iOS的OC對象建立的alloc原理
前言
在OC開發中最基本的就是對象的建立，也就是用alloc和init方法來初始化對象，可是在咱們平常開發中這個對象建立的最基本最簡單的操做咱們只知道怎麼使用，並不知道里面的底層到底作了什麼，這就是這篇文章的如下須要介紹的alloc底層原理。算法
爲了更好的介紹如下的內容定義了一個TestObject的類sass
@interface TestObject : NSObject
@end
#import "TestObject.h"
@implementation TestObject
+ (void)initialize
{
NSLog(@"%s",__func__);
}
+(instancetype)allocWithZone:(struct _NSzone *)zone{
NSLog(@"%s",__func__);
return [super allocWithZone:zone];
}
@end
複製代碼
在介紹以前先來一個簡單的例子bash
TestObject *test = [TestObject alloc];
TestObject *test1 = [test init];
TestObject *test2 = [test1 init];
NSLog(@"=========輸出結果============");
NSLog(@"%@---%p",test,&test);
NSLog(@"%@---%p",test1,&test1);
NSLog(@"%@---%p",test2,&test2);
=========輸出結果============
2020-04-28 09:45:04.657448+0800 AllocDemo[3448:65473] <TestObject: 0x600002dfdf70>---0x7ffee4081188
2020-04-28 09:45:04.657608+0800 AllocDemo[3448:65473] <TestObject: 0x600002dfdf70>---0x7ffee4081180
2020-04-28 09:45:04.657769+0800 AllocDemo[3448:65473] <TestObject: 0x600002dfdf70>---0x7ffee4081178
複製代碼
從例子能夠看到，這三個是同一個對象，可是指針的地址是不一樣的，那麼問題來了，爲何這三個對象地址是同樣的？alloc和init底層到底作了什麼？app
1.經過彙編來對alloc的探索
1.能夠在Xcode上的Debug->Debug Workflow->Always show Disassembly，如圖：函數
2.配合系統斷點的形式來就能夠一步一步看到alloc底層的每一步的流程。經過這樣的方式能夠找到alloc的底層的入口,是objc_alloc底層方法源碼分析
objc_alloc方法是在
libobjc.A.dylib的庫裏面,而且它的下一步是
alloc方法。
2.源碼分析alloc底層
可是蘋果官方開源了這部分的源碼，能夠在蘋果源碼列表找到objc4,在裏面下載，能夠配合這個大佬的配置iOS_objc4-756.2 最新源碼編譯調試讓源碼能夠在Xcode上運行。接下來，我就是根據objc4-756.2的源碼來進行探索的。佈局
2.1 alloc的入口objc_alloc
經過上面的彙編能夠知道objc_alloc是alloc的底層入口，可是咱們經過源碼的配置點擊進去的話是會直接跳轉到post
+ (id)alloc {
return _objc_rootAlloc(self);
}
複製代碼
這是一個類方法，這是爲何呢？ 由於第一次alloc跑到objc_alloc這種是隻走一次，緣由就是sel實現imp函數地址，在macho的符號綁定(綁定symbol)的sel_alloc找到能夠找到objc_alloc性能
fixupMessageRef在正常的狀況下不走，只有這個對象須要修復的時候才走，因此正常的狀況下這個對象就是已經綁定了，因此在正常狀況下打斷點是不會跑到這裏的。
因此經過源碼將斷點打在objc_alloc方法上，進行下一步優化
2.2 callAlloc
// 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
第一次進來是從objc_alloc裏面進來的，其中checkNil爲true,allocWithZone爲false，由於第一次進來fastpath(!cls->ISA()->hasCustomAWZ())中的cls尚未指針isa,因此爲false，直接return [cls alloc],其中在調用了[cls alloc]方法會會觸發objc_msgSend調用initialize類方法，由於這個方法在第一次初始化該類以前會被調用。
#define fastpath(x) (__builtin_expect(bool(x), 1))
#define slowpath(x) (__builtin_expect(bool(x), 0))
slowpath(bool)與fastpath(bool)：經常使用於if-else，能夠優化判斷的速度。
應用gcc指令__builtin_expect(EXP,N) ,經過此指令優化編譯器在編譯時的代碼佈局,減小指令跳轉帶來的性能消耗。
複製代碼
2.3 alloc的第二次流程
經過第一次的callAlloc返回，根據斷點跳轉到了
+ (id)alloc {
return _objc_rootAlloc(self);
}
// 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*/);
}
複製代碼
此時會再次調用callAlloc方法，可是此時的參數checkNil爲false，allocWithZone爲true。由於以前調用了initialize類方法，此時的bits是有值了，直接進入到了if(fastpath(!cls->ISA()->hasCustomAWZ()))裏面。
2.3.1 hasCustomAWZ()方法的解析
bool hasCustomAWZ() {
return ! bits.hasDefaultAWZ();
}
複製代碼
hasCustomAWZ方法意思就是判斷是否實現自定義的allocWithZone方法，若是沒有實現就調用系統默認的allocWithZone方法。
由於fastpath(cls->canAllocFast())根據源碼返回的永遠都是false
bool canAllocFast() {
assert(!isFuture());
return bits.canAllocFast();
}
#if FAST_ALLOC
·····
#else
····
bool canAllocFast() {
return false;
}
#endif
#define FAST_ALLOC (1UL<<2)
複製代碼
因此不會執行if裏面的代碼塊，只會執行else裏面的代碼塊
2.3.2 類中實現allocWithZone類方法對流程的影響
