手撕iOS底层02 -- 分析alloc&init&new

时间  2021-08-13
标签 c++ 程序员 objective-c 算法 安全 性能优化 markdown app 函数 oop 栏目 iOS 繁體版
原文   原文链接

OC对象与指针

GPerson *p1 = [GPerson alloc];
    GPerson *p2 = [p1 init];
    GPerson *p3 = [p1 init];
    
    LGPrint(@"%@ - %p - %p", p1, p1, &p1); //<GPerson: 0x6000022f4160> - 0x6000022f4160 - 0x7ffee7a11078
    LGPrint(@"%@ - %p - %p", p2, p2, &p2); //<GPerson: 0x6000022f4160> - 0x6000022f4160 - 0x7ffee7a11070
    LGPrint(@"%@ - %p - %p", p3, p3, &p3); //<GPerson: 0x6000022f4160> - 0x6000022f4160 - 0x7ffee7a11068
复制代码

三个指针变量指向同一块内存空间，p1 p2 p3是放在栈空间，因此每个指针变量地址是不一样的；c++

由于是在栈空间分配的，因此栈空间从高到低；程序员

又由于64位设备，指针大小8字节，因此从0x7ffee7a11078依次减去0x8。objective-c

%p -- p1是打印对象的地址算法

%p -- &p1是打印p1在地址空间的地址安全

0x00 准备源码项目

  • 从 官网下载 objc4-781源码项目性能优化

  • 先放上alloc的流程图markdown

0x01 -- alloc探索

  1. 在main函数中经过alloc方法进入到实现部分，从这里开始，一点一点的往下往深了走进去～😄
+ (id)alloc {
    return _objc_rootAlloc(self);
}
复制代码
  1. 跳到_objc_rootAlloc的实现部分。
// Base class implementation of +alloc. cls is not nil.
// Calls [cls allocWithZone:nil].
id
_objc_rootAlloc(Class cls)
{
    return callAlloc(cls, false/*checkNil*/, true/*allocWithZone*/);
}
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  1. 跳到callAlloc流程的实现部分， 这时候这里有分支了，通过断点调试，这里走_objc_rootAllocWithZone

在objc-config.h文件里app

// Define __OBJC2__ for the benefit of our asm files.
#ifndef __OBJC2__
# if TARGET_OS_OSX && !TARGET_OS_IOSMAC && __i386__
        // old ABI
# else
# define __OBJC2__ 1
# endif
#endif
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// Call [cls alloc] or [cls allocWithZone:nil], with appropriate 
// shortcutting optimizations.
static ALWAYS_INLINE id callAlloc(Class cls, bool checkNil, bool allocWithZone=false) {
#if __OBJC2__ // 宏条件判断是否OBJC2版本
    if (slowpath(checkNil && !cls)) return nil;
  	// cls->ISA()->hasCustomAWZ() 这里判断类有没有实现+allocWithZone，没有实现走到到if条件里。
    if (fastpath(!cls->ISA()->hasCustomAWZ())) { 
        return _objc_rootAllocWithZone(cls, nil);
    }
#endif

    // No shortcuts available.
    if (allocWithZone) {
        return ((id(*)(id, SEL, struct _NSZone *))objc_msgSend)(cls, @selector(allocWithZone:), nil);
    }
    return ((id(*)(id, SEL))objc_msgSend)(cls, @selector(alloc));
}
复制代码

编译器优化

fastpath和slowpath参考函数

#define fastpath(x) (__builtin_expect(bool(x), 1))oop

#define slowpath(x) (__builtin_expect(bool(x), 0))

