【iOS 底层原理】OC 对象的本质

一、OC 对象的本质

探寻OC对象的本质，我们平时编写的Objective-C代码，底层实现其实都是C\C++代码。
OC的对象都是通过基础C\C++的结构体实现的。

image.png

1. OC 转换为 C++

我们通过创建OC对象，并将OC文件转化为C++文件来探寻OC对象的本质，OC如下代码

#import 
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSObject *objc = [[NSObject alloc] init];
        NSLog(@"Hello, World!");
    }
    return 0;
}

使用 clang 将 OC 代码转换为 C++ 代码

// 这种方式没有指定架构例如arm64架构 其中cpp代表（c plus plus）生成 main.cpp
clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp 

使用 XCode 工具 xcrun 进行转换

// 可以指定 arm64 架构, 如果需要链接其他框架，使用-framework参数。比如-framework UIKit
// -o 输出的 cpp 文件
xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp 

2. NSObject 对象的内存布局

NSObject 对象的 OC 定义如下

@interface NSObject  {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
}
@end

NSObject 对应的结构体是 NSObject_IMPL 结构体，NSObject_IMPL 定义如下

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};
typedef struct objc_class *Class;

NSObject_IMPL 结构体只有一个成员 isa 指针，而指针在64位架构中占8个字节。也就是说一个NSObjec对象所占用的内存是8个字节。

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

上述一段代码中系统为 NSObject 对象分配 8个字节的内存空间，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，那么上述代码分配存储空间给 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。

NSObject 只需要8字节的空间，但实际上，NSObject 对象占用 16 字节空间，iOS 下对象至少占用 16 字节

3. NSObject 子类对象的内存布局

OC 代码如下

@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

对应的 C++ 结构体 Student_IMPL 如下

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

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，int类型 _no 占用4个字节空间，int类型 _age 占用4个字节空间，共16个字节空间。

image.png

sutdent对象的3个变量分别有自己的地址。而stu指向isa指针的地址。因此stu的地址为0x100400110，stu对象在内存中占用16个字节的空间。并且经过赋值，_no里面存储4 ，_age里面存储5。

4. 验证对象的内存布局

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 {
            // 强制转化
            Student *stu = [[Student alloc] init];
            stu -> _no = 4;
            stu -> _age = 5;
            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;
}
@end

上述代码将oc对象强转成Student_IMPL的结构体。也就是说把一个指向oc对象的指针，指向这种结构体。最终可以转化成功，所以对象在内存中的布局与结构体在内存中的布局相同。由此说明stu这个对象指向的内存确实是一个结构体。

5. 窥探内存结构

运行时，通过断点，实时查看内存布局

方式一：通过打断点。 Debug Workflow -> viewMemory Address 中输入stu的地址

image.png

image.png

如上图十六进制的内存布局，两位表示1字节。iOS 内存数据布局从高位数据开始读。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

// 读取内存值
memory read 内存地址
// 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

// 例：
// memory read 0x10074c450
// x 0x10074c450
// 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

// 修改内存中的值
memory  write  内存地址  数值
// 例：memory  write  0x0000010  10

其他常用 LLDB 命令

print、p：打印
po：打印对象

image.png

6. 更复杂的继承关系

/* Person */
@interface Person : NSObject
{
    int _age;
}
@end
/* Student */
@interface Student : Person
{
    int _no;
}
@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        
        NSLog(@"%zd  %zd",
              class_getInstanceSize([Person class]),
              class_getInstanceSize([Student class])
              );
    }
    return 0;
}

image.png

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。那么他们所占的内存空间是多少呢？单纯的将指针和成员变量所占的内存相加即可吗？上述代码实际打印的内容是16 16，也就是说，person对象和student对象所占用的内存空间都为16个字节。
其实实际上person对象确实只使用了12个字节。但是因为内存对齐的原因。使person对象也占用16个字节。

编译器在给结构体开辟空间时，首先找到结构体中最宽的基本数据类型，然后寻找内存地址能是该基本数据类型的整倍的位置，作为结构体的首地址。将这个最宽的基本数据类型的大小作为对齐模数。
为结构体的一个成员开辟空间之前，编译器首先检查预开辟空间的首地址相对于结构体首地址的偏移是否是本成员的整数倍，若是，则存放本成员，反之，则在本成员和上一个成员之间填充一定的字节，以达到整数倍的要求，也就是将预开辟空间的首地址后移几个字节。

我们可以总结内存对齐为两个原则：

• 原则 1. 前面的地址必须是后面的地址正数倍,不是就补齐。
• 原则 2. 整个Struct的地址必须是最大字节的整数倍。
• 原则 3. OC 对象至少占 16 字节

通过上述内存对齐的原则我们来看，person对象的第一个地址要存放isa指针需要8个字节，第二个地址要存放_age成员变量需要4个字节，根据原则一，8是4的整数倍，符合原则一，不需要补齐。然后检查原则2，目前person对象共占据12个字节的内存，不是最大字节数8个字节的整数倍，所以需要补齐4个字节，因此person对象就占用16个字节空间。

而对于student对象，我们知道sutdent对象中，包含person对象的结构体实现，和一个int类型的_no成员变量，同样isa指针8个字节，_age成员变量4个字节，_no成员变量4个字节，刚好满足原则1和原则2，所以student对象占据的内存空间也是16个字节。

7. 代码方式获取对象占用空间大小

获取一个实例对象至少需要多少内存

#import 
class_getInstanceSize([NSObject class]);

sizeof() 等价于 class_getInstanceSize()

获取一个实例对象实际上分配了多少内存

由于一些系统内存分配机制，内存对齐等，实际分配的内存可能要比实际需要的内存大

#import 
malloc_size((__bridge const void *)obj);

二、面试题

一个 NSObject 对象占用多少内存？

1. 系统分配了16个字节给 NSObject 对象（通过 malloc_size 函数获得）。
2. 但 NSObject 对象内部只使用了8个字节的空间（64bit环境下，可以通过 class_getInstanceSize 函数获得）。