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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
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int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];
}
return 0;
}
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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。
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@interface NSObject {
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wobjc-interface-ivars"
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#pragma clang diagnostic pop
}
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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。
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//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
};
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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
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//#import 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));
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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。
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size_t class_getInstanceSize(Class cls)
{
if (!cls) return 0;
return cls->alignedInstanceSize();
}
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// Class's ivar size rounded up to a pointer-size boundary.
uint32_t alignedInstanceSize() {
return word_align(unalignedInstanceSize());
}
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3.3 alloc 函数
OC 中的alloc在底层调用 runtime 的allocWithZone方法：
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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;
}
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| 1 2 3 4 5 |
id
class_createInstance(Class cls, size_t extraBytes)
{
return _class_createInstanceFromZone(cls, extraBytes, nil);
}
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| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 |
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;
}
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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。
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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;
}
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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
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@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;
}
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利用 xcrun 命名生成 C/C++ 代码，代码中会包含如下部分：
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struct Student_IMPL {
Class NSObject_IMP NSObject_IVARS;
int _no;
int _age;
};
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其中NSObject_IMP 定义为：
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struct NSObject_IMPL {
Class isa;
};
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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。
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struct Student_IMPL {
Class isa;
int _no;
int _age;
};
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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。
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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);
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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
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@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
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p 对象对应的结构体为：
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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。
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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;
}
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| 1 2 3 4 5 |
size_t class_getInstanceSize(Class cls)
{
if (!cls) return 0;
return cls->alignedInstanceSize();
}
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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
链接：https://www.jianshu.com/p/49947a53c4ed