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IOS 底层原理之 alloc 探究

IOS 底层原理之 alloc 探究

前言

作为一名iOS程序员,我们每天基本上都在alloc,但是alloc底层做了什么,我们并不知道。今天就探索下alloc底层流程。在探究之前,我们先做个简单的小测试(不要急,一步一步来)。下面分别输出对象的内容,对象的地址,以及对象指针的地址代码和打印如下:

    LWPerson * obj = [LWPerson alloc];
    LWPerson * obj1 = [obj init];
    LWPerson * obj2 = [obj init];
    
    LWPerson * newObj = [LWPerson alloc];
 
    NSLog(@"%@---%p--%p",obj,obj,&obj);
    NSLog(@"%@---%p--%p",obj1,obj1,&obj1);
    NSLog(@"%@---%p--%p",obj2,obj2,&obj2);
    NSLog(@"%@---%p--%p",newObj,newObj,&newObj);
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    <LWPerson: 0x281404710>---0x281404710--0x16b5cdbe8
    <LWPerson: 0x281404710>---0x281404710--0x16b5cdbe0
    <LWPerson: 0x281404710>---0x281404710--0x16b5cdbd8
    <LWPerson: 0x281404740>---0x281404740--0x16b5cdbd0
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探究分析得出结论

  • objobj1obj2 打印的内容,对象的地址是一样的,但是指针的地址是不一样的。
  • newObjobjobj1obj2 打印的内容,对象的地址,指针的地址是不一样的。

问题:到底是为什么呢?原因如下图:

图片.png

总结:

  • alloc具有开辟一块内存功能,而init没有开辟内存的功能。
  • 栈区开辟的内存是地址到地址,堆区则是地址到地址。

下面我们要探究的内容是在初始化对象时,alloc到底做了什么?

准备工作

  1. 下载源码 objc4-818.2
  2. 编译源码(后续补上)

三种探索底层的方法

问题:我们想探索alloc的流程,但是发现 xcode 并没有提供alloc的具体实现,那么到底该从哪里入手呢,探索的思维很重要,勇敢的跨出第一步吧,那么下面提供三种探索底层的方法。

1. 符号断点

在需要调试的位置打上断点,当断点断住的时候按住control键,然后step into 进入下一步,然后在汇编里面找到方法,然后给这个方法添加符号断点。具体流程如下图

图片.png

2. 汇编(yysd-永远的神)

当断点断住的时候,Xcode -> Debug -> Debug Workflow -> Always Show Disassembly 进入汇编找到跳转的方法,此时有两种方式,一种找到方法直接添加断点调试。另一种就是断住跳转的地方,按住control键,然后step into 进入下一步,这种stp into 可以一直走,只不过中间过程比较繁琐,如果嫌弃麻烦在你想放弃的时候,此时打一个符号断点。具体流程如下图

图片.png

3. 符号断点,断住位置

在探究哪个的方法就直接给方法添加符号断点,比如我们探究alloc方法就直接给alloc添加符号断点,没有其他乱七八糟,就是暴力(注意:这个断点在你需要断住的地方,然后再激活,不然可能项目运行的时候很多地方都会调用,你会爆炸的)。 图片.png

编译源码

上面说的三种方法,比较繁琐,特别是流程比较深,嵌套比较复杂,人会受不了的。那么现在有没有一种比较丝滑,自然的方法呢?既然这么问了,那是必须有的嘛。 我们已经知道 objc_alloc 是属于libobjc库的,那么我们就把苹果提供给我们的 objc 源码编译成工程跑起来,这种是我们比较舒服的。上面的准备工作已经准备好了,下面我们就一起探索吧。

alloc源码探索

根据源码工程,点击进入alloc, 流程图如下 图片.png 探索流程如下断点进入 alloc

+ (id)alloc {
    return _objc_rootAlloc(self);
}
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断点进入 _objc_rootAlloc

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

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断点进入 callAlloc

static ALWAYS_INLINE id
callAlloc(Class cls, bool checkNil, bool allocWithZone=false)
{
#if __OBJC2__ //判断是不是 objc2.0版本
    //slowpath(x):x很可能为假,为真的概率很小 
    //fastpath(x):x很可能为真 
    //其实将fastpath和slowpath去掉是完全不影响任何功能,写上是告诉编译器对代码进行优化
    if (slowpath(checkNil && !cls)) return nil;
    //判断该类是否实现自自定义的 +allocWithZone,没有则进入if条件句
    if (fastpath(!cls->ISA()->hasCustomAWZ())) {
        return _objc_rootAllocWithZone(cls, nil);
    }
#endif

