iOS底層原理總結 - 探尋OC對象的本質

時間  2019-11-07
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iOS底層原理總結 - 探尋OC對象的本質

對小碼哥底層班視頻學習的總結與記錄。面試題部分，經過對面試題的分析探索問題的本質內容。c++

面試題：一個NSObject對象佔用多少內存？面試

探尋OC對象的本質，咱們平時編寫的Objective-C代碼，底層實現其實都是C\C++代碼。 xcode

OC代碼的轉化過程

OC的對象結構都是經過基礎C\C++的結構體實現的。 咱們經過建立OC文件及對象，並將OC文件轉化爲C++文件來探尋OC對象的本質bash

OC以下代碼架構

#import <Foundation/Foundation.h>

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSObject *objc = [[NSObject alloc] init];
        
        NSLog(@"Hello, World!");
    }
    return 0;
}
複製代碼

咱們經過命令行將OC的mian.m文件轉化爲c++文件。app

clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp // 這種方式沒有指定架構例如arm64架構 其中cpp表明（c plus plus）
生成 main.cpp
複製代碼

咱們能夠指定架構模式的命令行，使用xcode工具 xcruniphone

xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp 
生成 main-arm64.cpp 
複製代碼

main-arm64.cpp 文件中搜索NSObjcet，能夠找到NSObjcet_IMPL（IMPL表明 implementation 實現）工具

咱們看一下NSObject_IMPL內部佈局

struct NSObject_IMPL {
	Class isa;
};
// 查看Class本質
typedef struct objc_class *Class;
咱們發現Class其實就是一個指針，對象底層實現其實就是這個樣子。
複製代碼

思考： 一個OC對象在內存中是如何佈局的。 NSObjcet的底層實現，點擊NSObjcet進入發現NSObject的內部實現學習

@interface NSObject <NSObject> {
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wobjc-interface-ivars"
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#pragma clang diagnostic pop
}
@end
複製代碼

轉化爲c語言其實就是一個結構體

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};
複製代碼

那麼這個結構體佔多大的內存空間呢，咱們發現這個結構體只有一個成員，isa指針，而指針在64位架構中佔8個字節。也就是說一個NSObjec對象所佔用的內存是8個字節。到這裏咱們已經能夠基本解答第一個問題。可是咱們發現NSObject對象中還有不少方法，那這些方法不佔用內存空間嗎？其實類的方法等也佔用內存空間，可是這些方法所佔用的存儲空間並不在NSObject對象中。

爲了探尋OC對象在內存中如何體現，咱們來看下面一段代碼

NSObject *objc = [[NSObject alloc] init];
複製代碼

上面一段代碼在內存中如何體現的呢？上述一段代碼中系統爲NSObject對象分配8個字節的內存空間，用來存放一個成員isa指針。那麼isa指針這個變量的地址就是結構體的地址，也就是NSObjcet對象的地址。 假設isa的地址爲0x100400110，那麼上述代碼分配存儲空間給NSObject對象，而後將存儲空間的地址賦值給objc指針。objc存儲的就是isa的地址。objc指向內存中NSObject對象地址，即指向內存中的結構體，也就是isa的位置。

自定義類的內部實現

@interface Student : NSObject{
    
    @public
    int _no;
    int _age;
}
@end
@implementation Student

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {

        Student *stu = [[Student alloc] init];
        stu -> _no = 4;
        stu -> _age = 5;
        
        NSLog(@"%@",stu);
    }
    return 0;
}
@end
複製代碼

按照上述步驟一樣生成c++文件。並查找Student，咱們發現Student_IMPL

struct Student_IMPL {
	struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
	int _no;
	int _age;
};
複製代碼

發現第一個是 NSObject_IMPL的實現。而經過上面的實驗咱們知道NSObject_IMPL內部其實就是Class isa 那麼咱們假設 struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS; 等價於 Class isa;

