iOS底層原理總結 - 探尋OC對象的本質

iOS底層原理總結 - 探尋OC對象的本質

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對小碼哥底層班視頻學習的總結與記錄。面試題部分，通過對面試題的分析探索問題的本質內容。

面試題：一個NSObject對象占用多少內存？

探尋OC對象的本質，我們平時編寫的Objective-C代碼，底層實現其實都是C\C++代碼。

image.png

OC的對象結構都是通過基礎C\C++的結構體實現的。 我們通過創建OC文件及對象，并將OC文件轉化為C++文件來探尋OC對象的本質

OC如下代碼

#import <Foundation/Foundation.h>

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSObject *objc = [[NSObject alloc] init];

        NSLog(@"Hello, World!");
    }
    return 0;
}

我們通過命令行將OC的mian.m文件轉化為c++文件。

clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp // 這種方式沒有指定架構例如arm64架構 其中cpp代表（c plus plus）
生成 main.cpp

我們可以指定架構模式的命令行，使用xcode工具 xcrun

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

main-arm64.cpp 文件中搜索NSObjcet，可以找到NSObjcet_IMPL（IMPL代表 implementation 實現）

我們看一下NSObject_IMPL內部

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};
// 查看Class本質
typedef struct objc_class *Class;
我們發現Class其實就是一個指針，對象底層實現其實就是這個樣子。

思考： 一個OC對象在內存中是如何布局的。 NSObjcet的底層實現，點擊NSObjcet進入發現NSObject的內部實現

@interface NSObject <NSObject> {
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wobjc-interface-ivars"
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#pragma clang diagnostic pop
}
@end

轉化為c語言其實就是一個結構體

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};

那么這個結構體占多大的內存空間呢，我們發現這個結構體只有一個成員，isa指針，而指針在64位架構中占8個字節。也就是說一個NSObjec對象所占用的內存是8個字節。到這里我們已經可以基本解答第一個問題。但是我們發現NSObject對象中還有很多方法，那這些方法不占用內存空間嗎？其實類的方法等也占用內存空間，但是這些方法所占用的存儲空間并不在NSObject對象中。

為了探尋OC對象在內存中如何體現，我們來看下面一段代碼

NSObject *objc = [[NSObject alloc] init];

上面一段代碼在內存中如何體現的呢？上述一段代碼中系統為NSObject對象分配8個字節的內存空間，用來存放一個成員isa指針。那么isa指針這個變量的地址就是結構體的地址，也就是NSObjcet對象的地址。 假設isa的地址為0x100400110，那么上述代碼分配存儲空間給NSObject對象，然后將存儲空間的地址賦值給objc指針。objc存儲的就是isa的地址。objc指向內存中NSObject對象地址，即指向內存中的結構體，也就是isa的位置。

自定義類的內部實現

@interface Student : NSObject{

    @public
    int _no;
    int _age;
}
@end
@implementation Student

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {

        Student *stu = [[Student alloc] init];
        stu -> _no = 4;
        stu -> _age = 5;

        NSLog(@"%@",stu);
    }
    return 0;
}
@end

按照上述步驟同樣生成c++文件。并查找Student，我們發現Student_IMPL

struct Student_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
    int _no;
    int _age;
};

發現第一個是 NSObject_IMPL的實現。而通過上面的實驗我們知道NSObject_IMPL內部其實就是Class isa 那么我們假設 struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS; 等價于 Class isa;

可以將上述代碼轉化為

struct Student_IMPL {
    Class *isa;
    int _no;
    int _age;
};

因此此結構體占用多少存儲空間，對象就占用多少存儲空間。因此結構體占用的存儲空間為，isa指針8個字節空間+int類型_no4個字節空間+int類型_age4個字節空間共16個字節空間

Student *stu = [[Student alloc] init];
stu -> _no = 4;
stu -> _age = 5;

那么上述代碼實際上在內存中的體現為，創建Student對象首先會分配16個字節，存儲3個東西，isa指針8個字節，4個字節的_no ,4個字節的_age

image.png

sutdent對象的3個變量分別有自己的地址。而stu指向isa指針的地址。因此stu的地址為0x100400110，stu對象在內存中占用16個字節的空間。并且經過賦值，_no里面存儲4 ，_age里面存儲5

驗證Student在內存中模樣

struct Student_IMPL {
    Class isa;
    int _no;
    int _age;
};

