iOS底层原理--alloc&init&new

首先我们先看一段代码:

    #ifdef DEBUG
    #define LGNSLog(format, ...) printf("%s\n", [[NSString stringWithFormat:format, ##     __VA_ARGS__] UTF8String]);
    #else
    #define LGNSLog(format, ...);
    #endif

    LGPerson *p1 = [LGPerson alloc];
    LGPerson *p2 = [p1 init];
    LGPerson *p3 = [p1 init];
    LGNSLog(@"%@ - %p - %p",p1,p1,&p1);
    LGNSLog(@"%@ - %p - %p",p2,p2,&p2);
    LGNSLog(@"%@ - %p - %p",p3,p3,&p3);

打印的三个数据分别为：对象,指针地址,对象地址。
查看打印结果如下:

打印数据.png

可以看到，第一、二个参数一样，第三个参数一样，我们用一张图来表示

LGPerson原理.png

原理

虽然创建了三个对象p1,p2,p3，但是他们的指针都指向同一个类，所以第一、第二个参数一致，但是创建的3个对象分别在不同的地址，所以第三个参数不一致。

Tips：我们拿到p1,p2,p3的地址，进行相减，可以看到，每个地址都是相差8个字节。这是因为栈内存是连续的，由于对象是一个结构体，结构体是一个指针，占8字节，所以每个对象之间差8个字节，可以节省内存空间。

alloc原理

当我们想查看alloc方法的具体执行流程的时候，往往就会被苹果给阻挠掉，因为苹果完全给封装死了，根本看不到，那么我们通过符号断点可以大致查看流程的走向。
具体操作如下：

• 选择Symbolic BreakPoint...
  
  Symbolic BreakPoint.png
• 输入alloc
  
  alloc.png
• 运行程序(注意alloc在ViewDidLoad断点执行完成时再打开，否则其他的创建方法会一直调用这里),进入到[NSObject alloc]方法,LGPerson继承自NSObject方法
  
  image.png
• 点击step into,进入_objc_rootAlloc
  
  image.png
• 点击step into,进入_objc_rootAllocWithZone
  
  image.png
• 这就是alloc的大致执行流程

但是，这样还是看不到具体方法，那么我们就需要看objc的源码了,我们下载最新的代码objc4-781。

推荐大家去看Style_月月的iOS-底层原理 03：objc4-781 源码编译 & 调试这篇博客，里面对objc4-781的编译调试讲的非常仔细。

源码解读

alloc流程图如下，其中最关键的步骤在虚线框里:

alloc.png

• alloc,我们点击alloc可以看到，跳到了

+ (id)alloc {
    return _objc_rootAlloc(self);
}

• _objc_rootAlloc，第二步跳到_objc_rootAlloc

id _objc_rootAlloc(Class cls)
{
    return callAlloc(cls, false/*checkNil*/, true/*allocWithZone*/);
}

• callAlloc，第三步跳到callAlloc

static ALWAYS_INLINE id
callAlloc(Class cls, bool checkNil, bool allocWithZone=false)
{
#if __OBJC2__
    if (slowpath(checkNil && !cls)) return nil;
    if (fastpath(!cls->ISA()->hasCustomAWZ())) {
        return _objc_rootAllocWithZone(cls, nil);
    }
#endif

    // No shortcuts available.
    if (allocWithZone) {
        return ((id(*)(id, SEL, struct _NSZone *))objc_msgSend)(cls, @selector(allocWithZone:), nil);
    }
    return ((id(*)(id, SEL))objc_msgSend)(cls, @selector(alloc));
}

• _objc_rootAllocWithZone，第四步跳到_objc_rootAllocWithZone

NEVER_INLINE
id
_objc_rootAllocWithZone(Class cls, malloc_zone_t *zone __unused)
{
    // allocWithZone under __OBJC2__ ignores the zone parameter
    return _class_createInstanceFromZone(cls, 0, nil,
                                         OBJECT_CONSTRUCT_CALL_BADALLOC);
}

• _class_createInstanceFromZone

static ALWAYS_INLINE id
_class_createInstanceFromZone(Class cls, size_t extraBytes, void *zone,
                              int construct_flags = OBJECT_CONSTRUCT_NONE,
                              bool cxxConstruct = true,
                              size_t *outAllocatedSize = nil)
{
    ASSERT(cls->isRealized());

    // Read class's info bits all at once for performance
    bool hasCxxCtor = cxxConstruct && cls->hasCxxCtor();
    bool hasCxxDtor = cls->hasCxxDtor();
    bool fast = cls->canAllocNonpointer();
    size_t size;

    size = cls->instanceSize(extraBytes);
    if (outAllocatedSize) *outAllocatedSize = size;

    id obj;
    if (zone) {
        obj = (id)malloc_zone_calloc((malloc_zone_t *)zone, 1, size);
    } else {
        // alloc 开辟内存的地方
        obj = (id)calloc(1, size);
    }
    if (slowpath(!obj)) {
        if (construct_flags & OBJECT_CONSTRUCT_CALL_BADALLOC) {
            return _objc_callBadAllocHandler(cls);
        }
        return nil;
    }

    if (!zone && fast) {
        obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor);
    } 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;
    }

    construct_flags |= OBJECT_CONSTRUCT_FREE_ONFAILURE;
    return object_cxxConstructFromClass(obj, cls, construct_flags);
}

