Objective-C（七）對象內存分析
導言
本系列接《Effective Objective-C 2.0》一書中的系列文章。git
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接下來，會有如下系列的主題的文章，以實踐探索Objective-C 2.0的一些特性，參考部分博文、官方文檔、以及MJ小碼哥的系列課程—很是推薦：框架
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Objective-C（七）對象內存分析iphone
本文主要針對幾個類來窺探實例對象在內存中的存儲，咱們從成員變量和屬性入手，本文相關代碼在這兒。
咱們平時編寫的Objective-C代碼，底層實現其實都是C\C++代碼
因此Objective-C的面向對象都是基於C\C++的數據結構實現的
Objective-C的對象、類主要是基於C\C++的什麼數據結構實現的——結構體。
1、 NSObject 佔用多少內存
NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];
// 得到NSObject實例對象的成員變量所佔用的大小 >> 8
NSLog(@"%zd", class_getInstanceSize([NSObject class]));
// 得到obj指針所指向內存的大小 >> 16
NSLog(@"%zu", malloc_size((__bridge const void *)obj));
複製代碼
上面有兩個函數：
建立一個實例對象，至少須要多少內存？
# import <objc/runtime.h>
class_getInstanceSize([NSObject class]);
建立一個實例對象，實際上分配了多少內存？
#import <malloc/malloc.h>
malloc_size((__bridge const void *)obj);
將Objective-C代碼轉換爲C\C++代碼
//若是須要連接其餘框架，使用-framework參數。好比-framework UIKit
// xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc OC源文件 -o 輸出的CPP文件
$ xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m
複製代碼
其中，咱們能夠發現NSObject轉換爲C++的底層結構體爲：
//main.cpp
struct NSObject_IMPL {
Class isa; //typedef struct objc_class *Class;
};
複製代碼
咱們直接經過斷點調試也能夠發現，obj的確只有一個isa成員變量。
1.1 查看實時內存
下面咱們經過查看obj對應的內存，來觀察：
從上圖中能夠看到，從0x1029000a0地址開始的8個字節，是有數據的，後面8個字節，都是0。
根據最開始打印的：
// 得到NSObject實例對象的成員變量所佔用的大小 >> 8
NSLog(@"%zd", class_getInstanceSize([NSObject class]));
// 得到obj指針所指向內存的大小 >> 16
NSLog(@"%zu", malloc_size((__bridge const void *)obj));
複製代碼
咱們猜想，前8個字節就是obj中isa佔用的內存空間，後8個字節，是爲了內存對齊而分配的填充字節。
1.2 結構體轉換
爲了驗證這個猜想，咱們將obj對象轉換爲對應的結構體：
struct NSObject_IMPL {
Class isa;
};
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];
NSLog(@"%zd", class_getInstanceSize([NSObject class]));
NSLog(@"%zu", malloc_size((__bridge const void *)(obj)));
struct NSObject_IMPL *objImpl = (__bridge struct NSObject_IMPL *)obj;
NSLog(@"obj address: %p", obj);
NSLog(@"objImpl address: %p, objImpl isa: %p", objImpl, objImpl->isa);
NSLog(@"-----");
}
return 0;
}
複製代碼
再次運行，輸出結果以下：
從上圖咱們能夠看出：
- obj能轉換爲
NSObject_IMPL結構體，地址一致； isa的值爲0x1dffffa4575141，與上一次運行一致，且只佔8個字節。- obj最終佔用16個字節，其中8個字節分配給
isa，8個字節爲內存對齊的填充字節。
在這裏，爲何是16個字節，須要說明一下，iOS系統會給對象至少分配16*n字節的大小。
2、 更復雜的對象：BFPerson
@interface BFPerson : NSObject
{
@public
int _age;
int _male;
}
@property (nonatomic, assign) double height;
@end
@implementation BFPerson
@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
BFPerson *jack = [[BFPerson alloc] init];
jack->_age = 24;
jack->_male = 1;
jack.height = 185;
NSLog(@"jack age is %d, male: %d, height: %f", jack->_age, jack->_male, jack.height);
BFPerson *rose = [[BFPerson alloc] init];
rose->_age = 21;
rose->_male = 0;
rose.height = 165;
