Objective-C（七）对象内存分析
导言
本系列接《Effective Objective-C 2.0》一书中的系列文章。git
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接下来，会有如下系列的主题的文章，以实践探索Objective-C 2.0的一些特性，参考部分博文、官方文档、以及MJ小码哥的系列课程—很是推荐：框架
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Objective-C（七）对象内存分析iphone
本文主要针对几个类来窥探实例对象在内存中的存储，咱们从成员变量和属性入手，本文相关代码在这儿。
咱们平时编写的Objective-C代码，底层实现其实都是C\C++代码
因此Objective-C的面向对象都是基于C\C++的数据结构实现的
Objective-C的对象、类主要是基于C\C++的什么数据结构实现的——结构体。
1、 NSObject 占用多少内存
NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];
// 得到NSObject实例对象的成员变量所占用的大小 >> 8
NSLog(@"%zd", class_getInstanceSize([NSObject class]));
// 得到obj指针所指向内存的大小 >> 16
NSLog(@"%zu", malloc_size((__bridge const void *)obj));
复制代码
上面有两个函数：
建立一个实例对象，至少须要多少内存？
# import <objc/runtime.h>
class_getInstanceSize([NSObject class]);
建立一个实例对象，实际上分配了多少内存？
#import <malloc/malloc.h>
malloc_size((__bridge const void *)obj);
将Objective-C代码转换为C\C++代码
//若是须要连接其余框架，使用-framework参数。好比-framework UIKit
// xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc OC源文件 -o 输出的CPP文件
$ xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m
复制代码
其中，咱们能够发现NSObject转换为C++的底层结构体为：
//main.cpp
struct NSObject_IMPL {
Class isa; //typedef struct objc_class *Class;
};
复制代码
咱们直接经过断点调试也能够发现，obj的确只有一个isa成员变量。
1.1 查看实时内存
下面咱们经过查看obj对应的内存，来观察：
从上图中能够看到，从0x1029000a0地址开始的8个字节，是有数据的，后面8个字节，都是0。
根据最开始打印的：
// 得到NSObject实例对象的成员变量所占用的大小 >> 8
NSLog(@"%zd", class_getInstanceSize([NSObject class]));
// 得到obj指针所指向内存的大小 >> 16
NSLog(@"%zu", malloc_size((__bridge const void *)obj));
复制代码
咱们猜想，前8个字节就是obj中isa占用的内存空间，后8个字节，是为了内存对齐而分配的填充字节。
1.2 结构体转换
为了验证这个猜想，咱们将obj对象转换为对应的结构体：
struct NSObject_IMPL {
Class isa;
};
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];
NSLog(@"%zd", class_getInstanceSize([NSObject class]));
NSLog(@"%zu", malloc_size((__bridge const void *)(obj)));
struct NSObject_IMPL *objImpl = (__bridge struct NSObject_IMPL *)obj;
NSLog(@"obj address: %p", obj);
NSLog(@"objImpl address: %p, objImpl isa: %p", objImpl, objImpl->isa);
NSLog(@"-----");
}
return 0;
}
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再次运行，输出结果以下：
从上图咱们能够看出：
- obj能转换为
NSObject_IMPL结构体，地址一致； isa的值为0x1dffffa4575141，与上一次运行一致，且只占8个字节。- obj最终占用16个字节，其中8个字节分配给
isa，8个字节为内存对齐的填充字节。
在这里，为何是16个字节，须要说明一下，iOS系统会给对象至少分配16*n字节的大小。
2、 更复杂的对象：BFPerson
@interface BFPerson : NSObject
{
@public
int _age;
int _male;
}
@property (nonatomic, assign) double height;
@end
@implementation BFPerson
@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
BFPerson *jack = [[BFPerson alloc] init];
jack->_age = 24;
jack->_male = 1;
jack.height = 185;
NSLog(@"jack age is %d, male: %d, height: %f", jack->_age, jack->_male, jack.height);
BFPerson *rose = [[BFPerson alloc] init];
rose->_age = 21;
