「OC」源碼學習——對象的底層探索

前言

上次我們說到了源碼里面的調用順序，現在我們繼續了解我們上一篇文章沒有講完的關于對象的內容函數，完整了解對象的產生對于isa賦值以及內存申請的內容

函數內容

先把_objc_rootAllocWithZone函數的內容先貼上來

static ALWAYS_INLINE id
_class_createInstance(Class cls, size_t extraBytes,int construct_flags = OBJECT_CONSTRUCT_NONE,bool cxxConstruct = true,size_t *outAllocatedSize = nil)
{ASSERT(cls->isRealized());//斷言確保類已加載并完成內存布局（即 "realized" 狀態）bool hasCxxCtor = cxxConstruct && cls->hasCxxCtor(); //查看父類是否存在C++的析構函數bool hasCxxDtor = cls->hasCxxDtor();//查看是否存在C++的析構函數bool fast = cls->canAllocNonpointer();//是否支持指針優化size_t size;size = cls->instanceSize(extraBytes);//計算所需要的字節數if (outAllocatedSize) *outAllocatedSize = size;//返回計算的字節數id obj = objc::malloc_instance(size, cls);//根據類對象申請對應的內存if (slowpath(!obj)) {if (construct_flags & OBJECT_CONSTRUCT_CALL_BADALLOC) {return _objc_callBadAllocHandler(cls);}return nil;}if (fast) {obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor);//如果是優化的isa指針先進入進行判斷再進入initIsa} else {// Use raw pointer isa on the assumption that they might be// doing something weird with the zone or RR.obj->initIsa(cls);}if (fastpath(!hasCxxCtor)) {return obj;//沒有析構函數就可以直接返回了}construct_flags |= OBJECT_CONSTRUCT_FREE_ONFAILURE;//添加一個flagreturn object_cxxConstructFromClass(obj, cls, construct_flags);
}

我們來看看instanceSize這個函數究竟實現了什么，按照instanceSize->fastInstanceSize->align16，依次步入，我們可以看到一下內容

static inline size_t align16(size_t x) {return (x + size_t(15)) & ~size_t(15);
}

這個程序就是一個16字節對齊的算法，先拋開這個算法，若是由我們來設計這個算法我們的思路是什么呢？最簡單的就是

(x + 15) / 16 * 16

當然很快我們就意識到了，使用乘法和除法運算的效率和位運算相比實在太低了，正好16是2的4次方，位運算一樣的解決啊

(x + 15) >> 4 << 4

OK現在設計完了我們在來看看蘋果設計的代碼

(x + 15) & ~15

~有按位取反的意思通過按位與操作，將低 4 位（二進制 1111）清零，得到最近的 16 的倍數。用size(15)是為了兼容32位和64機型，因為size_t 是無符號整數類型，其位數由平臺決定（32 位系統為 4 字節，64 位系統為 8 字節）。當 x是 size_t 類型時，size_t(15) 確保運算中的右操作數（15）與左操作數（x）類型一致，避免隱式轉換帶來的風險

內存內容探究

GGObject *obj = [GGObject alloc];
NSLog(@"%lu", sizeof(obj));
NSLog(@"%lu", class_getInstanceSize(obj.class));
NSLog(@"%lu", malloc_size((__bridge const void*)(obj)));

根據這個內容我們可以看到自定義類對應的大小

當我們的類被編譯了之后，底層會類編譯成 isa + 成員變量，所以在給類的實例分配內存的話這個內存塊存儲的就是 isa + 成員變量的值。

內存對齊

學過C語言我們都知道，結構體是有內存對齊這個概念的，當然不同的排列所實現的內存對齊是不同的，例如

struct Mystruct1{char a;     //1字節double b;   //8字節int c;      //4字節short d;    //2字節
}Mystruct1;struct Mystruct2{double b;   //8字節int c;      //4字節short d;    //2字節char a;     //1字節
}Mystruct2;//計算 結構體占用的內存大小
NSLog(@"%lu-%lu",sizeof(Mystruct1),sizeof(Mystruct2));// 打印：24 - 16

結構體安排的順序會關系到結構體內存的大小，我們知道OC之中的對象其實就是由結構體構成的，那我們來探究一下不同的屬性對對象的內存是否有影響呢

內存重排

對象的本質 = isa + 成員變量的值。

#import <Foundation/Foundation.h>
@interface MyPerson : NSObject
// isa 8字節
@property (nonatomic, copy) NSString *name; // 8字節
@property (nonatomic, copy) NSString *hobby; // 8字節
@property (nonatomic, assign) int age; // 4字節
@property (nonatomic, assign) double height; // 8字節
@property (nonatomic, assign) short number; // 2字節
@end

