NSObject 底層本質

iOS開發 · 發表 2018-10-31 13:36:57

摘要：一、OC 轉 C/C++ 二、NSObject 物件記憶體佈局三、NSObject 記憶體大小四、OC 物件記憶體佈局五、OC 物件記憶體大小一、OC 轉 C/C++ OC 的底層是通過 C\C++ 實現，所以 OC 程...

一、OC 轉 C/C++
二、NSObject 物件記憶體佈局
三、NSObject 記憶體大小
四、OC 物件記憶體佈局
五、OC 物件記憶體大小

一、OC 轉 C/C++

OC 的底層是通過 C\C++ 實現，所以 OC 程式碼編譯過程一般是先將 OC 轉為 C\C++ ，C\C++ 進一步轉為組合語言，最終轉為機器程式碼。OC 的物件對映到 C\C++ 主要對應的是結構體，這裡面的 “結構體” 並非 C 語言裡面的結構體，而是 C++ 語言裡面的結構體，而且這個概念僅限字面意思的結構體。嚴格來講，其實struct關鍵字定義的是類，跟 class 關鍵字定義的類除了預設訪問許可權的區別，沒有區別。C++ 中的 struct 對 C 中的 struct 進行了擴充，它已經不再只是一個包含不同資料型別的資料結構了，它已經獲取了太多的功能。如：能包含成員函式、可以繼承、可以實現多型。

通過 xcrun 命令可以將 OC 程式碼轉為不同平臺CPU下支援的 C\C++ 程式碼，如 OC 程式碼轉為 arm64 架構 CPU 程式碼，對應的命令為:

xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc OC原始檔 -o 輸出的CPP檔案

二、NSObject 物件本質

int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];
}
return 0;
}

點選可檢視NSObject定義為如下，可以看出 NSObject 類中包含了一個 isa 成員變數。

@interface NSObject 
<nsobject>
{
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wobjc-interface-ivars"
Class isaOBJC_ISA_AVAILABILITY;
#pragma clang diagnostic pop
}
</nsobject>

上述程式碼藉助 xcrun 命令生成的檔案中包含如下程式碼，實際上NSObject的定義最終也是轉為如下程式碼。

//其中 Class 的定義為：typedef struct objc_class *Class; 64位系統中，指標佔據 8 個位元組
struct NSObject_IMPL {
Class isa; // 8個位元組
};

NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];的記憶體佈局如下。alloc相當於為為右側藍色的結構體開闢一塊空間，結構體中儲存著 isa 成員，isa 成員的指標的地址相當於結構體地址空間，初始化成功後，結構體的地址賦值給 obj 物件，因此 isa 地址和 obj 地址相同。

三、物件記憶體大小

3.1 檢視記憶體管大小

//#import 
<objc runtime="" h="">
 
NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];
// 獲得NSObject例項物件的成員變數所佔用的大小 >> 8
NSLog(@"%zd", class_getInstanceSize([NSObject class]));
// 獲得obj指標所指向記憶體的大小 >> 16
NSLog(@"%zd", malloc_size((__bridge const void *)obj));
</objc>

class_getInstanceSize方法可以獲取例項物件的成員變數大小，即建立一個例項物件，至少需要多少記憶體。malloc_size方法可以獲取物件指標所指向記憶體大小，即建立一個例項物件，實際上分配了多少記憶體。兩個方法的區別具體可以看runtime底層原始碼觀察其區別。OC 底層原始碼一般可在該網站檢視。

3.2 class_getInstanceSize 函式

class_getInstanceSize底層實現如下，其中英文註釋很清晰的描述了該方法返回的是成員變數(Class's ivar)大小。

size_t class_getInstanceSize(Class cls)
{
if (!cls) return 0;
return cls->alignedInstanceSize();
}

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

3.3 alloc 函式

OC 中的alloc在底層呼叫 runtime 的allocWithZone方法：

id
_objc_rootAllocWithZone(Class cls, malloc_zone_t *zone)
{
id obj;
#if __OBJC2__
// allocWithZone under __OBJC2__ ignores the zone parameter
(void)zone;
obj = class_createInstance(cls, 0);
#else
if (!zone) {
obj = class_createInstance(cls, 0);
}
else {
obj = class_createInstanceFromZone(cls, 0, zone);
}
#endif
if (slowpath(!obj)) obj = callBadAllocHandler(cls);
return obj;
}

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

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());
// Read class's info bits all at once for performance
bool hasCxxCtor = cls->hasCxxCtor();
bool hasCxxDtor = cls->hasCxxDtor();
bool fast = cls->canAllocNonpointer();
size_t size = cls->instanceSize(extraBytes);
if (outAllocatedSize) *outAllocatedSize = size;
id obj;
if (!zone&&fast) {
obj = (id)calloc(1, size);
if (!obj) return nil;
obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor);
} 
else {
if (zone) {
obj = (id)malloc_zone_calloc ((malloc_zone_t *)zone, 1, size);
} else {
//該處呼叫了C語言的 calloc 函式開闢空間，所以檢視NSObject 物件的建立開闢空間大小應當依次為切入點，檢視size 引數來源
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;
}

