iOS探索 alloc流程

寫在前面

OC做爲一門萬物皆對象的語言，那麼對於對象建立、開闢內存的瞭解必不可少，本文就將探索一下alloc在底層的具體步驟

官方源碼

Cooci司機objc4-756.2調試方案（Xcode11暫時沒法斷點進源碼）

1、探索方向

在源碼中，咱們能夠經過Command+單擊/右擊->Jump to Defintion的方式進入alloc調用方法，脫離了源碼咱們又該如何知道它調用了什麼底層方法呢？

在對象建立的代碼處下個斷點，等執行到斷點處使用如下方法：

• Control+Step into
• 符號斷點
• 菜單欄Debug->Debug Workflow->Always Show Disassembly（始終顯示彙編代碼）

這三種方法都能得出調用了objc_alloc方法

2、開始探索

//
// main.m
// FXTest
//
// Created by mac on 2019/12/19.
//

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

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        
        NSObject *object1 = [NSObject alloc];
        FXPerson *object2 = [FXPerson alloc];
    }
    return 0;
}
複製代碼

不出意料，各位都能來到以下方法

+ (id)alloc {
    return _objc_rootAlloc(self);
}
複製代碼

_objc_rootAlloc(Class cls)
{
    return callAlloc(cls, false/*checkNil*/, true/*allocWithZone*/);
}
複製代碼

可是接下來的源碼就會讓你頭暈目眩，不想看了

// Call [cls alloc] or [cls allocWithZone:nil], with appropriate 
// shortcutting optimizations.
static ALWAYS_INLINE id callAlloc(Class cls, bool checkNil, bool allocWithZone=false) {
    if (slowpath(checkNil && !cls)) return nil;

#if __OBJC2__
    if (fastpath(!cls->ISA()->hasCustomAWZ())) {
        // No alloc/allocWithZone implementation. Go straight to the allocator.
        // fixme store hasCustomAWZ in the non-meta class and 
        // add it to canAllocFast's summary
        if (fastpath(cls->canAllocFast())) {
            // No ctors, raw isa, etc. Go straight to the metal.
            bool dtor = cls->hasCxxDtor();
            id obj = (id)calloc(1, cls->bits.fastInstanceSize());
            if (slowpath(!obj)) return callBadAllocHandler(cls);
            obj->initInstanceIsa(cls, dtor);
            return obj;
        }
        else {
            // Has ctor or raw isa or something. Use the slower path.
            id obj = class_createInstance(cls, 0);
            if (slowpath(!obj)) return callBadAllocHandler(cls);
            return obj;
        }
    }
#endif

    // No shortcuts available.
    if (allocWithZone) return [cls allocWithZone:nil];
    return [cls alloc];
}
複製代碼

原本看源碼就枯燥，還有這麼多if-else邏輯岔路口，就會有不少人關閉了Xcode

看啥很差看源碼，是嫌本身頭髮太旺盛嗎？

別急，我這裏已經幫你掉過頭髮了（捋過思路了）

3、alloc源碼流程

1.坑——objc_alloc、alloc傻傻分不清楚

這個坑無傷大雅，瞭解便可；能夠簡單理解爲OC對象alloc->alloc

不知道你有沒有發現奇怪的一點，第二節探索方向中明明調用的是底層objc_alloc方法，爲何在建立對象處跟進源碼會來到alloc方法呢？

函數調用棧也略有問題

這個問題還與Xcode版本有關，Xcode11->objc_alloc，Xcode10->alloc，實在使人百思不得其解

對於這個問題，目前的說法是源碼開源得不夠充分。如下這段代碼雖然未調用到，但其邏輯也是回味無窮
大體猜想是這個方法等於交換單次的Method Swizzling（既然官方不開源，說明無關痛癢）
複製代碼

2.alloc、_objc_rootAlloc方法

前面說起過的兩個方法

+ (id)alloc {
    return _objc_rootAlloc(self);
}
複製代碼

_objc_rootAlloc(Class cls)
{
    return callAlloc(cls, false/*checkNil*/, true/*allocWithZone*/);
}
複製代碼

3.callAlloc方法

// Call [cls alloc] or [cls allocWithZone:nil], with appropriate 
// shortcutting optimizations.
static ALWAYS_INLINE id callAlloc(Class cls, bool checkNil, bool allocWithZone=false) {
    if (slowpath(checkNil && !cls)) return nil;

#if __OBJC2__
    if (fastpath(!cls->ISA()->hasCustomAWZ())) {
        // No alloc/allocWithZone implementation. Go straight to the allocator.
        // fixme store hasCustomAWZ in the non-meta class and 
        // add it to canAllocFast's summary
        if (fastpath(cls->canAllocFast())) {
            // No ctors, raw isa, etc. Go straight to the metal.
            bool dtor = cls->hasCxxDtor();
            id obj = (id)calloc(1, cls->bits.fastInstanceSize());
            if (slowpath(!obj)) return callBadAllocHandler(cls);
            obj->initInstanceIsa(cls, dtor);
            return obj;
        }
        else {
            // Has ctor or raw isa or something. Use the slower path.
            id obj = class_createInstance(cls, 0);
            if (slowpath(!obj)) return callBadAllocHandler(cls);
            return obj;
        }
    }
#endif

