内容简介:一、OC 转 C/C++OC 的底层是通过 C\C++ 实现,所以 OC 代码编译过程一般是先将 OC 转为 C\C++ ,C\C++ 进一步转为汇编语言,最终转为机器代码。OC 的对象映射到 C\C++ 主要对应的是结构体,这里面的 “结构体” 并非 C 语言里面的结构体,而是 C++ 语言里面的结构体,而且这个概念仅限字面意思的结构体。严格来讲,其实struct关键字定义的是 类,跟 class 关键字定义的类除了默认访问权限的区别,没有区别。C++ 中的 struct 对 C 中的 struct 进
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一、OC 转 C/C++
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二、NSObject 对象内存布局
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三、NSObject 内存大小
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四、OC 对象内存布局
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五、OC 对象内存大小
一、OC 转 C/C++
OC 的底层是通过 C\C++ 实现,所以 OC 代码编译过程一般是先将 OC 转为 C\C++ ,C\C++ 进一步转为汇编语言,最终转为机器代码。OC 的对象映射到 C\C++ 主要对应的是结构体,这里面的 “结构体” 并非 C 语言里面的结构体,而是 C++ 语言里面的结构体,而且这个概念仅限字面意思的结构体。严格来讲,其实struct关键字定义的是 类,跟 class 关键字定义的类除了默认访问权限的区别,没有区别。C++ 中的 struct 对 C 中的 struct 进行了扩充,它已经不再只是一个包含不同数据类型的数据结构了,它已经获取了太多的功能。如:能包含成员函数、可以继承、可以实现多态。
通过 xcrun 命令可以将 OC 代码转为不同平台CPU下支持的 C\C++ 代码,如 OC 代码转为 arm64 架构 CPU 代码,对应的命令为:
xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc OC源文件 -o 输出的CPP文件
二、NSObject 对象本质
int main(int argc, const char * argv[]) { @autoreleasepool { NSObject *obj = [[NSObject alloc] init]; } return 0; }
点击可查看NSObject定义为如下,可以看出 NSObject 类中包含了一个 isa 成员变量。
@interface NSObject <nsobject> { #pragma clang diagnostic push #pragma clang diagnostic ignored "-Wobjc-interface-ivars" Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY; #pragma clang diagnostic pop } </nsobject>
上述代码借助 xcrun 命令生成的文件中包含如下代码,实际上NSObject的定义最终也是转为如下代码。
//其中 Class 的定义为:typedef struct objc_class *Class; 64位系统中,指针占据 8 个字节 struct NSObject_IMPL { Class isa; // 8个字节 };
NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];的内存布局如下。alloc相当于为为右侧蓝色的结构体开辟一块空间,结构体中保存着 isa 成员,isa 成员的指针的地址相当于结构体地址空间,初始化成功后,结构体的地址赋值给 obj 对象,因此 isa 地址和 obj 地址相同。
三、对象内存大小
3.1 查看内存管大小
//#import <objc runtime="" h=""> NSObject *obj = [[NSObject alloc] init]; // 获得NSObject实例对象的成员变量所占用的大小 >> 8 NSLog(@"%zd", class_getInstanceSize([NSObject class])); // 获得obj指针所指向内存的大小 >> 16 NSLog(@"%zd", malloc_size((__bridge const void *)obj)); </objc>
class_getInstanceSize方法可以获取实例对象的成员变量大小,即创建一个实例对象,至少需要多少内存。malloc_size方法可以获取对象指针所指向内存大小,即创建一个实例对象,实际上分配了多少内存。两个方法的区别具体可以看runtime底层源码观察其区别。OC 底层源码一般可在该网站查看。
3.2 class_getInstanceSize 函数
class_getInstanceSize底层实现如下,其中英文注释很清晰的描述了该方法返回的是成员变量(Class's ivar)大小。
size_t class_getInstanceSize(Class cls) { if (!cls) return 0; return cls->alignedInstanceSize(); }
// Class's ivar size rounded up to a pointer-size boundary. uint32_t alignedInstanceSize() { return word_align(unalignedInstanceSize()); }
3.3 alloc 函数
OC 中的alloc在底层调用 runtime 的allocWithZone方法:
id _objc_rootAllocWithZone(Class cls, malloc_zone_t *zone) { id obj; #if __OBJC2__ // allocWithZone under __OBJC2__ ignores the zone parameter (void)zone; obj = class_createInstance(cls, 0); #else if (!zone) { obj = class_createInstance(cls, 0); } else { obj = class_createInstanceFromZone(cls, 0, zone); } #endif if (slowpath(!obj)) obj = callBadAllocHandler(cls); return obj; }
id class_createInstance(Class cls, size_t extraBytes) { return _class_createInstanceFromZone(cls, extraBytes, nil); }