一共38字節，16字節內存對齊得到總的字節數為48字節，在探究內存問題之前，先學幾個lldb命令

lldb指令:p   輸出10進制p/x 輸出16進制p/0 輸出8進制p/t 輸出2進制p/f 輸出浮點數x   輸出地址x/4gx  輸出4個字節地址x/6gx  輸出6個字節地址

現在我們用lldb進行調試

 MyPerson *p = [GGObject alloc];p.name = @"bb";p.hobby = @"吃吃睡睡喝喝";p.height = 1.80;p.age = 26;p.number = 123;

其實嘗試著將類之中的屬性內容，打印出來可以看到，無論屬性怎么排列，這個MyPerson類age和number這兩個屬性永遠會排在一起，這個就是編譯器的內存優化，對屬性進行重排

我們看到在類的內部，我們的屬性會通過重新排列獲得最小內存，接下來我們看看能能不能重排父類的屬性和子類屬性吧

還是可以看到子類屬性并不會跟父類屬性合并

@interface JCTestObject : NSObject
{@publicint count;// 若count在此處，為JCTestSubObject實例實際需要40字節，系統為實例分配48字節NSObject *obj1;NSObject *obj2;
//    int count; // 若count在此處，為JCTestSubObject實例實際需要32字節，系統為實例分配32字節}
@end
@interface JCTestSubObject : JCTestObject
{@publicint count2;
}

isa走向

之前學習過關于isa指針的部分內容，

結論：

類的實例isa --> 類對象；
類對象isa --> 元類對象；
元類對象isa --> 根元類對象；
根元類對象isa --> 根元類對象自己。

objc_class 與 `objc_object

objc_object 是所有 Objective-C 對象的底層結構體，其定義如下

struct objc_object {isa_t isa;  // 指向類對象或元類的指針
};

objc_class 是類的底層結構體，類對象（如 [LGPerson class]）和元類（metaclass）均為此類型。其繼承自 objc_object，定義如下：

struct objc_class : objc_object {Class superclass;          // 父類指針cache_t cache;             // 方法緩存（哈希表）class_data_bits_t bits;    // 指向類信息（如方法列表、屬性等）
};

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class_getClassMethod和class_getInstanceMethod

先定義模版類

@interface JCObject : NSObject
{int _sum;
}
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@property (nonatomic, copy) NSString *hobby;
@property (nonatomic, assign) int age;
@property (nonatomic, assign) double height;
@property (nonatomic, assign) short number;
- (void)speak;
- (void)sayHello;
+ (void)walk;
@end@implementation JCObject- (void)speak {NSLog(@"%s", __func__);
}
+ (void)walk {NSLog(@"%s", __func__);
}-(void) sayHello {NSLog(@"%s", __func__);
}

在完成兩個函數

void jcInstanceMethod_classToMetaclass(Class pClass){const char *className = class_getName(pClass);Class metaClass = objc_getMetaClass(className);Method method1 = class_getInstanceMethod(pClass, @selector(speak));Method method2 = class_getInstanceMethod(metaClass, @selector(speak));Method method3 = class_getInstanceMethod(pClass, @selector(walk));Method method4 = class_getInstanceMethod(metaClass, @selector(walk));NSLog(@"%s - %p-%p-%p-%p",__func__,method1,method2,method3,method4);
}void jcClassMethod_classToMetaclass(Class pClass){const char *className = class_getName(pClass);Class metaClass = objc_getMetaClass(className);Method method1 = class_getClassMethod(pClass, @selector(speak));Method method2 = class_getClassMethod(metaClass, @selector(speak));Method method3 = class_getClassMethod(pClass, @selector(walk));Method method4 = class_getClassMethod(metaClass, @selector(walk));NSLog(@"%s-%p-%p-%p-%p",__func__,method1,method2,method3,method4);
}//main函數
JCObject *person = [JCObject alloc];
Class pClass = object_getClass(person);
jcObjc_copyMethodList(pClass);
jcInstanceMethod_classToMetaclass(pClass);
jcClassMethod_classToMetaclass(pClass);