    // No shortcuts available.
    if (allocWithZone) return [cls allocWithZone:nil];
    return [cls alloc];
}
複製代碼

①if (slowpath(checkNil && !cls))判斷

fastpath(x)表示x極可能不爲0，但願編譯器進行優化；slowpath(x)表示x極可能爲0，但願編譯器進行優化——這裏表示cls大機率是有值的，編譯器能夠不用每次都讀取 return nil 指令

②if (fastpath(!cls->ISA()->hasCustomAWZ()))判斷

hasCustomAWZ實際意義是hasCustomAllocWithZone——這裏表示有沒有alloc / allocWithZone的實現（只有不是繼承NSObject/NSProxy的類才爲true）

③if (fastpath(cls->canAllocFast()))判斷

內部調用了bits.canAllocFast默認爲false

④id obj = class_createInstance(cls, 0)

內部調用了_class_createInstanceFromZone(cls, extraBytes, nil)

這裏有個id obj，嘗試着控制檯打印一下

咱們已經找到了咱們想要的結果，接下來咱們探索下_class_createInstanceFromZone方法是怎麼將obj建立出來的

4._class_createInstanceFromZone方法

/*********************************************************************** * class_createInstance * fixme * Locking: none **********************************************************************/

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 {
            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;
}
複製代碼

①hasCxxCtor()

hasCxxCtor()是判斷當前class或者superclass是否有.cxx_construct 構造方法的實現

②hasCxxDtor()

hasCxxDtor()是判斷判斷當前class或者superclass是否有.cxx_destruct 析構方法的實現

③canAllocNonpointer()

anAllocNonpointer()是具體標記某個類是否支持優化的isa

④instanceSize()

instanceSize()獲取類的大小（傳入額外字節的大小）

已知zone=false，fast=true，則(!zone && fast)=true

⑤calloc()

用來動態開闢內存，沒有具體實現代碼，接下來的文章會講到malloc源碼

⑥initInstanceIsa()

內部調用initIsa(cls, true, hasCxxDtor)初始化isa

這一步已經完成了初始化isa並開闢內存空間，那咱們來看看instanceSize作了什麼

5.字節對齊

#ifdef __LP64__
# define WORD_SHIFT 3UL
# define WORD_MASK 7UL
# define WORD_BITS 64
#else
# define WORD_SHIFT 2UL
# define WORD_MASK 3UL
# define WORD_BITS 32
#endif

static inline uint32_t word_align(uint32_t x) {
    return (x + WORD_MASK) & ~WORD_MASK;
}

// May be unaligned depending on class's ivars.
    uint32_t unalignedInstanceSize() {
        assert(isRealized());
        return data()->ro->instanceSize;
    }

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

    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;
    }
複製代碼

下面按調用順序講解

①size_t instanceSize(size_t extraBytes)

前面講過——獲取類的大小

②alignedInstanceSize()

獲取類所須要的內存大小

③unalignedInstanceSize()

data()->ro->instanceSize就是獲取這個類全部屬性內存的大小。這裏只有繼承NSObject的一個屬性isa——返回8字節

④word_align

顧名思義，字節對齊——64位系統下，對象大小採用8字節對齊

⑤if (size < 16) size = 16

CoreFoundation須要全部對象之和至少是16字節

6.字節對齊算法

假如： x = 9，已知WORD_MASK = 7

 x + WORD_MASK = 9 + 7 = 16
 WORD_MASK 二進制 ：0000 0111 = 7 （4+2+1）
 ~WORD_MASK : 1111 1000
 16二進制爲  : 0001 0000
  
 1111 1000
 0001 0000
---------------
 0001 0000 = 16

 因此 x = 16    也就是 8的倍數對齊，即 8 字節對齊
複製代碼

這裏有個疑問：爲何要使用8字節對齊算法呢？

簡單畫了個示意圖，上邊是牢牢挨着，下面是8字節爲一格。若是cpu存數據的時候牢牢挨着，讀取的時候要不斷變化讀取長度，因此這時間就採用了空間換時間的作法

那爲何是8字節？不是4字節或是16字節？

——由於內存中8字節的指針比較多

7.alloc實際流程圖

instanceSize計算內存大小——量房子

calloc申請開闢內存——造房子

initInstanceIsa指針關聯對象——房子寫下名字

4、init & new

init什麼也不作，就是給開發者使用工廠設計模式提供一個接口

// Replaced by CF (throws an NSException)
+ (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;
}
複製代碼

補充：關於子類中if (self == [super init])爲何要這麼寫——子類先繼承父類的屬性，再判斷是否爲空，如若爲空不必進行一系列操做了直接返回nil

new等於先調用alloc，再init

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

寫在後面

研究源碼必然是枯燥的，可是面對源碼不用懼怕，一步步把它拆分開來研究，多利用官方給的註釋/Github大神的註釋，慢慢也就啃下來了。

看別人學習津津有味，不如本身上手實際玩一下會更有收穫；只看不練永遠學不會，或許你學的正是別人錯誤的理論呢