NSLog(@"rose age is %d, male: %d, height: %f", rose->_age, rose->_male, rose.height);
NSLog(@"%zd", class_getInstanceSize([BFPerson class]));
NSLog(@"%zd", malloc_size((__bridge const void *)jack));
}
return 0;
}
複製代碼
這一次，對象更復雜，並且繼承了NSObject，那麼其中實例對象中成員變量分配了多少字節，實際佔用了多少本身呢？
最後輸出：
經過將上面代碼轉換爲C++代碼，咱們能夠獲得BFPerson的結構：
其中，BFPerson_IMPL包含了NSObject_IMPL結構體，因此最後能夠規整爲：
能夠看到，第一個變量仍是isa指針，後面跟着咱們定義的兩個成員變量，及定義的一個屬性。
咱們知道屬性最後會轉換一個對應的成員變量，因此總共有三個成員變量。
其中isa，咱們知道是一個佔用8字節，因此獲得下面的各個成員變量的佔用字節數：
這和咱們打印該實例對象佔用的爲24個字節相符，可是系統仍是給它分配了32個字節。
咱們經過兩種方式來查看內存中的實例對象，是否是按咱們預想的方式存儲這些成員變量。
2.1 實時查看內存
以下；
- 查看BFPerson類，jack對象地址0x100683240
- jack實例對象成員對象佔用24個字節，系統分配32個字節。
- 實例對象起始8個字節爲：71 12 00 00 01 80 1D 00，爲
isa值； - 接着4個字節：18 00 00 00，爲_age值，即_age = 24；
- 接着4個字節：01 00 00 00，爲_male值，即_male=1；
- 緊接着8個字節：00 00 00 00 00 20 67 40，爲浮點數185的IEEE表示，即height=185；
- 最後8個字節爲填充字節
- 應用於系統對齊，均爲0：00 00 00 00 00 00 00 00；
- 非結構體內存對齊，結構體內存對齊，指結構體的內存佔用是其中最大內存佔用的變量的整數倍，其中
isa佔8個字節，但結構體最後佔用24字節，已是其整數倍。
- 實例對象起始8個字節爲：71 12 00 00 01 80 1D 00，爲
- Mac CPU是小端模式。
- 一樣可觀察rose對象是否符合預期，不贅述。
2.2 結構體轉換
咱們經過前面轉換C++代碼結構體的分析，將jack轉換爲咱們自定義的結構體。
struct NSObject_IMPL {
Class isa;
};
struct BFPerson_IMPL {
struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
int _age;
int _male;
double _height;
};
struct BFPerson_IMPL *jackImpl = (__bridge struct BFPerson_IMPL *)jack;
NSLog(@"jack age is %d, male: %d, height: %f", jackImpl->_age, jackImpl->_male, jackImpl->_height);
複製代碼
輸出以下，能夠看到結果徹底一致，因此咱們的符合咱們的猜測。
3、繼承的對象：BFProgrammer
繼承關係以下：
@interface BFPerson : NSObject
{
@public
int _age;
int _male;
}
@property (nonatomic, assign) double height;
@end
@implementation BFPerson
@end
@interface BFProgrammer : BFPerson
{
@public
char *company;
}
@end
@implementation BFProgrammer
@end
複製代碼
測試代碼以下；
BFPerson *jack = [[BFPerson alloc] init];
jack->_age = 24;
jack->_male = 1;
jack.height = 185;
NSLog(@"jack age is %d, male: %d, height: %f", jack->_age, jack->_male, jack.height);
NSLog(@"jack instance size: %zd", class_getInstanceSize([BFPerson class]));
NSLog(@"jack malloc size: %zd", malloc_size((__bridge const void *)jack));
BFProgrammer *tony = [[BFProgrammer alloc] init];
tony->_age = 28;
tony->_male = 1;
tony.height = 178;
tony->company = "Google";
NSLog(@"tony age is %d, male: %d, height: %f, company: %s", tony->_age, tony->_male, tony.height, tony->company);
NSLog(@"tony instance size:%zd", class_getInstanceSize([BFProgrammer class]));
NSLog(@"tony malloc size: %zd", malloc_size((__bridge const void *)tony));
複製代碼
對應的結果：
3.1 結構體
下面咱們分析下結果：
對於tony這個程序員：
-
其成員變量大小爲32字節，相對於jack這個BFPerson，多了8字節的內存變量。那麼這8個字節，用於存放char *company的指針。
- 最後實例內存變量佔用32字節，系統實際分配也爲32字節。
3.2 company 的內存分析
咱們如今更進一步，從內存中直接讀取tony的公司名稱：Google。
3.2.1 Google 的ASCII字符
Google是個C語言字符串常量，其存儲在內存中，採用ASCII字符編碼，其最後的結構爲：
從上面圖中，咱們發現tony所在地址爲0x103300700，根據其結構體，咱們能夠知道company所在地址爲：