    // No shortcuts available.
    if (allocWithZone) {
        return ((id(*)(id, SEL, struct _NSZone *))objc_msgSend)(cls, @selector(allocWithZone:), nil);
    }
    return ((id(*)(id, SEL))objc_msgSend)(cls, @selector(alloc));
}
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断点进入 _objc_rootAllocWithZone

id
_objc_rootAllocWithZone(Class cls, malloc_zone_t *zone __unused)
{
    // allocWithZone under __OBJC2__ ignores the zone parameter
    return _class_createInstanceFromZone(cls, 0, nil,
                                         OBJECT_CONSTRUCT_CALL_BADALLOC);
}
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此时走入真正的核心代码,断点进入 _class_createInstanceFromZone

static ALWAYS INLINE id.png

从流程图和源代码可以看出 _class_createInstanceFromZone 方法中有核心三个方法需要实现

  • cls->instanceSize : 计算内存大小
  • (id)calloc(1, size) : 开辟内存,返回地址指针
  • obj->initInstanceIsa :初始化指针,和类关联起来

下面就对这三个方法重点分析

instanceSize:计算内存大小

断点进入 instanceSize

inline size_t instanceSize(size_t extraBytes) const {
        //快速计算内存大小
        if (fastpath(cache.hasFastInstanceSize(extraBytes))) {
            return cache.fastInstanceSize(extraBytes);
        }
        //计算类中所有变量需要的内存大小   extraBytes额外字节数一般是0
        size_t size = alignedInstanceSize() + extraBytes;
        // CF requires all objects be at least 16 bytes.
        //最小返回16字节
        if (size < 16) size = 16;  
        return size;
    }
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断点进入 cache.fastInstanceSize

size_t fastInstanceSize(size_t extra) const
    {
        ASSERT(hasFastInstanceSize(extra));

        if (__builtin_constant_p(extra) && extra == 0) {
            return _flags & FAST_CACHE_ALLOC_MASK16;
        } else {
            size_t size = _flags & FAST_CACHE_ALLOC_MASK;
            // remove the FAST_CACHE_ALLOC_DELTA16 that was added
            // by setFastInstanceSize
            return align16(size + extra - FAST_CACHE_ALLOC_DELTA16);
        }
    }
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断点进入 align16 (16字节对齐)

static inline size_t align16(size_t x) {
    return (x + size_t(15)) & ~size_t(15);
}
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我们探究下 align16 方法的具体实现 已 align16(10)为例

x = 10 (x + size_t(15)) & ~size_t(15) ~(取反)
10 + 15 = 25 0001 1001
15 0000 1111
~15 1111 0000
25 & ~15 0001 1001 & 1111 0000
结果:0001 0000 16

总结:align16 算法实际上就是取16的整数倍。我认为是向下取整,理由我是站在纯算法的角度,(x + 15)16几倍,超过的部分抹去。例如 (20 + 15) = 35 = 16 * 2 + 3,结果是32。这种算法和 >> 4 << 4 是一样的,得出的结果就是16的倍数,不足16的全部抹去。

为什么需要16字节对齐

  • cpu 读取数据是以固定字节块来读取的,这是一个用空间换取时间的做法,如果频繁的读取字节未对齐的数据,降低了cpu的性能和读取速度。
  • 更安全 由于在一个对象中isa指针是占8个字节,如果不进行节对齐 ,对象之间就会紧挨着,容易造成访问混乱。16字节对齐,会预留部分空间,访问更安全

calloc:开辟内存,返回地址指针

首先由 instanceSize 方法 计算出需要的内存大小,然后向系统申请 size 大小的内存,返回给objc,因此objc是指向内存地址的指针,下面我们通过断点打印的方法来验证下

id obj.png

从图中可以看出,obj还没有进行赋值,此时有地址值,说明系统给他分配了一块脏地址

if (slowpath(!obj)) {.png

执行calloc后打印的是一个16进制的指针地址,说明已经开辟了内存,但是和平常见到的地址指针(<LWPerson: 0x100726d00>)不一样,为什么呢?

  • obj没有和cls进行关联绑定
  • 同时验证了calloc只是开辟了内存

initInstanceIsa:初始化指针 ,和类关联起来

断点进入 initInstanceIsa

inline void 
objc_object::initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor)
{
    ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());
    ASSERT(hasCxxDtor == cls->hasCxxDtor());

    initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
}
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具体的 isa 结构和源码探究,会在后面单独发文

isa指针初始化以后,打印objc

return _objc_cal1BadAllocHandler();.png

图中打印结果:指针已经与类进行了关联,alloc探索也完成了。

init探究

- (id)init {
    return _objc_rootInit(self);
}
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断点进入 _objc_rootInit

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;
}
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  • init方法返回的是对象本身
  • init可以提供给开发者更多的自由去自定义 ,通过id实现强转,返回我们需要的类型

new探究

+ (id)new {
    return [callAlloc(self, false/*checkNil*/) init];
}
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源码显示 走了callAlloc的方法流程,然后走了init方法 ,所以 new看做是alloc + init

总结

alloc 的核心作用就是开辟内存,通过isa指针与类进行关联,init方法,提供开发者更多的自由,new 是对(alloc+init)进行了封装,无法在初始化的时候添加其它的需求。

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iOS
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