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

@implementation Student

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
            // 強制轉化
            struct Student_IMPL *stuImpl = (__bridge struct Student_IMPL *)stu;
            NSLog(@"_no = %d, _age = %d", stuImpl->_no, stuImpl->_age); // 打印出 _no = 4, _age = 5
    }
    return 0;
}

上述代碼將oc對象強轉成Student_IMPL的結構體。也就是說把一個指向oc對象的指針，指向這種結構體。由于我們之前猜想，對象在內存中的布局與結構體在內存中的布局相同，那么如果可以轉化成功，說明我們的猜想正確。由此說明stu這個對象指向的內存確實是一個結構體。

實際上想要獲取對象占用內存的大小，可以通過更便捷的運行時方法來獲取。

class_getInstanceSize([Student class])
NSLog(@"%zd,%zd", class_getInstanceSize([NSObject class]) ,class_getInstanceSize([Student class]));
// 打印信息 8和16

窺探內存結構

實時查看內存數據

方式一：通過打斷點。 Debug Workflow -> viewMemory address中輸入stu的地址

image.png

從上圖中，我們可以發現讀取數據從高位數據開始讀，查看前16位字節，每四個字節讀出的數據為 16進制 0x0000004(4字節) 0x0000005(4字節) isa的地址為 00D1081000001119(8字節)

方式二：通過lldb指令xcode自帶的調試器

memory read 0x10074c450
// 簡寫  x 0x10074c450

// 增加讀取條件
// memory read/數量格式字節數  內存地址
// 簡寫 x/數量格式字節數  內存地址
// 格式 x是16進制，f是浮點，d是10進制
// 字節大小   b：byte 1字節，h：half word 2字節，w：word 4字節，g：giant word 8字節

示例：x/4xw    //   /后面表示如何讀取數據 w表示4個字節4個字節讀取，x表示以16進制的方式讀取數據，4則表示讀取4次

同時也可以通過lldb修改內存中的值

memory write 0x100400c68 6
將_no的值改為了6
image.png

那么一個NSObject對象占用多少內存？ NSObjcet實際上是只有一個名為isa的指針的結構體，因此占用一個指針變量所占用的內存空間大小，如果64bit占用8個字節，如果32bit占用4個字節。

更復雜的繼承關系

面試題：在64bit環境下， 下面代碼的輸出內容？

/* Person */
@interface Person : NSObject
{
    int _age;
}
@end

@implementation Person
@end

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

@implementation Student
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {

        NSLog(@"%zd  %zd",
              class_getInstanceSize([Person class]),
              class_getInstanceSize([Student class])
              );
    }
    return 0;
}

這道面試題的實質是想問一個Person對象，一個Student對象分別占用多少內存空間？

我們依據上面的分析與發現，類對象實質上是以結構體的形式存儲在內存中，畫出真正的內存圖例

image.png

我們發現只要是繼承自NSObject的對象，那么底層結構體內一定有一個isa指針。 那么他們所占的內存空間是多少呢？單純的將指針和成員變量所占的內存相加即可嗎？上述代碼實際打印的內容是16 16，也就是說，person對象和student對象所占用的內存空間都為16個字節。 其實實際上person對象確實只使用了12個字節。但是因為內存對齊的原因。使person對象也占用16個字節。

編譯器在給結構體開辟空間時，首先找到結構體中最寬的基本數據類型，然后尋找內存地址能是該基本數據類型的整倍的位置，作為結構體的首地址。將這個最寬的基本數據類型的大小作為對齊模數。 為結構體的一個成員開辟空間之前，編譯器首先檢查預開辟空間的首地址相對于結構體首地址的偏移是否是本成員的整數倍，若是，則存放本成員，反之，則在本成員和上一個成員之間填充一定的字節，以達到整數倍的要求，也就是將預開辟空間的首地址后移幾個字節。

我們可以總結內存對齊為兩個原則：
原則 1. 前面的地址必須是后面的地址正數倍,不是就補齊。
原則 2. 整個Struct的地址必須是最大字節的整數倍。

通過上述內存對齊的原則我們來看：
person對象的第一個地址要存放isa指針需要8個字節，
第二個地址要存放_age成員變量需要4個字節，
根據原則一，8是4的整數倍，符合原則一，不需要補齊。
然后檢查原則2，目前person對象共占據12個字節的內存，不是最大字節數8個字節的整數倍，
所以需要補齊4個字節，因此person對象就占用16個字節空間。

