iOS-OC对象的本质分析

NSObject实例对象占用的内存大小分析

将Objective-C转换为C\C++代码

下面的命令可以将Objective-C代码转换为C\C++代码, 但是转换出来的代码仅供分析参考.

xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o mainarm64.cpp

如果需要链接其他框架，使用-framework参数。比如-framework UIKit.

使用上面的命令可以窥探出NSObject的底层实现如下:

//头文件定义
@interface NSObject <NSObject> {
    Class isa;
}
    
//转换为C++代码后
struct NSObject_IMPL {
    Class isa;  //64位系统中指针占8个字节
};

可见，Objective-C的面向对象是基于C\C++的结构体实现的.

NSObject实例对象的内存分配

导入 objc/runtime.h 后可以使用函数class_getInstanceSize获得NSObject实例对象的成员变量所占用的大小为8个字节（内存对齐后的大小）.

class_getInstanceSize([NSObject class])

导入 malloc/malloc.h后可以使用函数malloc_size获得NSObject实例对象指针指向内存的大小为16个字节.

malloc_size((__bridge const void *)(obj))

通过以下路径追踪NSObject对象的内存分配过程:

1. allocWithZone:
2. _objc_rootAllocWithZone()
3. class_createInstance()
4. _class_createInstanceFromZone
5. instanceSize()

其中instanceSize()函数返回要为NSObject实例对象分配的内存大小, 其实现如下:

 

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;
}

可见NSObject实例对象占用的最小内存为16个字节.

 

使用Xcode查看内存数据

实时查看内存数据

在Xcode菜单栏中通过以下顺序可以查看对象的内存数据

Debug -> Debug Workfllow -> View Memory

对一个NSObject实例对象来说，通过该方法观察到前8个字节为非0值，后8个字节为全为0，第17位开始为非0值。 由此可以推断，前8个字节代表isa指针，也从侧面验证了一个NSObject实例对象指针指向内存的大小为16个字节。

常用的lldb指令

print

print用于打印指针地址，可缩写为p.

po

po用于打印对象,即print object.

memory read

• memory read用于读取内存，可以缩写为x。其使用方法为:

x/数量|格式|字节数  内存地址　　

数量参数说明：
要打印多少个数据，格式参数和字节参数说明怎么样打印这些数据。这些参数都可以省略，即直接使用memory read 内存地址.

格式参数说明：

x是16进制，f是浮点，d是10进制

 

字节参数说明：

b：byte 1字节，h：half word 2字节
w：word 4字节，g：giant word 8字节

　　

例如，x/3xg表示以16进制的形式打印3个字节串，每个字节串包含8个字节。

memory write

memory write用于修改内存中的值. 使用方法为:

memory  write  内存地址  新值

 

 

继承关系的内存布局

定义如下两个类:

@interface Person : NSObject
@property (nonatomic,assign) int age;
@end

@implementation Person
@end

@interface Student : Person
@property (nonatomic,assign) int no;
@end

@implementation Student
@end

将其转换为C++代码可见其底层实现如下:

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};

struct Person_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
    int _age;
};

struct Student_IMPL {
    struct Person_IMPL Person_IVARS;
    int _no;
};

 

可见子类实例对象的结构体中会包含父类的结构体，且父类的结构体存储在最前。

 

子类创建的实例其内存大小的分析

定义如下一个类:

@interface Person : NSObject
@property (nonatomic,assign) int height;
@property (nonatomic,assign) int age;
@property (nonatomic,assign) int no;
@end

@implementation Person
@end

 

将其转换为C++代码:

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};

struct Person_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;  //8个字节
    int _height;    //4个字节
    int _age;    //4个字节
    int _no;    //4个字节
};

 

根据分析可知，Person_IMPL结构体内所有成员的总大小为20个字节，但由于内存对齐的原因，Person_IMPL结构体占用的内存大小应为24个字节。

实际上，使用class_getInstanceSize打印的结果为24，但是使用malloc_size打印的结果为32. 可见，Person实例对象实际占用的内存大小为32字节，尽管其只使用了24个字节。

alloc方法底层调用的方法为allocWithZone， 而allocWithZone方法则会调用calloc函数分配内存. 相关的源码可以在https://opensource.apple.com/tarballs/libmalloc/进行下载。

根据源码可以发现，系统为了优化内存的使用效率，规定iOS中分配的内存大小都必须为16的倍数.

OC对象的分类

OC中的对象，主要可以分为三类:

• instance对象（实例对象）

• class对象 （类对象）

• meta-class对象 （元类对象）

 

instance对象（实例对象）

instance对象(实例对象)就是通过类alloc出来的对象，每次类调用alloc都会生成一个新的instance对象。instance对象在内存中存储的主要信息有:

• isa指针
• 其他类的成员变量(值)

NSObject *obj1 = [[NSObject alloc] init];
NSObject *obj2 = [[NSObject alloc] init];

 

源码如下：

#include <objc/objc.h>

/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;

/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

 

class对象 （类对象）

obj1和obj2就是两个NSObject的实例对象，分别占据两块的不同的内存。

每个类在内存中有且只有一个class对象(类对象)，class对象在内存中存储的主要信息有:

• isa指针
• superclass指针
• 类的属性信息(@property)
• 类的对象方法信息(instance method)
• 类的协议信息(protocol)
• 类的成员变量信息(类型，名称)
• ........

源码如下：

#include <objc/runtime.h>

struct objc_class {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

#if !__OBJC2__
    Class _Nullable super_class                              OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char * _Nonnull name                               OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list * _Nullable ivars                  OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache * _Nonnull cache                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list * _Nullable protocols          OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif

} OBJC2_UNAVAILABLE;

 

下面代码获取到的都是NSObject类对象:

NSObject *obj1 = [[NSObject alloc] init];
NSObject *obj2 = [[NSObject alloc] init];
Class objClass1 = [obj1 class];
Class objClass2 = [obj2 class];
Class objClass3 = [NSObject class];
Class objClass4 = object_getClass(obj1);
Class objClass5 = object_getClass(obj2);
Class objClass6 = objc_getClass("NSObject");

 

meta-class对象 （元类对象）

每个类在内存中有且只有一个meta-class对象(元类对象)。meta-class对象和class对象的内存结构是一样的，但是用途不一样。meta-class对象在内存中存储的主要信息有:

• isa指针
• superclass指针
• 类方法信息(class method)
• ……

下面代码获取到的metaClass就是NSObject的meta-class对象:

Class metaClass = object_getClass([NSObject class]);

 

需要注意的是，以下代码获取到的是Class对象，并不是meta-class对象:可以通过class_isMetaClass方法判断一个Class对象是否为meta-class对象。

Class objClass = [[NSObject class] class];

注意点

1. Class objc_getClass(const char *aClassName)

   • 传入字符串类名
   • 返回对应的类对象

2. Class object_getClass(id obj)

   • 传入的obj可能是instance对象、class对象、meta-class对象
   • 如果传入的是instance对象，返回class对象
   • 如果传入的是class对象，返回meta-class对象
   • 如果传入的是meta-class对象，返回NSObject（基类）的meta-class对象

3. -(Class)class、+ (Class)class 返回的就是类对象

 

 

OC的类信息存放在哪里？
对象方法、属性、成员变量、协议信息，存放在class对象中
类方法，存放在meta-class对象中
成员变量的具体值，存放在instance对象