iOS底层原理 - OC对象的本质

面试题引发的思考：

Q: 一个NSObject对象占用多少内存？

// TODO: -----------------  main  -----------------
#import 
#import 
#import 

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];
        // 创建一个实例对象，实际上分配多少内存 - 16
        NSLog(@"%zd", malloc_size((__bridge const void *)obj));

        // 创建一个实例对象，至少需要多少内存 - 8
        NSLog(@"%zd", class_getInstanceSize([NSObject class]));
    }
    return 0;
}

• 系统分配了16个字节给NSObject对象(通过malloc_size函数获得)；
  由OC源码可知：分配给对象的内存为16个字节的倍数，最少为16个字节。

• NSObject对象内部使用了8个字节的空间(64bit环境下，通过class_getInstanceSize函数获得)。

Q: OC的对象、类主要是基于C\C++的什么数据结构实现的呢？

• 结构体。

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1. OC底层实现

• 我们平时编写的OC代码，底层实现其实都是C\C++代码；
• OC的面向对象都是基于C\C++的数据结构实现的。

代码转换过程

将OC代码转换为C\C++代码，使用xcrun：
xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc OC源文件 -o 输出的CPP文件

OC生成NSObject对象：

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

在main-arm64.cpp中搜索NSObject_IMPL(IMPL即implementation实现)：

NSObject_IMPL

由OC源码可知：

• OC的对象是基于C的结构体实现的；此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；
• 即：一个NSObject对象占用的内存是8个字节。

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2. 自定义对象占用内存

实现一个自定义类：

// TODO: -----------------  Student类  -----------------
@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;
   }
   return 0;
}
@end

同上述步骤生成C++文件，在文件中找出Student_IMPL：

Student_IMPL

结构体Student_IMPL中第一个参数是结构体NSObject_IMPL，而NSObject_IMPL内部是Class isa；
即struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS等同于Class isa，那么可转化为下图代码：

转化后的Student_IMPL

此结构体占用的存储空间为：isa指针(指针8个字节) + _no(int4个字节) + _age(int4个字节) 共16个字节空间；
即Sutdent对象占用16个字节的存储空间。

假设stu的地址为0x100400110，Sutdent对象的变量则分别对应以下的地址：

Student对象的存储空间

验证一下：

// TODO: -----------------  Student类  -----------------
@interface Student: NSObject{
   @public
   int _no;
   int _age;
}
@end

@implementation Student
int main(int argc, const char * argv[]) {
   @autoreleasepool {
       Student *stu = [[Student alloc] init];
       // 赋值
       stu -> _no = 4;
       stu -> _age = 5;
       
       // 强制转化
       struct Student_IMPL *stuImpl = (__bridge struct Student_IMPL *)stu;
       NSLog(@"_no = %d, _age = %d", stuImpl->_no, stuImpl->_age); 
   }
   return 0;
}
@end

// 打印结果
Demo[1234:567890] _no = 4, _age = 5

先给Student对象赋值_no = 4, _age = 5，那么它的内存中也存储_no = 4, _age = 5，然后将OC对象强制转换为Student_IMPL结构体，通过结构体的指针访问_no、_age，输出结果也是_no = 4, _age = 5，说明stu这个指针它指向的对象，是结构体，证明了我们的猜想。

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3. 延伸问题：

Q: 以下一个Person对象，一个Student对象占用多少内存空间，即打印结果是什么？

// TODO: -----------------  Person类  -----------------
@interface Person : NSObject {
    int _age;
}
@end

@implementation Person
@end

// TODO: -----------------  Student类  -----------------
@interface Student : Person {
    int _no;
}
@end

@implementation Student
@end

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

// 打印结果
Demo[1234:567890] Person - 16  Student - 16

根据上文可以得出下面的关系图：

Person对象和Student对象内存结构

Q: 奇怪了，不应该打印Person - 12 Student - 16吗？

Person对象确实只使用12个字节，但是由于内存对齐（结构体的大小必须是最大成员大小的倍数）的原因，所以Person对象占用了16个字节；即isa指针(指针8个字节)的倍数。

由OC源码可知：

分配给对象的内存为16个字节的倍数，最少为16个字节。

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4. 更多：

Q: 以下代码打印结果是什么？

@interface Person : NSObject {
    int _age;
    int _height;
    int _no;
}
@end

@implementation Person
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Person *p = [[Person alloc] init];
        NSLog(@"%zd %zd",
              class_getInstanceSize([Person class]),
              malloc_size((__bridge const void *)(p)));
    }
    return 0;
}

// 打印结果
Demo[1234:567890] 24 32