而對于student對象，我們知道sutdent對象中，包含person對象的結構體實現，和一個int類型的_no成員變量，同樣isa指針8個字節，_age成員變量4個字節，_no成員變量4個字節，剛好滿足原則1和原則2，所以student對象占據的內存空間也是16個字節。

OC對象的分類

面試題：OC的類信息存放在哪里。 面試題：對象的isa指針指向哪里。

示例代碼

#import <Foundation/Foundation.h>
#import <objc/runtime.h>

/* Person */ 
@interface Person : NSObject <NSCopying>
{
    @public
    int _age;
}
@property (nonatomic, assign) int height;
- (void)personMethod;
+ (void)personClassMethod;
@end

@implementation Person
- (void)personMethod {}
+ (void)personClassMethod {}
@end

/* Student */
@interface Student : Person <NSCoding>
{
    @public
    int _no;
}
@property (nonatomic, assign) int score;
- (void)studentMethod;
+ (void)studentClassMethod;
@end

@implementation Student
- (void)studentMethod {}
+ (void)studentClassMethod {}
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {      
        NSObject *object1 = [[NSObject alloc] init];
        NSObject *object2 = [[NSObject alloc] init];

        Student *stu = [[Student alloc] init];
        [Student load];

        Person *p1 = [[Person alloc] init];
        p1->_age = 10;
        [p1 personMethod];
        [Person personClassMethod];
        Person *p2 = [[Person alloc] init];
        p2->_age = 20;
    }
    return 0;
}

OC的類信息存放在哪里 OC對象主要可以分為三種

  1. instance對象（實例對象）
  2. class對象（類對象）
  3. meta-class對象（元類對象）

instance對象就是通過類alloc出來的對象，每次調用alloc都會產生新的instance對象

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

object1和object2都是NSObject的instace對象（實例對象），但他們是不同的兩個對象，并且分別占據著兩塊不同的內存。 instance對象在內存中存儲的信息包括

  1. isa指針
  2. 其他成員變量
image.png

衍生問題：在上圖實例對象中根本沒有看到方法，那么實例對象的方法的代碼放在什么地方呢？那么類的方法的信息，協議的信息，屬性的信息都存放在什么地方呢？

class對象 我們通過class方法或runtime方法得到一個class對象。class對象也就是類對象

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);

每一個類在內存中有且只有一個class對象?？梢酝ㄟ^打印內存地址證明

class對象在內存中存儲的信息主要包括

  1. isa指針
  2. superclass指針
  3. 類的屬性信息（@property），類的成員變量信息（ivar）
  4. 類的對象方法信息（instance method），類的協議信息（protocol）
image.png

成員變量的值時存儲在實例對象中的，因為只有當我們創建實例對象的時候才為成員變賦值。但是成員變量叫什么名字，是什么類型，只需要有一份就可以了。所以存儲在class對象中。

類方法放在那里？ 元類對象 meta-class

//runtime中傳入類對象此時得到的就是元類對象
Class objectMetaClass = object_getClass([NSObject class]);
// 而調用類對象的class方法時得到還是類對象，無論調用多少次都是類對象
Class cls = [[NSObject class] class];
Class objectClass3 = [NSObject class];
class_isMetaClass(objectMetaClass) // 判斷該對象是否為元類對象
NSLog(@"%p %p %p", objectMetaClass, objectClass3, cls); // 后面兩個地址相同，說明多次調用class得到的還是類對象

每個類在內存中有且只有一個meta-class對象。 meta-class對象和class對象的內存結構是一樣的，但是用途不一樣，在內存中存儲的信息主要包括

  1. isa指針
  2. superclass指針
  3. 類的類方法的信息（class method）
image.png

meta-class對象和class對象的內存結構是一樣的，所以meta-class中也有類的屬性信息，類的對象方法信息等成員變量，但是其中的值可能是空的。

對象的isa指針指向哪里

  1. 當對象調用實例方法的時候，我們上面講到，實例方法信息是存儲在class類對象中的，那么要想找到實例方法，就必須找到class類對象，那么此時isa的作用就來了。
[stu studentMethod];

instance的isa指向class，當調用對象方法時，通過instance的isa找到class，最后找到對象方法的實現進行調用。

  1. 當類對象調用類方法的時候，同上，類方法是存儲在meta-class元類對象中的。那么要找到類方法，就需要找到meta-class元類對象，而class類對象的isa指針就指向元類對象
[Student studentClassMethod];

class的isa指向meta-class 當調用類方法時，通過class的isa找到meta-class，最后找到類方法的實現進行調用

image.png
  1. 當對象調用其父類對象方法的時候，又是怎么找到父類對象方法的呢？，此時就需要使用到class類對象superclass指針。
[stu personMethod];
[stu init];