__builtin_expect 是GCC提供给程序员使用，目的是将"分支转移"的信息提供给编译器，这样编译器能够对代码进行优化，以减小指令跳转带来的性能降低

其实代码中的slowpath和fastpath删除后并不影响这段代码功能，slowpath 和fastpath 的添加是告诉编译器if条件语句中是大几率事件仍是小几率事件，从而让编译器对代码进行优化；

if (x)
       return 1;
   else 
       return 30;
复制代码

因为计算机并不是一次只读取一条指令，而是读取多条指令，因此在读取if语句的时候也会把return 1读取，若是x值为0会再次读取return 30, 重读指令相对来讲是耗时的。若是x有很大的几率是0，而return 1 这条指令不可避免的会被读取，但实际上几乎没有机会去执行的，形成没必要要的指令重读。所以，定义了两个宏，fastpath(x)依然返回x,只是告诉编译器x的值通常不为0，从而编译能够进行优化。同理，slowpath(x)标识x的值极可能为0，编译时能够进行优化。

  • 在平常开发中，经过在Xcode设置Optimization Level的Debug把None设置为fastest, Smallest[-Os];来达到性能优化的目的。
  1. 来到_objc_rootAllocWithZone
NEVER_INLINE
id
_objc_rootAllocWithZone(Class cls, malloc_zone_t *zone __unused)
{
    // allocWithZone under __OBJC2__ ignores the zone parameter
    return _class_createInstanceFromZone(cls, 0, nil,
                                         OBJECT_CONSTRUCT_CALL_BADALLOC);
}
复制代码
  1. 直接来到核心方法_class_createInstanceFromZone 
static ALWAYS_INLINE id
_class_createInstanceFromZone(Class cls, size_t extraBytes, void *zone,
                              int construct_flags = OBJECT_CONSTRUCT_NONE,
                              bool cxxConstruct = true,
                              size_t *outAllocatedSize = nil)
{
    ASSERT(cls->isRealized()); // 容错处理

    // Read class's info bits all at once for performance
    bool hasCxxCtor = cxxConstruct && cls->hasCxxCtor(); //判断是否有c++的构造函数
    bool hasCxxDtor = cls->hasCxxDtor(); // 判断是否有c++的析构函数
    bool fast = cls->canAllocNonpointer();
    size_t size;
		// 计算出须要的内存空间大小 从上边调用得知 extraBytes = 0
    size = cls->instanceSize(extraBytes);
    if (outAllocatedSize) *outAllocatedSize = size;

    id obj;
    if (zone) {
        obj = (id)malloc_zone_calloc((malloc_zone_t *)zone, 1, size);
    } else {
      // 向系统申请开辟内存 ，返回内存地址指针
        obj = (id)calloc(1, size);
    }
  	// 容错处理
    if (slowpath(!obj)) {
        if (construct_flags & OBJECT_CONSTRUCT_CALL_BADALLOC) {
            return _objc_callBadAllocHandler(cls);
        }
        return nil;
    }
		
    if (!zone && fast) {
      // isa绑定 关联到相应的类
        obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor);
    } else {
        // Use raw pointer isa on the assumption that they might be
        // doing something weird with the zone or RR.
        obj->initIsa(cls);
    }

    if (fastpath(!hasCxxCtor)) {
        return obj;
    }

    construct_flags |= OBJECT_CONSTRUCT_FREE_ONFAILURE;
    return object_cxxConstructFromClass(obj, cls, construct_flags);
}
复制代码

三个核心方法:

⚠️NOTE： 后边系列文章着重分析这几个函数的内部实现：

  • size = cls->instanceSize(extraBytes);
  • obj = (id)calloc(1, size);
  • obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor);

总结下_class_createInstanceFromZone流程

1 开辟内存 先计算出须要的内存空间大小
2 申请内存 向系统申请开辟内存，返回地址指针
3 isa绑定 关联到相应的类

分析第一个关键函数size = cls->instanceSize(extraBytes);

进入到instanceSize方法

size_t instanceSize(size_t extraBytes) const {
      	// 编译器优化快速计算
        if (fastpath(cache.hasFastInstanceSize(extraBytes))) {
          	// 执行这里
            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;
    }
复制代码