1.類沒有實現allocWithZone方法的時候是須要運行fastpath(!cls->ISA()->hasCustomAWZ())判斷裏面的代碼，最終是經過class_createInstance的返回
id obj = class_createInstance(cls, 0);
if (slowpath(!obj)) return callBadAllocHandler(cls);
return obj;
複製代碼
id class_createInstance(Class cls, size_t extraBytes)
{
return _class_createInstanceFromZone(cls, extraBytes, nil);
}
複製代碼
因此這個的流程是：alloc->_objc_rootAlloc->callAlloc(cls,false,true)->class_createInstance->_class_createInstanceFromZone
2.類實現了allocWithZone方法的時候就不會運行fastpath(!cls->ISA()->hasCustomAWZ())判斷裏面的代碼，直接跑
if (allocWithZone) return [cls allocWithZone:nil];
複製代碼
而且這時候會執行類中實現的allocWithZone方法
2020-04-28 23:55:18.173680+0800 LGTest[2370:69449] +[TestObject allocWithZone:]
複製代碼
經過斷點的形式獲得的流程是： alloc->_objc_rootAlloc->callAlloc(cls,false,true)->allocWithZone->_objc_rootAllocWithZone->class_createInstance->_class_createInstanceFromZone
最終這兩種狀況下都會執行到_class_createInstanceFromZone這個函數裏面。
2.3.4 _class_createInstanceFromZone方法
這個方法的源代碼
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 //判斷當前class或者superclass是否有.cxx_construct構造方法的實現 bool hasCxxCtor = cls->hasCxxCtor(); //判斷當前class或者superclass是否有.cxx——destruct析構方法的實現 bool hasCxxDtor = cls->hasCxxDtor(); bool fast = cls->canAllocNonpointer(); //經過進行內存對齊獲得實例大小 size_t size = cls->instanceSize(extraBytes); if (outAllocatedSize) *outAllocatedSize = size; id obj; if (!zone && fast) { obj = (id)calloc(1, size); if (!obj) return nil; //初始化實例的isa指針 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
下面是對_class_createInstanceFromZone的分析
1.cls->instanceSize(extraBytes)是進行內存對齊獲得的實例大小,裏面的流程分別以下：
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;
}
uint32_t alignedInstanceSize() {
return word_align(unalignedInstanceSize());
}
uint32_t unalignedInstanceSize() {
assert(isRealized());
return data()->ro->instanceSize;
}
static inline uint32_t word_align(uint32_t x) {
return (x + WORD_MASK) & ~WORD_MASK;
}
#ifdef __LP64__
# define WORD_MASK 7UL
#else
# define WORD_MASK 3UL
#endif
複製代碼
一開始進來的時候extraBytes爲0的，由於當前的TestObject裏面是沒有屬性的，是否是以爲開闢的內存空間是0呢？並非的，由於還有一個isa
@interface NSObject <NSObject> {
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wobjc-interface-ivars"
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#pragma clang diagnostic pop
}
複製代碼
經過流程能夠知道在unalignedInstanceSize方法中獲得編譯進去的實例的大小，由於isa是一個對象指針，因此這個的大小是一個8字節。因此傳到word_align方法裏面的x爲8。其中WORD_MASK在64位系統下是7，不然是3，所以，word_align()方法在64位系統下進行計算是8字節對齊按照裏面的算法就是至關於8的倍數。返回到instanceSize()方法中的size就是對象須要的空間大小爲8，由於裏面有小於16的返回16。
2.calloc函數是初始化所分配的內存空間的。
3.initInstanceIsa函數是初始化isa,關聯cls的，這部份內容後續會進行介紹。
2.4 init和new
1.介紹完alloc以後，init方法經過源碼
- (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
其實就是返回它的自己的。
2.new的方法經過源碼知道是 callAlloc方法和 init的方法的結合
+ (id)new {
return [callAlloc(self, false/*checkNil*/) init];
}
複製代碼
3.最後
經過上面的流程獲得了最終的alloc在底層的流程圖
- 1. iOS之武功祕籍①：OC對象原理-上(alloc & init & new)
- 2. OC 對象原理（1）- 對象的建立（隨記）
- 3. OC底層原理之-0C對象（上）對alloc理解
- 4. iOS底層原理之`OC語法`(oc對象的本質)
- 5. Objc源碼——對象建立alloc和init
- 6. OC對象建立過程
- 7. OC 類、對象的建立和使用
- 8. iOS 底層 - OC 對象的建立流程
- 9. 定義OC的類和建立OC的對象
- 10. iOS的OC對象的內存對齊
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