iOS进阶笔记（一） 对象本质内存分析

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对象种类划分

• 实例对象（instance）
• 类对象（class）
• 元类对象（meta-class）

分析对象内存，我们从一个栗子🌰开始

👇Student对象系统为其分配了多少内存？对象占用多少内存？有效内存（实际使用的内存大小）又是多少？

@interface Person : NSObject{
    @public
    NSString *_name;
    int _age;
}
@end

@interface Student : Person {
    @public
    NSString *_className;
    int _classNumber;
}

答案：48 40 32

下面开始说一说我是怎么计算的。

一、Student对象结构

下面是通过Clang编译的C++代码
Clang命令为 xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-10.0 xxx.m

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};
struct Person_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
    NSString *_name;
    int _age;
};

struct Student_IMPL {
    struct Person_IMPL Person_IVARS;
    NSString *_className;
    int _classNumber;
};

根据Student对象结构，继承关系为 Student -> Person -> NSObject

1）Student对象本质是Student_IMPL结构体，里面包含了父类Person及自身成员变量_className、_classNumber；
2）Person对象内存结构为其父类NSObject对象及自身成员变量_name、_age；
3）NSObject对象本质就是objc_class类型的结构体指针isa

二、Student对象内存分析

1、首先，我们了解下结构体内存对齐规则和对象占用内存大小的约束规则

1）结构体内存对齐规则
对于结构体，编译器在编译程序时会遵循如下两条原则：（虽然带来不连续的内存碎片，却也提升了CPU快速定位成员内存地址的性能）

• 结构体内存的偏移量大小取决于最大成员的大小；
• 结构体大小是偏移量大小的整数倍（成员公倍数对齐）。

2）对象占用内存大小的约束规则：iOS系统规定一个对象至少占用16字节
在objc-runtime-new.h文件中alignedInstanceSize函数中说明了一个对象至少占用16字节空间。

inline 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;
    }

2、再者，结合Student对象本质及内存规则分析其所占用的内存

1）NSObject对象

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;// isa为指针类型，占用8个字节
};

NSObject本质为NSObject_IMPL，即isa指针，所以占用8个字节

2）Person对象

struct Person_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;// NSObject_IMPL结构体内部就一个isa，所以占8个字节
    NSString *_name;// NSString指针类型，占8字节
    int _age;// int 占4字节
};

• 过程分析
  Person对象本质为Person_IMPL，其内部结构中NSObject_IMPL占8个字节、_name占8个字节、_age占4字节。
  因此，有效内存为：8 + 8 + 4 = 20

  根据结构体内存对齐规则，Person_IMPL中最大成员占用内存为8个字节，因此Person_IMPL内存为8的整数倍。
  因此，Person占用内存为：3*8 = 24

  再根据对象占用内存大小的约束规则，即Person_IMPL大小为16整数倍
  因此，Person对象分配内存为：16*2 = 32

• 代码验证

void person_size_test()
{
    Person *p = [[Person alloc] init];
    p->_name = @"小明";
    p->_age = 3;

    // 返回Person实例对象成员变量所占用的内存大小
    size_t instanceSize = class_getInstanceSize([Person class]);
    // 返回p指针所指向p对象分配内存大小
    size_t mallocSize = malloc_size((__bridge const void *)p);
    
    NSLog(@"占用内存：%zd 分配内存：%zd",instanceSize,mallocSize);// 24 32
}

由此可总结，Person对象内存分布图如下：（红色表示有效内存，蓝色表示占用内存，绿色表示分配内存）

3）Student对象

struct Student_IMPL {
    struct Person_IMPL Person_IVARS;//20 （编译器为了优化存储空间会按实际计算Person_IMPL大小：8+8+4）
    NSString *_className;// 8
    int _classNumber;// 4
};

• 过程分析
  同理，Student_IMPL对象
  有效内存为：20 + 8 + 4 = 32
  实际占用内存：20 + 20 = 40 （_techerName和_classNumber的内存为8+4 = 12，<20，不够20，补齐20）
  分配内存为：48 （分配内存要>40 且为16的整数倍，所以是48）

• 代码验证

void student_size_test()
{
    Student *s = [[Student alloc] init];
    s->_name = @"小明";
    s->_age = 3;
    s->_className = @"幼稚园（1）班";
    s->_classNumber = 101;
    // 返回Person实例对象成员变量所占用的内存大小
    size_t instanceSize = class_getInstanceSize([Student class]);
    // 返回p指针所指向p对象分配内存大小
    size_t mallocSize = malloc_size((__bridge const void *)s);
    
    NSLog(@"占用内存：%zd 分配内存：%zd",instanceSize,mallocSize);// 40 48
}

由此可总结，Student内存分布图如下：

扩展：class_instanceSize 和 malloc_size及sizeof() 区别
1）class_getInstanceSize为获取对象实际占用的空间（要求符合内存对齐原则）
2）malloc_size为系统为OC对象分配的空间（要求≥class_getInstanceSize，且能被16整除，iOS规定一个对象至少分配16Byte空间）
3）sizeof() ：sizeof()实际上不是函数，（）传入的是类型常量（int 等），在编译时确定缓冲区的长度，不能返回动态分配的内存空间大小 e.g. sizeof(int) 为 4

以上

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