能夠將上述代碼轉化爲

struct Student_IMPL {
	Class *isa;
	int _no;
	int _age;
};
複製代碼

所以此結構體佔用多少存儲空間，對象就佔用多少存儲空間。所以結構體佔用的存儲空間爲，isa指針8個字節空間+int類型_no4個字節空間+int類型_age4個字節空間共16個字節空間

Student *stu = [[Student alloc] init];
stu -> _no = 4;
stu -> _age = 5;
複製代碼

那麼上述代碼實際上在內存中的體現爲，建立Student對象首先會分配16個字節，存儲3個東西，isa指針8個字節，4個字節的_no ,4個字節的_age

Studetn對象的存儲空間

sutdent對象的3個變量分別有本身的地址。而stu指向isa指針的地址。所以stu的地址爲0x100400110，stu對象在內存中佔用16個字節的空間。而且通過賦值，_no裏面存儲4 ，_age裏面存儲5

驗證Student在內存中模樣

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

@interface Student : NSObject
{
    @public
    int _no;
    int _age;
}
@end

@implementation Student

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
            // 強制轉化
            struct Student_IMPL *stuImpl = (__bridge struct Student_IMPL *)stu;
            NSLog(@"_no = %d, _age = %d", stuImpl->_no, stuImpl->_age); // 打印出 _no = 4, _age = 5
    }
    return 0;
}
複製代碼

上述代碼將oc對象強轉成Student_IMPL的結構體。也就是說把一個指向oc對象的指針，指向這種結構體。因爲咱們以前猜測，對象在內存中的佈局與結構體在內存中的佈局相同，那麼若是能夠轉化成功，說明咱們的猜測正確。由此說明stu這個對象指向的內存確實是一個結構體。

實際上想要獲取對象佔用內存的大小，能夠經過更便捷的運行時方法來獲取。

class_getInstanceSize([Student class])
NSLog(@"%zd,%zd", class_getInstanceSize([NSObject class]) ,class_getInstanceSize([Student class]));
// 打印信息 8和16
複製代碼

窺探內存結構

實時查看內存數據

方式一：經過打斷點。 Debug Workflow -> viewMemory address中輸入stu的地址

內存地址
從上圖中，咱們能夠發現讀取數據從高位數據開始讀，查看前16位字節，每四個字節讀出的數據爲 16進制 0x0000004(4字節) 0x0000005(4字節) isa的地址爲 00D1081000001119(8字節)

方式二：經過lldb指令xcode自帶的調試器

memory read 0x10074c450
// 簡寫  x 0x10074c450

// 增長讀取條件
// memory read/數量格式字節數  內存地址
// 簡寫 x/數量格式字節數  內存地址
// 格式 x是16進制，f是浮點，d是10進制
// 字節大小   b：byte 1字節，h：half word 2字節，w：word 4字節，g：giant word 8字節

示例：x/4xw    //   /後面表示如何讀取數據 w表示4個字節4個字節讀取，x表示以16進制的方式讀取數據，4則表示讀取4次
複製代碼

同時也能夠經過lldb修改內存中的值

memory write 0x100400c68 6
將_no的值改成了6
複製代碼

lldb讀取內存

那麼一個NSObject對象佔用多少內存？ NSObjcet其實是隻有一個名爲isa的指針的結構體，所以佔用一個指針變量所佔用的內存空間大小，若是64bit佔用8個字節，若是32bit佔用4個字節。

更復雜的繼承關係

面試題：在64bit環境下， 下面代碼的輸出內容？

/* Person */
@interface Person : NSObject
{
    int _age;
}
@end

@implementation Person
@end

/* Student */
@interface Student : Person
{
    int _no;
}
@end

@implementation Student
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        
        NSLog(@"%zd %zd",
              class_getInstanceSize([Person class]),
              class_getInstanceSize([Student class])
              );
    }
    return 0;
}
複製代碼