得到的結果

jcInstanceMethod_classToMetaclass

要了解jcInstanceMethod_classToMetaclass之中的內容就要從理解class_getInstanceMethod開始，顧名思義class_getInstanceMethod這個方法，主要是用于獲取實例方法，如果在傳入的類或者類的父類中沒有找到指定的實例方法，則返回NULL。從實例方法存儲在類中，類方法存儲在元類中可以得知，JCObject的方法列表打印結果只有sayHello方法

jcClassMethod_classToMetaclass

需要先了解class_getClassMethod這個方法，看該方法的源碼實現，可以得出class_getClassMethod的實現是獲取類的類方法，其本質就是獲取元類的實例方法，最終還是會走到class_getInstanceMethod

//獲取類方法
Method class_getClassMethod(Class cls, SEL sel)
{if (!cls  ||  !sel) return nil;return class_getInstanceMethod(cls->getMeta(), sel);
}??
//獲取元類
//在getMeta源碼中，如果判斷出cls是元類，那么就不會再繼續往下遞歸查找，會直接返回this，其目的是為了防止元類的無限遞歸查找
Class getMeta() {if (isMetaClass()) return (Class)this;else return this->ISA();
}

所以我們再來看看結果

對于speak方法存在于類對象之中，而walk方法存在于元類對象之中，所以使用class_getInstanceMethod可以在類對象之中找到speak方法，而在元類對象之中找到walk的類方法

而對于class_getClassMethod來說如果不是元類會先找到元類，然后再在元類之中查找類方法

iskindOfClass & isMemberOfClass

• iskindOfClass & isMemberOfClass 類方法調用

//-----使用 iskindOfClass & isMemberOfClass 類方法
BOOL re1 = [(id)[NSObject class] isKindOfClass:[NSObject class]];       //
BOOL re2 = [(id)[NSObject class] isMemberOfClass:[NSObject class]];     //
BOOL re3 = [(id)[LGPerson class] isKindOfClass:[LGPerson class]];       //
BOOL re4 = [(id)[LGPerson class] isMemberOfClass:[LGPerson class]];     //
NSLog(@" re1 :%hhd\n re2 :%hhd\n re3 :%hhd\n re4 :%hhd\n",re1,re2,re3,re4);

• iskindOfClass & isMemberOfClass 實例方法調用

//------iskindOfClass & isMemberOfClass 實例方法
BOOL re5 = [(id)[NSObject alloc] isKindOfClass:[NSObject class]];       //
BOOL re6 = [(id)[NSObject alloc] isMemberOfClass:[NSObject class]];     //
BOOL re7 = [(id)[LGPerson alloc] isKindOfClass:[LGPerson class]];       //
BOOL re8 = [(id)[LGPerson alloc] isMemberOfClass:[LGPerson class]];     //
NSLog(@" re5 :%hhd\n re6 :%hhd\n re7 :%hhd\n re8 :%hhd\n",re5,re6,re7,re8);

• isKindOfClass
  檢查對象是否屬于指定類或其繼承鏈中的任意父類。例如，若對象是 Person 類的子類實例（如 Student），則 [student isKindOfClass:[Person class]] 返回 YES

//--isKindOfClass---類方法、對象方法
//+ isKindOfClass：第一次比較是 獲取類的元類 與 傳入類對比，再次之后的對比是獲取上次結果的父類 與 傳入 類進行對比
+ (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls {// 獲取類的元類 vs 傳入類// 根元類 vs 傳入類// 根類 vs 傳入類// 舉例：LGPerson vs 元類 (根元類) (NSObject)for (Class tcls = self->ISA(); tcls; tcls = tcls->superclass) {if (tcls == cls) return YES;}return NO;
}//- isKindOfClass：第一次是獲取對象類 與 傳入類對比，如果不相等，后續對比是繼續獲取上次 類的父類 與傳入類進行對比
- (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls {
/*
獲取對象的類 vs 傳入的類 
父類 vs 傳入的類
根類 vs 傳入的類
nil vs 傳入的類
*/for (Class tcls = [self class]; tcls; tcls = tcls->superclass) {if (tcls == cls) return YES;}return NO;
}

• isMemberOfClass
  嚴格檢查對象是否直接屬于指定類，不包含繼承鏈。例如，Student 實例調用 isMemberOfClass:[Person class] 會返回 NO，因為其直接類是 Student 而非 Person

//-----類方法
//+ isMemberOfClass : 獲取類的元類，與 傳入類對比
+ (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {return self->ISA() == cls;
}
//-----實例方法
//- isMemberOfClass : 獲取對象的類，與 傳入類對比
- (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {return [self class] == cls;
}

參考文章

iOS-底層原理 09：類 & isa 經典面試題分析