本质

内存分配

很多人都知道Objective-C的底层主要是C,C++实现的,所以Objective-C得对象也肯定是基于C,C++的数据结构实现的.那问题来了,是什么数据结构实现的呢? 大家可以想象,对象或者类可以有各种类型的实例包括NSString,Float,int,NSArray,要存储不同类型的数据结构,只有结构体.打开NSObject看其源码:

再点击Class可以很清楚看到其是结构体:

编写一个简单的工程代码:

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
  //object-c的面向对象都是基于C/C++的数据结构实现的
 NSObject *objc = [NSObject new];
   }
 }

通过命令行将OC的main.m文件转化为c++文件看一下其底层实现:

xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main.cpp

xc:xcode缩写 xcrun:Xcode的一种工具。 -sdk iphoneos:规定sdk需要运行在iOS系统上面 clang:Xcode内置的llvm编译器前端，也是编译器的一种。 -arch xxx(arm64、i386、armv7...):指出iOS设备的架构参数 -rewrite-objc xx.m 是重写objc代码的指令(即重写xx.m文件) -o newFileName.cpp 表示输出新的.cpp文件

转成的.cpp文件有几万行代码,咱们也不必深究,直接搜索NSObject_IMPL(也就是NSObject的实现)

所以系统的NSObject类仅有唯一的成员变量,即isa指针

那么一个NSObject对象占用多少内存呢?咱们先看用函数查看一下它究竟占多少,然后再说原理

   NSLog(@"NSObject实例大小 %zd",class_getInstanceSize([NSObject class]));
   NSLog(@"malloc --%zd ",malloc_size((__bridge const void *)(objc)));

估计到这有人不明白了,那两个函数哪来的,干嘛用的,解释一下

<objc/runtime.h>文件提供class_getInstanceSize(Class _Nullable cls)方法，返回我们一个OC对象的实例所占用的内存大小；

<malloc/malloc.h>文件提供 size_t malloc_size(const void *ptr)方法返回系统为这个对象分配的内存大小。

到此我们知道一个NSObject对象需要8个字节的内存,系统实际分配的内存为16字节,为什么会这样呢?先不着急,咱们再看个例子定义一个Person类:

@interface Person : NSObject
{
    @public
    int _height;
    int _age;
    NSString *_name;
}
@end

我们创建了一个Person类,里面有两个int成员变量,一个NSString成员变量,大家都知道,一个int类型占4个字节,一个NSString类型占8字节,那么现在一个Person实例需要多少内存呢? 先再把它转成C++.cpp文件看一下:

大家可以看到Person里面的结构,发现第一个是 NSObject_IMPL的实现。而通过上面的实验我们知道NSObject_IMPL内部其实就是Class isa 那么我们假设 struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS; 等价于 Class isa; 可以将上述代码转化为

struct Person_IMPL {
	Class *isa;
	int _age;
	int _height;
	NSString *_name;
};

因此此结构体占用多少存储空间，对象就占用多少存储空间。因此结构体占用的存储空间为(isa指针8个字节空间)8+4+4+8需要24个字, 那么上述代码实际上在内存中的体现为,创建Person对象首先会分配24个字节

大家可以通过上面的class_getInstanceSize方法试试是不是24个字节那需要24个字节,系统到底给分配了多少呢? 使用malloc_size函数打印得到系统为其分配了32个字节?说来说去到底是怎么分配的呢? 咱们继续为Person类添加一个成员变量

计算一下内存8+4+4+8+4 = 28,但你使用class_getInstanceSize和malloc_size分别打印得到的确实32和32,也就是实例需要32字节内存,系统为其分配了32字节内存

讲到这很多人都蒙了,一个OC对象所占用的内存取决于这个对象成员有多少好理解,但怎么会计算所需的同打印出来实例需要的和分配的都不一样呢?这儿因为有个内存对齐的问题,在iOS系统下,系统分配的内存大小都是16byte的倍数,最大为256byte,这样对于操作系统访问CPU是最优最快的.而对象需要多少内存则取决于最大成员变量的大小,其最终需要的内存大小必须是最大成员变量大小的倍数

窥探内存结构

方式一: 通过打断点

Debug Workflow -> viewMemory address中输入对象的地址

从上图中，我们可以发现读取数据从高位数据开始读，查看前16位字节，每四个字节读出的数据为 16进制 0x0000004(4字节) 0x0000005(4字节) isa的地址为 00D1081000001119(8字节)

方式二: 通过lldb指令Xcode自带的调试器

memory read 0x10074c450
// 简写  x 0x10074c450

// 增加读取条件
// memory read/数量格式字节数  内存地址
// 简写 x/数量格式字节数  内存地址
// 格式 x是16进制，f是浮点，d是10进制
// 字节大小   b：byte 1字节，h：half word 2字节，w：word 4字节，g：giant word 8字节

示例：x/4xw    
//后面表示如何读取数据 w表示4个字节4个字节读取，x表示以16进制的方式读取数据，4则表示读取4次

同时也可以通过lldb修改内存中的值

memory write 0x100400c68 6
//0x100400c68 表示要修改值得内存地址
//6表示修改的新值

更复杂的继承关系

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

我们根据上面的分析,画出内存图例

我们发现只要是继承自NSObject的对象，那么底层结构体内一定有一个isa指针,大家可以根据上面的总结算出Student对象占用的内存为32个字节,而系统为其分配的内存也是32个字节