rose->_male = 0;
rose.height = 165;
NSLog(@"rose age is %d, male: %d, height: %f", rose->_age, rose->_male, rose.height);
NSLog(@"%zd", class_getInstanceSize([BFPerson class]));
NSLog(@"%zd", malloc_size((__bridge const void *)jack));
}
return 0;
}
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这一次，对象更复杂，并且继承了NSObject，那么其中实例对象中成员变量分配了多少字节，实际占用了多少本身呢？
最后输出：
经过将上面代码转换为C++代码，咱们能够获得BFPerson的结构：
其中，BFPerson_IMPL包含了NSObject_IMPL结构体，因此最后能够规整为：
能够看到，第一个变量仍是isa指针，后面跟着咱们定义的两个成员变量，及定义的一个属性。
咱们知道属性最后会转换一个对应的成员变量，因此总共有三个成员变量。
其中isa，咱们知道是一个占用8字节，因此获得下面的各个成员变量的占用字节数：
这和咱们打印该实例对象占用的为24个字节相符，可是系统仍是给它分配了32个字节。
咱们经过两种方式来查看内存中的实例对象，是否是按咱们预想的方式存储这些成员变量。
2.1 实时查看内存
以下；
- 查看BFPerson类，jack对象地址0x100683240
- jack实例对象成员对象占用24个字节，系统分配32个字节。
- 实例对象起始8个字节为：71 12 00 00 01 80 1D 00，为
isa值； - 接着4个字节：18 00 00 00，为_age值，即_age = 24；
- 接着4个字节：01 00 00 00，为_male值，即_male=1；
- 紧接着8个字节：00 00 00 00 00 20 67 40，为浮点数185的IEEE表示，即height=185；
- 最后8个字节为填充字节
- 应用于系统对齐，均为0：00 00 00 00 00 00 00 00；
- 非结构体内存对齐，结构体内存对齐，指结构体的内存占用是其中最大内存占用的变量的整数倍，其中
isa占8个字节，但结构体最后占用24字节，已是其整数倍。
- 实例对象起始8个字节为：71 12 00 00 01 80 1D 00，为
- Mac CPU是小端模式。
- 一样可观察rose对象是否符合预期，不赘述。
2.2 结构体转换
咱们经过前面转换C++代码结构体的分析，将jack转换为咱们自定义的结构体。
struct NSObject_IMPL {
Class isa;
};
struct BFPerson_IMPL {
struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
int _age;
int _male;
double _height;
};
struct BFPerson_IMPL *jackImpl = (__bridge struct BFPerson_IMPL *)jack;
NSLog(@"jack age is %d, male: %d, height: %f", jackImpl->_age, jackImpl->_male, jackImpl->_height);
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输出以下，能够看到结果彻底一致，因此咱们的符合咱们的猜测。
3、继承的对象：BFProgrammer
继承关系以下：
@interface BFPerson : NSObject
{
@public
int _age;
int _male;
}
@property (nonatomic, assign) double height;
@end
@implementation BFPerson
@end
@interface BFProgrammer : BFPerson
{
@public
char *company;
}
@end
@implementation BFProgrammer
@end
复制代码
测试代码以下；
BFPerson *jack = [[BFPerson alloc] init];
jack->_age = 24;
jack->_male = 1;
jack.height = 185;
NSLog(@"jack age is %d, male: %d, height: %f", jack->_age, jack->_male, jack.height);
NSLog(@"jack instance size: %zd", class_getInstanceSize([BFPerson class]));
NSLog(@"jack malloc size: %zd", malloc_size((__bridge const void *)jack));
BFProgrammer *tony = [[BFProgrammer alloc] init];
tony->_age = 28;
tony->_male = 1;
tony.height = 178;
tony->company = "Google";
NSLog(@"tony age is %d, male: %d, height: %f, company: %s", tony->_age, tony->_male, tony.height, tony->company);
NSLog(@"tony instance size:%zd", class_getInstanceSize([BFProgrammer class]));
NSLog(@"tony malloc size: %zd", malloc_size((__bridge const void *)tony));
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对应的结果：
3.1 结构体
下面咱们分析下结果：
对于tony这个程序员：
-
