _objc_callBadAllocHandler(cls);
        }
        return nil;
    }

    if (!zone && fast) {
        obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor);//将内存空间与类关联
    } 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);
}

2.2.6 alloc重点方法分析

很明显_class_createInstanceFromZone是我们要重点研究的对象,首先思考:

对应在代码中

2.2.6.1 instanceSize分析

instanceSize方法在objc-runtime-new.h中,查看源码,断点调试

inline 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;
}

通过断点,会执行到cache.fastInstanceSize方法,快速计算内存大小。也就是执行cache.fastInstanceSize(extraBytes),继续跟进去:

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);
    }
}

跟进去后发现会走到第10行,align16(size + extra - FAST_CACHE_ALLOC_DELTA16);,继续往下跟:

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

align16是16字节对齐算法。

内存字节对齐原则

为什么需要16字节对齐

2.2.6.2 calloc:申请内存,返回匿名指针

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

2.2.6.3 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。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。

2.2.6.4 总结
alloc分配内存的流程图.png

2.2.7 init方法

工厂方法,用于重写,自定义初始化内容。

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

- (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;
}

2.2.8 new方法

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

通过 new 的源码可以看出,其实它也是调用了 [callAlloc init] 方法;
但是我们推荐使用 [alloc init] 方法,因为这样我们可以自定义 init 方法,使我们的开发更加的灵活。

3.在打断点后重新进行分析

真正运行的时候会发现在callAlloc方法会进入两次,先走objc_msgSend,再走_objc_rootAllocWithZone。这里涉及到另外一个知识点,这个问题可以通过LLVM源码分析得到答案,留在以后研究。

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