上述程式碼呼叫了C語言的 calloc函式開闢空間，所以檢視NSObject 物件的建立開闢空間大小應當依次為切入點，檢視size引數來源。alignedInstanceSize()方法是 class_getInstanceSize 方法底層來源，所以下面程式碼中的extraBytes變數值實際為 0。非常值得注意的是，下述程式碼中明確指出CF requires all objects be at least 16 bytes.，即 CF 物件至少為 16 位大小。

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;
}

3.4 小結

綜上，系統分配了 16 個位元組給 NSObject 物件（通過 malloc_size 函式獲得），但 NSObject 物件內部只使用了 8 個位元組的空間，這8個位元組主要用來存放 isa（ 64bit 環境下，可以通過 class_getInstanceSize 函式獲得）。

四、OC 物件記憶體佈局

4.1 簡單物件

@interface Student : NSObject
{
@public
int _no;
int _age;
}
@end
@implementation Student
@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
Student *stu = [[Student alloc] init];
}
return 0;
}

利用 xcrun 命名生成 C/C++ 程式碼，程式碼中會包含如下部分：

struct Student_IMPL {
Class NSObject_IMP NSObject_IVARS;
int _no;
int _age;
};

其中NSObject_IMP 定義為：

struct NSObject_IMPL {
Class isa; 
};

Student_IMP底層進而可轉為如下結構，不難看出如果物件之間存在繼承關係，最終子類轉化對應的結構體會包含父類的結構體成分，且父類結構體成份在前。

struct Student_IMPL {
Class isa;
int _no;
int _age;
};

為了進一步說明OC物件底層是結構體實現的，可以將OC物件強制轉為結構體，發現程式碼依然正常執行。

Student *stu = [[Student alloc] init];
stu->_no = 4;
stu->_age = 5;
//使用__bridge 將 OC 轉為 C
struct Student_IMPL *stuImpl = (__bridge struct Student_IMPL *)stu;
NSLog(@"no is %d, age is %d", stuImpl->_no, stuImpl->_age);

結合上述程式碼，可以總結出Student物件的底層實現結構圖：

記憶體佈局大概是這樣，stu 指標指向結構體地址，結構體地址即為首個成員變數的地址。

4.2 繼承物件

如果是 Person 繼承自 NSObject ，Student 繼承自 Person 類，Person 中包含 age 成員變數， Student 包含 no 成員變數，則底層實現結構如下圖。

表面上看 Person_IMPL 佔據 8 + 4 = 12 個位元組，但是 OC 中明確指出一個 NSObject 物件大小至少為 16 位元組。從記憶體對齊角度分析來看，Person_IMPL結構體也至少為 16 位元組，即結構體的大小必須是最大成員的倍數，即8 * 2 = 16。

表面上看 Student_IMPL 佔據 16 + 4 = 20 個位元組實際並非如此，應該為 16 位元組。因為 Student_IMPL 中雖然包含Person_IMPL，但是在繼承關係中，Person_IMPL中 age 對應的記憶體空間並未被使用，所以應該是 8 + 4 + 4 = 16 位元組。

五、OC 物件記憶體大小

@interface MJPerson : NSObject
{
int _age;
int _height;
int _no;
}
@end
MJPerson *p = [[MJPerson alloc] init];
NSLog(@"%zd%zd",class_getInstanceSize([MJPerson class]), malloc_size((__bridge const void *)(p))); // 24 32

p 物件對應的結構體為：

struct MJPerson_IMPL {
struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
int _age;
int _height;
int _no;
}; // 計算結構體大小，記憶體對齊，24

上述程式碼列印結果分別為 24 和 32，按照前面所說的結構體記憶體對齊原則來說，列印結果應該都為 24，即 8 的最小倍數， 8 * 3 = 24。class_getInstanceSize為結構體記憶體大小 8 + 4 + 4 + 4 = 24，但和實際情況確有一些出入。

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;
}

size_t class_getInstanceSize(Class cls)
{
if (!cls) return 0;
return cls->alignedInstanceSize();
}

結合 3.3 小結的原始碼來分析來看，class_getInstanceSize和alloc方法最終本質都是呼叫了alignedInstanceSize函式，其中alloc呼叫alignedInstanceSize函式中間使用到了 C 語言的 calloc函式，並且還涉及到一個變數extraBytes,但是此變數的值一般為 0，所以綜合來看 malloc_size((__bridge const void *)(p))的值為 32 和calloc密不可分。因為在calloc函式中存在記憶體對齊一說（注意此記憶體對齊不等同於結構體記憶體對齊），即在堆區每次分配記憶體為 16 的倍數。如果比較感興趣，可進一步檢視 calloc函式原始碼 ofollow,noindex">libmalloc 。

作者：ZhengYaWei

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NSObject 底層本質

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