上面这个方法有3个方法比较重要

cls->instanceSize

cls->instanceSize，这个方法是分配对象的内存。

size_t instanceSize(size_t extraBytes) const {
        if (fastpath(cache.hasFastInstanceSize(extraBytes))) {
            return cache.fastInstanceSize(extraBytes);
        }

        size_t size = alignedInstanceSize() + extraBytes;
        // CF requires all objects be at least 16 bytes.
        if (size < 16) size = 16;
        return size;
    }

具体进入cache.fastInstanceSize(extraBytes)

size_t fastInstanceSize(size_t extra) const
    {
        ASSERT(hasFastInstanceSize(extra));

        if (__builtin_constant_p(extra) && extra == 0) {
            return _flags & FAST_CACHE_ALLOC_MASK16;
        } else {
            size_t size = _flags & FAST_CACHE_ALLOC_MASK;
            // remove the FAST_CACHE_ALLOC_DELTA16 that was added
            // by setFastInstanceSize
            return align16(size + extra - FAST_CACHE_ALLOC_DELTA16);
        }
    }

经过断点，我们可以看到extra为0，所以走到

size_t size = _flags & FAST_CACHE_ALLOC_MASK;

这一步，通过取与运算后size = 16，接下来，

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

这一步是干嘛呢？我们继续断点调试,size_t x = 8,通过

// 8 + 15 = 23
x + size_t(15)

得到23,那么23用二进制表示为

// 23转换成2进制
0000 0000 0001 0111

而15的二进制表示为

// 15转换成2进制
0000 0000 0000 1111

然后~size_t(15)表示15的二进制取反

// 15二进制取反
1111 1111 1111 0000

最后(x + size_t(15)) & ~size_t(15)表示23和15取反的结果去与，得到

//23转换成2进制
0000 0000 0001 0111
//与运算
&
// 15二进制取反
1111 1111 1111 0000
//&运算得到的结果
= 0000 0000 0001 0000

最终得到0000 0000 0001 0000,最后结果转换为十进制为16，把后4位都抹掉了，只剩下第5位开始，都为16的倍数。
所以，align16()方法就是16字节的对齐，这就是所谓的字节对齐。

字节对齐

• 字节对齐的解释
  现代计算机中内存空间都是按照byte划分的，从理论上讲似乎对任何类型的变量的访问可以从任何地址开始，但实际情况是在访问特定类型变量的时候经常在特 定的内存地址访问，这就需要各种类型数据按照一定的规则在空间上排列，而不是顺序的一个接一个的排放，这就是对齐。
• 为什么要16字节对齐?
  • 一个对象有isa指针，占8字节，如果是8字节对齐，会因为没有预留空间导致一个isa紧挨着另一个isa，造成访问混乱。所以需要进行内存预留。
  • 一个对象最小为8字节，所以预留的空间最小为16的倍数，方便读写。
  • 16字节对齐后，可以加快CPU读取速度，同时使访问更安全，不会产生访问混乱的情况

内存开辟的影响因素

现在我们给LGPerson添加几个属性

//名称
@property (nonatomic,strong) NSString *name;     
//昵称
@property (nonatomic,strong) NSString *nickName; 
//爱好
@property (nonatomic) int hobby; 

再看我们当前的size

size.png

以上可以验证，对于一个对象来说，属性是影响内存的大小的因素。同时也印证了字节对齐，32是16的2倍

obj = (id)calloc(1, size)

这个方法就是向内存中申请 大小 为 size的内存，并赋值给obj，因此 obj是指向内存地址的指针

obj = (id)calloc(1, size)

我们可以验证一下

i calloc.png

如上图，在执行calloc方法前，obj为nil,之后为内存地址，证明obj为指向内存地址的指针。

obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor)

这个方法就是将类和指针进行绑定，通过打印

initInstanceIsa

可以看到obj方法是指向了LGPerson类。

init方法

从上面的alloc方法可以看到，我们通过alloc方法已经可以拿到得到一个指向LGPerson类的指针。那么alloc方法是干嘛的呢？
我们通过流程图查看。

• 点击init,进入_objc_rootInit方法

- (id)init {
    return _objc_rootInit(self);
}

• 点击_objc_rootInit，返回obj自己

id
_objc_rootInit(id obj)
{
    // In practice, it will be hard to rely on this function.
    // Many classes do not properly chain -init calls.
    return obj;
}

可以看到,其实init方法就是返回了对象本身。所以init是一个构造方法 ，是通过工厂方法,主要是用于给用户提供构造方法入口。
这里能使用id强转的原因，主要还是因为内存字节对齐后，可以使用类型强转为你所需的类型。

new方法

通过代码可以看到,new方法会调用callAlloc

+ (id)new {
    return [callAlloc(self, false/*checkNil*/) init];
}

所以，new等同于alloc init方法。
但是，一般我们不建议直接使用new方法，因为 init方法可以自定义参数等操作，而new方法不行。