static __attribute__((always_inline)) id _class_createInstanceFromZone(Class cls, size_t extraBytes, void *zone, bool cxxConstruct = true, size_t *outAllocatedSize = nil) { if (!cls) return nil; assert(cls->isRealized()); // Read class's info bits all at once for performance bool hasCxxCtor = cls->hasCxxCtor(); bool hasCxxDtor = cls->hasCxxDtor(); bool fast = cls->canAllocNonpointer(); size_t size = cls->instanceSize(extraBytes); if (outAllocatedSize) *outAllocatedSize = size; id obj; if (!zone && fast) { obj = (id)calloc(1, size); if (!obj) return nil; obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor); } else { if (zone) { obj = (id)malloc_zone_calloc ((malloc_zone_t *)zone, 1, size); } else { //该处调用了 C语言 的 calloc 函数开辟空间,所以查看NSObject 对象的创建开辟空间大小应当依次为切入点,查看size 参数来源 obj = (id)calloc(1, size); } if (!obj) return nil; // Use raw pointer isa on the assumption that they might be // doing something weird with the zone or RR. obj->initIsa(cls); } if (cxxConstruct && hasCxxCtor) { obj = _objc_constructOrFree(obj, cls); } return obj; }
上述代码调用了C语言的 calloc函数开辟空间,所以查看NSObject 对象的创建开辟空间大小应当依次为切入点,查看size参数来源。alignedInstanceSize()方法是 class_getInstanceSize 方法底层来源,所以下面代码中的extraBytes变量值实际为 0。非常值得注意的是,下述代码中明确指出CF requires all objects be at least 16 bytes.,即 CF 对象至少为 16 位大小。
size_t instanceSize(size_t extraBytes) { size_t size = alignedInstanceSize() + extraBytes; // CF requires all objects be at least 16 bytes. if (size < 16) size = 16; return size; }
3.4 小结
综上,系统分配了 16 个字节给 NSObject 对象(通过 malloc_size 函数获得),但 NSObject 对象内部只使用了 8 个字节的空间,这8个字节主要用来存放 isa( 64bit 环境下,可以通过 class_getInstanceSize 函数获得)。
四、OC 对象内存布局
4.1 简单对象
@interface Student : NSObject { @public int _no; int _age; } @end @implementation Student @end int main(int argc, const char * argv[]) { @autoreleasepool { Student *stu = [[Student alloc] init]; } return 0; }
利用 xcrun 命名生成 C/C++ 代码,代码中会包含如下部分:
struct Student_IMPL { Class NSObject_IMP NSObject_IVARS; int _no; int _age; };
其中NSObject_IMP 定义为:
struct NSObject_IMPL { Class isa; };
Student_IMP底层进而可转为如下结构,不难看出如果对象之间存在继承关系,最终子类转化对应的结构体会包含父类的结构体成分,且父类结构体成份在前。
struct Student_IMPL { Class isa; int _no; int _age; };
为了进一步说明OC对象底层是结构体实现的,可以将OC对象强制转为结构体,发现代码依然正常运行。
Student *stu = [[Student alloc] init]; stu->_no = 4; stu->_age = 5; //使用__bridge 将 OC 转为 C struct Student_IMPL *stuImpl = (__bridge struct Student_IMPL *)stu; NSLog(@"no is %d, age is %d", stuImpl->_no, stuImpl->_age);
结合上述代码,可以总结出Student对象的底层实现结构图:
内存布局大概是这样,stu 指针指向结构体地址,结构体地址即为首个成员变量的地址。
4.2 继承对象
如果是 Person 继承自 NSObject ,Student 继承自 Person 类,Person 中包含 age 成员变量, Student 包含 no 成员变量,则底层实现结构如下图。
表面上看 Person_IMPL 占据 8 + 4 = 12 个字节,但是 OC 中明确指出一个 NSObject 对象大小至少为 16 字节。从内存对齐角度分析来看,Person_IMPL结构体也至少为 16 字节,即结构体的大小必须是最大成员的倍数,即8 * 2 = 16。
表面上看 Student_IMPL 占据 16 + 4 = 20 个字节实际并非如此,应该为 16 字节。因为 Student_IMPL 中虽然包含Person_IMPL,但是在继承关系中,Person_IMPL中 age 对应的内存空间并未被使用,所以应该是 8 + 4 + 4 = 16 字节。
五、OC 对象内存大小
@interface MJPerson : NSObject { int _age; int _height; int _no; } @end MJPerson *p = [[MJPerson alloc] init]; NSLog(@"%zd %zd",class_getInstanceSize([MJPerson class]), malloc_size((__bridge const void *)(p))); // 24 32
p 对象对应的结构体为:
struct MJPerson_IMPL { struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS; int _age; int _height; int _no; }; // 计算结构体大小,内存对齐,24
上述代码打印结果分别为 24 和 32,按照前面所说的结构体内存对齐原则来说,打印结果应该都为 24,即 8 的最小倍数, 8 * 3 = 24。class_getInstanceSize为结构体内存大小 8 + 4 + 4 + 4 = 24,但和实际情况确有一些出入。
size_t instanceSize(size_t extraBytes) { size_t size = alignedInstanceSize() + extraBytes; // CF requires all objects be at least 16 bytes. if (size < 16) size = 16; return size; }
size_t class_getInstanceSize(Class cls) { if (!cls) return 0; return cls->alignedInstanceSize(); }
结合 3.3 小结的源码来分析来看,class_getInstanceSize和alloc方法最终本质都是调用了alignedInstanceSize函数,其中alloc调用alignedInstanceSize函数中间使用到了 C 语言的 calloc函数,并且还涉及到一个变量extraBytes,但是此变量的值一般为 0,所以综合来看 malloc_size((__bridge const void *)(p))的值为 32 和calloc密不可分。因为在calloc函数中存在内存对齐一说(注意此内存对齐不等同于结构体内存对齐),即在堆区每次分配内存为 16 的倍数。如果比较感兴趣,可进一步查看 calloc函数源码 libmalloc 。
作者:ZhengYaWei
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