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iOS底层原理——Objective-C的本质

开篇首先放一个面试题:

面试题:一个NSObject对象占用多少内存?

作为一个iOS开发人员来说,虽然iOS底层原理更多的是在面试中被问到,但是在实际工作中,iOS底层原理是必须要掌握的知识。 想要弄清楚iOS底层原理的本质,首先要清楚以下两点:

  • OC对象在内存中是怎么布局的?
  • OC对象中包含了哪些内容?

一、NSObject对象在内存中的布局

我们平时编写的Objective-C代码,OC代码的底层实现其实都是C/C++代码,编译器先把OC代码转换成C/C++代码,接着转成汇编语言,最后转成机器语言最终运行在手机上;所以OC代码的本质其实就是C/C++代码; OC对象转换过程

接下来通过创建OC项目,并将OC相应文件转化为C++文件来探寻OC对象的本质。

#import "ViewController.h"

@interface ViewController ()

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    NSObject *isa_obj= [[NSObject alloc] init];
}

@end
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将OC的ViewController.m文件转化为C++文件,可以通过以下两种命令行来执行。

  • 第一种方式是不指定架构来转化为C++

    clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp

    其中cpp代表C++(c plus plus)

  • 第二种方式是指定架构模式(现在iOS是arm64架构) 来转化为C++。

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

在ViewController-arm64.cpp文件中全局搜索NSObjcet_IMPL,可以找到NSObject的实现代码。

    struct NSObject_IMPL {
         Class isa;
    };

    点击Class,我们发现,Class是一个指向结构体的指针,如下:
    typedef struct objc_class *Class;
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从上面可以看出,NSObject对象的底层是基于C++的数据类型实现。这个数据类型是结构体类型。 我们打印下NSObject内存,来看下NSObject对象在内存中的占用大小

#import "ViewController.h"
#import <objc/runtime.h>
#import <malloc/malloc.h>

@interface ViewController ()

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    NSObject *isa_obj= [[NSObject alloc] init];
    //获得NSObject类的实例对象的成员变量所占用的大小
    NSLog(@"%zd",class_getInstanceSize([NSObject class]));
    //获得isa_objl指针所指向内存的大小
    NSLog(@"%zd",malloc_size((__bridge const void *)isa_obj));    
}
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输出结果

2018-10-10 15:42:53.776715+0800 NSObject本质-01[5132:224858] 8
2018-10-10 15:42:53.776875+0800 NSObject本质-01[5132:224858] 16
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根据打印结果,NSObject对象的指针占用了8个字节,但是NSObject对象确占用了16个字节。其实class_getInstanceSize返回的是成员变量的大小,上例中这个成员变量只是isa指针。malloc_size返回的才是NSObject对象的在内存中的大小。

回到开头的面试题

面试题:一个NSObject对象占用多少内存?NSObject的面向对象是以C/C++的数据类型实现的,这种数据类型是结构体。在NSObject头文件中,Class是一个指向结构体的指针。在64位环境下,指针占用8个字节。但实际上系统给NSObject对象分配了16个字节。但是NSObject对象内部占用了8个字节。

在NSObject的初始化中,系统为NSObject对象分配16个字节的内存空间,其中8个字节用来存放一个成员isa指针。那么isa指针这个变量的地址就是结构体的地址,也就是NSObjcet对象的地址。 假设isa的地址为0x100400110,那么系统分配存储空间给NSObject对象,然后将存储空间的地址赋值给objc指针。objc存储的就是isa的地址。objc指向内存中NSObject对象地址,即指向内存中的结构体,也就是isa的位置。

我们通过自定义的类来说明内部布局

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface Student : NSObject
{
    @public
    int _no;
    int _age;
}
@end

@implementation Student


@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Student *student = [[Student alloc] init];
        student -> _no = 1;
        student -> _age = 18;
    }
    return 0;
}
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按照以上c++生成步骤生成文件,并查找Student,C++文件中如下:

struct Student_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
    int _no;
    int _age;
};
复制代码

通过搜索NSObject_IMPL,我们查找到NSObject_IMPL实现方式

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};
复制代码

所以Student_IMPL的结构体就相当于

struct Student_IMPL {
    Class *isa;
    int _no;
    int _age;
};
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因此,此结构体占用多少存储空间,Student对象就占用多少存储空间。结构体占用的存储空间为: isa指针(8个字节)+int _no(4个字节)+int _age(4个字节)= 16个字节

二、OC对象中包含的内容

OC对象,主要可以分为3种对象: 1.instance对象(实例对象) 2.class对象(类对象) 3.meta-class对象(元类对象)

1、instance(实例对象)

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; instance对象在内存中存储着信息包括:

  • isa指针
  • 其他成员变量的具体值

instance在内存中存储信息

2、class(类对象)

使用class出来的对象(类对象) 每个类在内存中有且只有一个class对象

注意:class方法返回的一直是类对象,所以哪怕这样写还是会返回类对象

Class objectMetaClass2 = [[[NSObject class] class] class];

class对象在内存中存储的信息:

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

class在内存中存储信息

3、meta-class(元类对象)

objectMetaClass是NSObject的meta-class对象(元类对象),每个类在内存中有且只有一个meta-class对象

Class objectMetaClass = object_getClass(objectClass5);

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
  • 类的类方法信息(class method)
  • ......

meta-class在内存中存储信息

isa指针的指向

  • instance的isa指向class

当调用对象方法时,通过instance对象的isa指针找到class,最后找到对象方法的实现进行调用。

  • class的isa指针指向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。

class对象的superclass指针

  • 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superclass,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

meta-class对象的superclass指针

  • 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。

isa、superclass的总结

isa和superclass指向流程

  • instance的isa指向class
  • class的isa指向meta-class
  • meta-class的isa指向基类的meta-class
  • class的superclass指向父类的class;如果没有父类,superclass的指针为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

转载自 简书

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