这里调用fastInstanceSize

size_t fastInstanceSize(size_t extra) const {
        ASSERT(hasFastInstanceSize(extra));
				//Gcc的内建函数 __builtin_constant_p 用于判断一个值是否为编译时常数，
        //若是参数EXP 的值是常数，函数返回 1，不然返回 0
        if (__builtin_constant_p(extra) && extra == 0) {
            return _flags & FAST_CACHE_ALLOC_MASK16;
        } else {
          // _flags
            size_t size = _flags & FAST_CACHE_ALLOC_MASK;
            // remove the FAST_CACHE_ALLOC_DELTA16 that was added
            // by setFastInstanceSize
            return align16(size + extra - FAST_CACHE_ALLOC_DELTA16);
        }
    }
复制代码

接着调用align16

// 0010 0111 39 （15+24）
    // 1111 0000 ～
    // 0010 0000
    // 0000 1111 15
// 16字节对齐算法
static inline size_t align16(size_t x) {
    return (x + size_t(15)) & ~size_t(15);
}
复制代码

align16方法传进来的是24， 而后按执行这个对齐算法， 24+15 = 39 ， 二进制0010 0111 与 15的取反1111 0000 再按位域

获得 0010 0000 转十进制就是 32;

这里也能够先右移 再左移 ，也能够把末尾的置为0

为何字节对齐？

  • 方便CPU读取，提升读取效率 ，由于若是跨字节访问 会影响IO读取效率；典型的以空间换时间；
  • 一个对象，缺省第一个属性isa占8个字节，什么属性都没有时，会留8个字节，与其它对象的isa有必定宽度，保证安全，不会地址越界，非法访问到其它对象的内容；
  • 举个🌰: 如今实行垃圾分类，就是为了方便回收利用，方便处理废弃 厨房垃圾，跟字节对齐也同样，都是为了方便，效率高；这个方便效率高相对于人来讲，而字节对齐是相对于cpu 机器来讲是安全高效的；

字节对齐算法中，对齐的主要是对象，在底层的本质是struct objc_object结构体。

结构体中的成员变量在内存中是连续存放的，因此能够对结构体类型强转。

早期的版本是8字节对齐， 如今是按16字节对齐；

内存对齐规则能够看我以前的struct文章对齐规则，由于oc对象编译到底层的表示也是一个struct objc_object结构体;访问连接

0x02 -- callAlloc 探索

obj = (**id**)calloc(1, size);

经过这行代码，obj就是会有一个16进制的地址。

在oc中，打印一个对象的地址<Test: 0x000000ff001>;对象名字+指针地址。这里为何不同？

  1. 主要是开辟的内存地址尚未与传进来的类关联绑定。

0x03 -- initInstanceIsa 探索

obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor);

接着开始绑定地址与类的关联。 初始化initIsa 指针。

这里打印出俩的obj就是一个对象指针了。

总结alloc流程

  • 主要开辟内存，十六字节对齐，大小为十六整数倍。
  • 内存三部曲： 计算对象大小 --- > 申请内存地址 ---->类与地址关联

0x04init方法底层实现

+ (id)init {
    return (id)self;
}

- (id)init {
    return _objc_rootInit(self);
}

id
_objc_rootInit(id obj)
{
    // In practice, it will be hard to rely on this function.
    // Many classes do not properly chain -init calls.
    return obj;
}
复制代码

工厂设计方法， 提供给用户自定义本身的初始化方法的一个入口；使用id强转的缘由，由于内存对齐后，可使用类型强转成咱们须要的类型；

0x05 new方法的底层实现

+ (id)new {
    return [callAlloc(self, false/*checkNil*/) init];
}
复制代码

苹果不建议使用new去初始化对象，若是自定义类里初始化重写了init方法，使用new会走到这个方法；

//重写init
- (instancetype)init
{
    self = [super init];
    if (self) {
        NSLog(@"come here");
    }
    return self;
}

Demo *obj = [Demo new];
//打印输出 come here
复制代码

若是不重写 init方法， 使用new会走父类的init方法

通常咱们自定义的initWithXXX方法， 会掉用super init方法， 会走父类的init方法，初始化的流程走的更完善；

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