這道面試題的實質是想問一個Person對象，一個Student對象分別佔用多少內存空間？

咱們依據上面的分析與發現，類對象實質上是以結構體的形式存儲在內存中，畫出真正的內存圖例

person對象和student對象內存結構

咱們發現只要是繼承自NSObject的對象，那麼底層結構體內必定有一個isa指針。 那麼他們所佔的內存空間是多少呢？單純的將指針和成員變量所佔的內存相加便可嗎？上述代碼實際打印的內容是16 16，也就是說，person對象和student對象所佔用的內存空間都爲16個字節。 其實實際上person對象確實只使用了12個字節。可是由於內存對齊的緣由。使person對象也佔用16個字節。

編譯器在給結構體開闢空間時，首先找到結構體中最寬的基本數據類型，而後尋找內存地址能是該基本數據類型的整倍的位置，做爲結構體的首地址。將這個最寬的基本數據類型的大小做爲對齊模數。 爲結構體的一個成員開闢空間以前，編譯器首先檢查預開闢空間的首地址相對於結構體首地址的偏移是不是本成員的整數倍，如果，則存放本成員，反之，則在本成員和上一個成員之間填充必定的字節，以達到整數倍的要求，也就是將預開闢空間的首地址後移幾個字節。

咱們能夠總結內存對齊爲兩個原則： 原則 1. 前面的地址必須是後面的地址正數倍,不是就補齊。 原則 2. 整個Struct的地址必須是最大字節的整數倍。

經過上述內存對齊的原則咱們來看，person對象的第一個地址要存放isa指針須要8個字節，第二個地址要存放_age成員變量須要4個字節，根據原則一，8是4的整數倍，符合原則一，不須要補齊。而後檢查原則2，目前person對象共佔據12個字節的內存，不是最大字節數8個字節的整數倍，因此須要補齊4個字節，所以person對象就佔用16個字節空間。

而對於student對象，咱們知道sutdent對象中，包含person對象的結構體實現，和一個int類型的_no成員變量，一樣isa指針8個字節，_age成員變量4個字節，_no成員變量4個字節，恰好知足原則1和原則2，因此student對象佔據的內存空間也是16個字節。

OC對象的分類

面試題：OC的類信息存放在哪裏。 面試題：對象的isa指針指向哪裏。

示例代碼

#import <Foundation/Foundation.h>
#import <objc/runtime.h>

/* Person */ 
@interface Person : NSObject <NSCopying>
{
    @public
    int _age;
}
@property (nonatomic, assign) int height;
- (void)personMethod;
+ (void)personClassMethod;
@end

@implementation Person
- (void)personMethod {}
+ (void)personClassMethod {}
@end

/* Student */
@interface Student : Person <NSCoding>
{
    @public
    int _no;
}
@property (nonatomic, assign) int score;
- (void)studentMethod;
+ (void)studentClassMethod;
@end

@implementation Student
- (void)studentMethod {}
+ (void)studentClassMethod {}
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {      
        NSObject *object1 = [[NSObject alloc] init];
        NSObject *object2 = [[NSObject alloc] init];

        Student *stu = [[Student alloc] init];
        [Student load];

        Person *p1 = [[Person alloc] init];
        p1->_age = 10;
        [p1 personMethod];
        [Person personClassMethod];
        Person *p2 = [[Person alloc] init];
        p2->_age = 20;
    }
    return 0;
}

複製代碼

OC的類信息存放在哪裏 OC對象主要能夠分爲三種

  1. instance對象（實例對象）
  2. class對象（類對象）
  3. meta-class對象（元類對象）

instance對象就是經過類alloc出來的對象，每次調用alloc都會產生新的instance對象

NSObjcet *object1 = [[NSObjcet alloc] init];
NSObjcet *object2 = [[NSObjcet alloc] init];
複製代碼

object1和object2都是NSObject的instace對象（實例對象），但他們是不一樣的兩個對象，而且分別佔據着兩塊不一樣的內存。 instance對象在內存中存儲的信息包括