compyan地址 = 0x103300700 + isa+ _age + _male + _height
= 0x103300700 + 8 + 4 + 4 + 8
= 0x103300718
複製代碼
3.2.2 lldb查看內存
對應的指令以下：
(lldb) x/2wx 0x103300718
0x103300718: 0x00000f52 0x00000001
(lldb) x/4wx 0x0000000100000f52
0x100000f52: 0x676f6f47 0x7400656c 0x20796e6f 0x20656761
(lldb) x/4wx 0x103300700
0x103300700: 0x00001391 0x001d8001 0x0000001c 0x00000001
複製代碼
3.2.3 分析
- 32字節成員變量，均符合分析；
- company字符指針地址爲0x0000000100000f52，指向
Google字符串，Google佔7個字節，注意是7個字節，最後一個字符爲'\0'； - 注意大小端的書寫方式，不要寫反，或者讀錯。
- lldb顯示的爲正常可讀的大端模式，及高位顯示高字節，低位顯示低字節；
- 內存中顯示未小端模式，52 0F 00 00 01 00 00 00，改成咱們正常的讀寫大端模式：0x0000000100000f52。即從右向左讀取每一個字節便可。
4、源碼分析
下面咱們分析上面咱們經常使用的打印語句：
NSLog(@"%zd", class_getInstanceSize([NSObject class]));
NSLog(@"%zu", malloc_size((__bridge const void *)(obj)));
複製代碼
alloc以及class_getInstanceSize源碼z在Apple souce objc4庫中。
4.1 alloc
**[NSObject alloc]**代碼調用流程：
- calloc返回的爲最後內存分配的字節數
- _class_createInstanceFromZone中的size是從instanceSize獲取；
- _class_createInstanceFromZone中的size 是實例變量佔用的空間，不是最後分配的內存空間；
- _class_createInstanceFromZone中的size 是通過結構體字節對齊的空間（instanceSize爲字節對齊的空間）；
instanceSize獲取的是alignedInstanceSize。- 當
alignedInstanceSize小於16字節，會補齊爲16字節。- _class_createInstanceFromZone中size = 16
- 當
alignedInstanceSize大於16字節，直接返回alignedInstanceSize- _class_createInstanceFromZone中的size = alignedInstanceSize
- 當
能夠看到，其中當上圖最後一步中的alignedInstanceSize，即通過結構體字節對齊後字節仍小於16字節，就會補齊爲16字節。
爲何須要補齊16字節呢？
代碼文檔有一行註釋：
CF requires all objects be at least 16 bytes.
或者咱們能夠理解爲OC對象爲了提升系統分配及查找地址的效率，而作的一個這樣的規定。
這也是上面第一個實例NSObject分析中，爲何實例對象實際佔用8字節，會分配16字節的緣由。alignedInstanceSize實際實際返回8字節，但calloc中的時候，size爲16字節。
4.2 class_getInstanceSize
size_t class_getInstanceSize(Class cls)
{
if (!cls) return 0;
return cls->alignedInstanceSize();
}
uint32_t alignedInstanceSize() {
return word_align(unalignedInstanceSize());
}
複製代碼
能夠看出，class_getInstanceSize最後返回的就是上面所說的，通過字節對齊，可是在alloc中calloc以前的大小。
因此咱們看到其實際返回的是成員變量實際須要的空間大小。
4.3 calloc
calloc代碼在另一個庫中——libmalloc。
其中源碼比較難以理解，因此直接給出結論。
-
calloc返回的是系統實際分配的內存，最後返回的大小必定是16的倍數； -
因此BFPerson實例中，成員變量佔24字節，但最後通過calloc返回的是32字節（16*2）；
-
malloc_size返回的是對象指針所指向的大小，就是calloc實際分配的內存大小；
extern size_t malloc_size(const void *ptr);
/* Returns size of given ptr */
5、查看內存
5.1 LLDB
LLDB的使用請參考：待補--iOS調試（二）LLDB
5.2 View Memory
Debug -> Debug Workfllow -> View Memory （Shift + Command + M）
參考
連接
示例源碼
- 1. .Net 內存對象分析
- 2. 對象內存分析
- 3. Java 對象內存分析
- 4. Java對象內存分析
- 5. objc源碼解析-ObjectiveC對象結構
- 6. new Java對象佔用內存分析
- 7. Java - 對象的內存分析（2）
- 8. Java面向對象的內存分析
- 9. （轉）c++對象內存分析5
- 10. 分析java對象內存佔用
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- 3. Java 對象內存分析
- 4. Java對象內存分析
- 5. objc源碼解析-ObjectiveC對象結構
- 6. new Java對象佔用內存分析
- 7. Java - 對象的內存分析（2）
- 8. Java面向對象的內存分析
- 9. （轉）c++對象內存分析5
- 10. 分析java對象內存佔用