其成员变量大小为32字节，相对于jack这个BFPerson，多了8字节的内存变量。那么这8个字节，用于存放char *company的指针。
- 最后实例内存变量占用32字节，系统实际分配也为32字节。
3.2 company 的内存分析
咱们如今更进一步，从内存中直接读取tony的公司名称：Google。
3.2.1 Google 的ASCII字符
Google是个C语言字符串常量，其存储在内存中，采用ASCII字符编码，其最后的结构为：
从上面图中，咱们发现tony所在地址为0x103300700，根据其结构体，咱们能够知道company所在地址为：
compyan地址 = 0x103300700 + isa+ _age + _male + _height
= 0x103300700 + 8 + 4 + 4 + 8
= 0x103300718
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3.2.2 lldb查看内存
对应的指令以下：
(lldb) x/2wx 0x103300718
0x103300718: 0x00000f52 0x00000001
(lldb) x/4wx 0x0000000100000f52
0x100000f52: 0x676f6f47 0x7400656c 0x20796e6f 0x20656761
(lldb) x/4wx 0x103300700
0x103300700: 0x00001391 0x001d8001 0x0000001c 0x00000001
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3.2.3 分析
- 32字节成员变量，均符合分析；
- company字符指针地址为0x0000000100000f52，指向
Google字符串，Google占7个字节，注意是7个字节，最后一个字符为'\0'； - 注意大小端的书写方式，不要写反，或者读错。
- lldb显示的为正常可读的大端模式，及高位显示高字节，低位显示低字节；
- 内存中显示未小端模式，52 0F 00 00 01 00 00 00，改成咱们正常的读写大端模式：0x0000000100000f52。即从右向左读取每一个字节便可。
4、源码分析
下面咱们分析上面咱们经常使用的打印语句：
NSLog(@"%zd", class_getInstanceSize([NSObject class]));
NSLog(@"%zu", malloc_size((__bridge const void *)(obj)));
复制代码
alloc以及class_getInstanceSize源码z在Apple souce objc4库中。
4.1 alloc
**[NSObject alloc]**代码调用流程：
- calloc返回的为最后内存分配的字节数
- _class_createInstanceFromZone中的size是从instanceSize获取；
- _class_createInstanceFromZone中的size 是实例变量占用的空间，不是最后分配的内存空间；
- _class_createInstanceFromZone中的size 是通过结构体字节对齐的空间（instanceSize为字节对齐的空间）；
instanceSize获取的是alignedInstanceSize。- 当
alignedInstanceSize小于16字节，会补齐为16字节。- _class_createInstanceFromZone中size = 16
- 当
alignedInstanceSize大于16字节，直接返回alignedInstanceSize- _class_createInstanceFromZone中的size = alignedInstanceSize
- 当
能够看到，其中当上图最后一步中的alignedInstanceSize，即通过结构体字节对齐后字节仍小于16字节，就会补齐为16字节。
为何须要补齐16字节呢？
代码文档有一行注释：
CF requires all objects be at least 16 bytes.
或者咱们能够理解为OC对象为了提升系统分配及查找地址的效率，而作的一个这样的规定。
这也是上面第一个实例NSObject分析中，为何实例对象实际占用8字节，会分配16字节的缘由。alignedInstanceSize实际实际返回8字节，但calloc中的时候，size为16字节。
4.2 class_getInstanceSize
size_t class_getInstanceSize(Class cls)
{
if (!cls) return 0;
return cls->alignedInstanceSize();
}
uint32_t alignedInstanceSize() {
return word_align(unalignedInstanceSize());
}
复制代码
能够看出，class_getInstanceSize最后返回的就是上面所说的，通过字节对齐，可是在alloc中calloc以前的大小。
因此咱们看到其实际返回的是成员变量实际须要的空间大小。
4.3 calloc
calloc代码在另一个库中——libmalloc。
其中源码比较难以理解，因此直接给出结论。
-
calloc返回的是系统实际分配的内存，最后返回的大小必定是16的倍数； -
因此BFPerson实例中，成员变量占24字节，但最后通过calloc返回的是32字节（16*2）；
-
malloc_size返回的是对象指针所指向的大小，就是calloc实际分配的内存大小；
extern size_t malloc_size(const void *ptr);
/* Returns size of given ptr */
5、查看内存
5.1 LLDB
LLDB的使用请参考：待补--iOS调试（二）LLDB
5.2 View Memory
Debug -> Debug Workfllow -> View Memory （Shift + Command + M）
参考
连接
示例源码
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