  1. isa指針
  2. 其餘成員變量

instance對象內存

衍生問題：在上圖實例對象中根本沒有看到方法，那麼實例對象的方法的代碼放在什麼地方呢？那麼類的方法的信息，協議的信息，屬性的信息都存放在什麼地方呢？

class對象 咱們經過class方法或runtime方法獲得一個class對象。class對象也就是類對象

Class objectClass1 = [object1 class];
Class objectClass2 = [object2 class];
Class objectClass3 = [NSObject class];

// runtime
Class objectClass4 = object_getClass(object1);
Class objectClass5 = object_getClass(object2);
NSLog(@"%p %p %p %p %p", objectClass1, objectClass2, objectClass3, objectClass4, objectClass5);
複製代碼

每個類在內存中有且只有一個class對象。能夠經過打印內存地址證實

class對象在內存中存儲的信息主要包括

  1. isa指針
  2. superclass指針
  3. 類的屬性信息（@property），類的成員變量信息（ivar）
  4. 類的對象方法信息（instance method），類的協議信息（protocol）

class對象在內存中存儲的信息圖例

成員變量的值時存儲在實例對象中的，由於只有當咱們建立實例對象的時候才爲成員變賦值。可是成員變量叫什麼名字，是什麼類型，只須要有一份就能夠了。因此存儲在class對象中。

類方法放在那裏？ 元類對象 meta-class

//runtime中傳入類對象此時獲得的就是元類對象
Class objectMetaClass = object_getClass([NSObject class]);
// 而調用類對象的class方法時獲得仍是類對象，不管調用多少次都是類對象
Class cls = [[NSObject class] class];
Class objectClass3 = [NSObject class];
class_isMetaClass(objectMetaClass) // 判斷該對象是否爲元類對象
NSLog(@"%p %p %p", objectMetaClass, objectClass3, cls); // 後面兩個地址相同，說明屢次調用class獲得的仍是類對象

複製代碼

每一個類在內存中有且只有一個meta-class對象。 meta-class對象和class對象的內存結構是同樣的，可是用途不同，在內存中存儲的信息主要包括

  1. isa指針
  2. superclass指針
  3. 類的類方法的信息（class method）

元類meta-class對象在內存存儲的信息圖例

meta-class對象和class對象的內存結構是同樣的，因此meta-class中也有類的屬性信息，類的對象方法信息等成員變量，可是其中的值多是空的。

對象的isa指針指向哪裏

  1. 當對象調用實例方法的時候，咱們上面講到，實例方法信息是存儲在class類對象中的，那麼要想找到實例方法，就必須找到class類對象，那麼此時isa的做用就來了。
[stu studentMethod];
複製代碼

instance的isa指向class，當調用對象方法時，經過instance的isa找到class，最後找到對象方法的實現進行調用。

  1. 當類對象調用類方法的時候，同上，類方法是存儲在meta-class元類對象中的。那麼要找到類方法，就須要找到meta-class元類對象，而class類對象的isa指針就指向元類對象
[Student studentClassMethod];
複製代碼

class的isa指向meta-class 當調用類方法時，經過class的isa找到meta-class，最後找到類方法的實現進行調用

isa指針指向圖例

  1. 當對象調用其父類對象方法的時候，又是怎麼找到父類對象方法的呢？，此時就須要使用到class類對象superclass指針。
[stu personMethod];
[stu init];
複製代碼

當Student的instance對象要調用Person的對象方法時，會先經過isa找到Student的class，而後經過superclass找到Person的class，最後找到對象方法的實現進行調用，一樣若是Person發現本身沒有響應的對象方法，又會經過Person的superclass指針找到NSObject的class對象，去尋找響應的方法

對象調用父類對象方法圖例

  1. 當類對象調用父類的類方法時，就須要先經過isa指針找到meta-class，而後經過superclass去尋找響應的方法
[Student personClassMethod];
[Student load];
複製代碼