OC对象的分类

oc对象主要可以分为三类:

instance对象（实例对象）
class对象（类对象）
meta-class对象（元类对象）

instance对象

instance对象就是通过类alloc出来的对象，每次调用alloc都会产生新的instance对象

NSObjcet *object1 = [[NSObjcet alloc] init];
NSObjcet *object2 = [[NSObjcet alloc] init];

object1和object2都是NSObject的instace对象（实例对象），但他们是不同的两个对象，并且分别占据着两块不同的内存。 instance对象在内存中存储的信息包括

isa指针
其他成员变量

到了这里有人会好奇了,平时用的实例对象信息可不只包含成员变量,还有实例方法,协议信息,属性信息等,它们哪去了?别着急,咱们再看看Class对象

Class对象

以下是获取类对象的方法

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);

通过打印发现它们都是同一个对象,也就是说每个类在内存中有且只有一个Class对象那么怎么知道Class对象包含什么信息呢?咱们来看源码,找到objc4点击

下载最新的源码,数字越大,源码越新

下载后打开,通过object_getClass(搜索找到objc-runtime-new.mm文件里的gdb_object_getClass方法->look_up_class->realizeClass可以看到Class对象有如下内容

这里的class_ro_t,ro点readOnly,class_rw_t,rw代表readWrite,点击class_rw_t,class_ro_t可以看到如下内容

从上面两张图清晰的可以看出class对象包含的内容如下:

isa指针
superclass指针
类的属性信息（@property），类的成员变量信息（ivar）
类的对象方法信息（instance (method），类的协议信息（protocol）

那这儿大家会有个疑问,上面不是说成员变量信息不是在实例对象中吗怎么又在类对象中,不是矛盾了吗?一点也不矛盾

成员变量的值时存储在实例对象中的，因为只有当我们创建实例对象的时候才为成员变赋值。但是成员变量叫什么名字，是什么类型，只需要有一份就可以了。所以存储在class对象中。

前面说了实例方法放在类对象中,那类方法呢?

元类对象 meta-class

//runtime中传入类对象此时得到的就是元类对象
Class objectMetaClass = object_getClass([NSObject class]);
// 而调用类对象的class方法时得到还是类对象，无论调用多少次都是类对象
Class cls = [[NSObject class] class];
Class objectClass3 = [NSObject class];
class_isMetaClass(objectMetaClass) // 判断该对象是否为元类对象
NSLog(@"%p %p %p", objectMetaClass, objectClass3, cls); // 后面两个地址相同，说明多次调用class得到的还是类对象

打印得出如下结论:

每个类在内存中有且只有一个meta-class对象。

meta-class对象和class对象的内存结构是一样的，所以meta-class中也有类的属性信息，类的对象方法信息等成员变量，但是其中的值可能是空的

meta-class对象和class对象的内存结构是一样的，但是用途不一样，在内存中存储的信息主要包括

isa指针
superclass指针
类的类方法的信息（class method）

对象的isa指针指向哪里

当对象调用实例方法的时候，我们上面讲到，实例方法信息是存储在class类对象中的，那么要想找到实例方法，就必须找到class类对象，那么此时isa的作用就来了。

[stu studentMethod];

instance的isa指向class，当调用对象方法时，通过instance的isa找到class，最后找到对象方法的实现进行调用。 2. 当类对象调用类方法的时候，同上，类方法是存储在meta-class元类对象中的。那么要找到类方法，就需要找到meta-class元类对象，而class类对象的isa指针就指向元类对象

[Student studentClassMethod];

class的isa指向meta-class 当调用类方法时，通过class的isa找到meta-class，最后找到类方法的实现进行调用

当对象调用其父类对象方法的时候，又是怎么找到父类对象方法的呢？，此时就需要使用到class类对象superclass指针。

[stu personMethod];
[stu init];

当Student的instance对象要调用Person的对象方法时，会先通过isa找到Student的class，然后通过superclass找到Person的class，最后找到对象方法的实现进行调用，同样如果Person发现自己没有响应的对象方法，又会通过Person的superclass指针找到NSObject的class对象，去寻找响应的方法

4. 当类对象调用父类的类方法时，就需要先通过isa指针找到meta-class，然后通过superclass去寻找响应的方法

[Student personClassMethod];
[Student load];

当Student的class要调用Person的类方法时，会先通过isa找到Student的meta-class，然后通过superclass找到Person的meta-class，最后找到类方法的实现进行调用

用一张图来总结

解释一下:

instance的isa指向class
class的isa指向meta-class
meta-class的isa指向基类的meta-class，基类的isa指向自己
class的superclass指向父类的class，如果没有父类，superclass指针为nil
meta-class的superclass指向父类的meta-class，基类的meta-class的superclass指向基类的class
instance调用对象方法的轨迹，isa找到class，方法不存在，就通过superclass找父类
class调用类方法的轨迹，isa找meta-class，方法不存在，就通过superclass找父类

Objective-C对象的本质

本质