當Student的instance對象要調用Person的對象方法時，會先通過isa找到Student的class，然后通過superclass找到Person的class，最后找到對象方法的實現進行調用，同樣如果Person發現自己沒有響應的對象方法，又會通過Person的superclass指針找到NSObject的class對象，去尋找響應的方法

image.png
  1. 當類對象調用父類的類方法時，就需要先通過isa指針找到meta-class，然后通過superclass去尋找響應的方法
[Student personClassMethod];
[Student load];

當Student的class要調用Person的類方法時，會先通過isa找到Student的meta-class，然后通過superclass找到Person的meta-class，最后找到類方法的實現進行調用

最后又是這張靜定的isa指向圖，經過上面的分析我們在來看這張圖，就顯得清晰明了很多。

image.png

對isa、superclass總結

  1. instance的isa指向class
  2. class的isa指向meta-class
  3. meta-class的isa指向基類的meta-class，基類的isa指向自己
  4. class的superclass指向父類的class，如果沒有父類，superclass指針為nil
  5. meta-class的superclass指向父類的meta-class，基類的meta-class的superclass指向基類的class
  6. instance調用對象方法的軌跡，isa找到class，方法不存在，就通過superclass找父類
  7. class調用類方法的軌跡，isa找meta-class，方法不存在，就通過superclass找父類

如何證明isa指針的指向真的如上面所說？

我們通過如下代碼證明：

NSObject *object = [[NSObject alloc] init];
Class objectClass = [NSObject class];
Class objectMetaClass = object_getClass([NSObject class]);

NSLog(@"%p %p %p", object, objectClass, objectMetaClass);
復制代碼

打斷點并通過控制臺打印相應對象的isa指針

image.png

我們發現object->isa與objectClass的地址不同，這是因為從64bit開始，isa需要進行一次位運算，才能計算出真實地址。而位運算的值我們可以通過下載objc源代碼找到。

image.png

我們通過位運算進行驗證。

image.png

我們發現，object-isa指針地址0x001dffff96537141經過同0x00007ffffffffff8位運算，得出objectClass的地址0x00007fff96537140

接著我們來驗證class對象的isa指針是否同樣需要位運算計算出meta-class對象的地址。 當我們以同樣的方式打印objectClass->isa指針時，發現無法打印

image.png

同時也發現左邊objectClass對象中并沒有isa指針。我們來到Class內部看一下

typedef struct objc_class *Class;

struct objc_class {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

#if !__OBJC2__
    Class _Nullable super_class                              OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char * _Nonnull name                               OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list * _Nullable ivars                  OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache * _Nonnull cache                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list * _Nullable protocols          OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif

} OBJC2_UNAVAILABLE;
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */

相信了解過isa指針的同學對objc_class結構體內的內容很熟悉了，今天這里不深入研究，我們只看第一個對象是一個isa指針，為了拿到isa指針的地址，我們自己創建一個同樣的結構體并通過強制轉化拿到isa指針。

struct xx_cc_objc_class{
    Class isa;
};

Class objectClass = [NSObject class];
struct xx_cc_objc_class *objectClass2 = (__bridge struct xx_cc_objc_class *)(objectClass);

此時我們重新驗證一下

image.png

確實，objectClass2的isa指針經過位運算之后的地址是meta-class的地址。

本文面試題總結：

  1. 一個NSObject對象占用多少內存？ 答：一個指針變量所占用的大?。?4bit占8個字節，32bit占4個字節）

  2. 對象的isa指針指向哪里？ 答：instance對象的isa指針指向class對象，class對象的isa指針指向meta-class對象，meta-class對象的isa指針指向基類的meta-class對象，基類自己的isa指針也指向自己。

  3. OC的類信息存放在哪里？ 答：成員變量的具體值存放在instance對象。對象方法，協議，屬性，成員變量信息存放在class對象。類方法信息存放在meta-class對象。

最后編輯于 ：
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