當Student的class要調用Person的類方法時，會先經過isa找到Student的meta-class，而後經過superclass找到Person的meta-class，最後找到類方法的實現進行調用

最後又是這張靜定的isa指向圖，通過上面的分析咱們在來看這張圖，就顯得清晰明瞭不少。

經典的isa指向圖

對isa、superclass總結

  1. instance的isa指向class
  2. class的isa指向meta-class
  3. meta-class的isa指向基類的meta-class，基類的isa指向本身
  4. class的superclass指向父類的class，若是沒有父類，superclass指針爲nil
  5. meta-class的superclass指向父類的meta-class，基類的meta-class的superclass指向基類的class
  6. instance調用對象方法的軌跡，isa找到class，方法不存在，就經過superclass找父類
  7. class調用類方法的軌跡，isa找meta-class，方法不存在，就經過superclass找父類

如何證實isa指針的指向真的如上面所說？

咱們經過以下代碼證實：

NSObject *object = [[NSObject alloc] init];
Class objectClass = [NSObject class];
Class objectMetaClass = object_getClass([NSObject class]);
        
NSLog(@"%p %p %p", object, objectClass, objectMetaClass);
複製代碼

打斷點並經過控制檯打印相應對象的isa指針

打印object的isa指針和objectClass的地址

咱們發現object->isa與objectClass的地址不一樣，這是由於從64bit開始，isa須要進行一次位運算，才能計算出真實地址。而位運算的值咱們能夠經過下載objc源代碼找到。

ISA_MASK

咱們經過位運算進行驗證。

isa經過位運算計算出正確的地址

咱們發現，object-isa指針地址0x001dffff96537141通過同0x00007ffffffffff8位運算，得出objectClass的地址0x00007fff96537140

接着咱們來驗證class對象的isa指針是否一樣須要位運算計算出meta-class對象的地址。 當咱們以一樣的方式打印objectClass->isa指針時，發現沒法打印

p/x objectClass->isa

同時也發現左邊objectClass對象中並無isa指針。咱們來到Class內部看一下

typedef struct objc_class *Class;

struct objc_class {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

#if !__OBJC2__
    Class _Nullable super_class                              OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char * _Nonnull name                               OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list * _Nullable ivars                  OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache * _Nonnull cache                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list * _Nullable protocols          OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif

} OBJC2_UNAVAILABLE;
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */
複製代碼

相信瞭解過isa指針的同窗對objc_class結構體內的內容很熟悉了，今天這裏不深刻研究，咱們只看第一個對象是一個isa指針，爲了拿到isa指針的地址，咱們本身建立一個一樣的結構體並經過強制轉化拿到isa指針。

struct xx_cc_objc_class{
    Class isa;
};


Class objectClass = [NSObject class];
struct xx_cc_objc_class *objectClass2 = (__bridge struct xx_cc_objc_class *)(objectClass);
複製代碼

此時咱們從新驗證一下

objectClass2->isa

確實，objectClass2的isa指針通過位運算以後的地址是meta-class的地址。

本文面試題總結：

  1. 一個NSObject對象佔用多少內存？ 答：一個指針變量所佔用的大小（64bit佔8個字節，32bit佔4個字節）

  2. 對象的isa指針指向哪裏？ 答：instance對象的isa指針指向class對象，class對象的isa指針指向meta-class對象，meta-class對象的isa指針指向基類的meta-class對象，基類本身的isa指針也指向本身。

  3. OC的類信息存放在哪裏？ 答：成員變量的具體值存放在instance對象。對象方法，協議，屬性，成員變量信息存放在class對象。類方法信息存放在meta-class對象。

文中若是有不對的地方歡迎指出。我是xx_cc，一隻長大好久但尚未二夠的傢伙。須要視頻一塊兒探討學習的coder能夠加我Q：2336684744

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