iOS对象的底层探索（上）

IOS

2024-02-01 17:06:40

对于许多开发者来说，每天开发最常敲的代码就是alloc、init来进行对象的创建。

然而，我们都只是将alloc、init当作系统提供的接口，殊不知alloc和init只是客户端与系统的一个契约，底层的系统究竟是如何实现对象的创建呢？

alloc与init到底是如何进行数据布局的？

与objc对象一生的追随者引用计数是如何维护的？

我们日常使用的autoreleasepool又是如何与alloc和init进行协作，达成自动释放对象的使命的呢？

带着这些问题，我们将对iOS对象的底层实现进行详细的探索。

开始探索

我们先从alloc说起，苹果为我们提供了很多动态创建对象的方式，但是追溯其根源，创建对象的本质还是alloc、init。

那么，让我们用一个简单的例子，来探索一下iOS的alloc到底是做了什么呢？

- (id)new {
    id obj = [[self alloc] init];
    return obj;
}

这是我们在日常开发中，创建一个对象的代码。那么我们可以在运行时对这段代码进行动态分析，对创建对象的细节进行调查。

可以看出，在程序执行 alloc 的时候，会调用 objc_msgSend 函数，找到IMP进行调用。这里IMP进行的调用是 objc_msgSendSuper，这个API会对self的父类进行查找，如果父类还有父类就继续查找，知道找到根类，也就是NSObject。

当IMP对NSObject进行最终调用的时候，就会执行 allocWithZone:API，而allocWithZone是NSObject的类方法，通过最终的 objc_msgSend，找到了 NSObject 的实现：

id objc_msgSendSuper(struct objc_super *super, SEL op, ...) {
    IMP imp = objc_msgSend(super->receiver, super->class, op, nil);
    return imp(super, super->class, op, ...);
}

- (id)allocWithZone:(NSZone *)zone {
    // 尝试保留需要的内存大小
    id obj = NSAllocateMemoryPages(sizeof(MyClass));
    if (obj == nil) {
        return nil;
    }
    //为对象内存的开头部分初始化isa指针，使其指向类的对象实例结构体（class structure）
    ((__strong id *)obj)[0] = (id)&__objc_empty_vtable;
    return obj;
}

在allocWithZone API 的实现中，可以看出，首先会根据类的大小去申请内存。

然后将分配的内存的首地址处用isa指针，指向类的对象实例结构体。

类对象，也叫类元类，它包括了类的元数据，也就是保存了类的信息，它在设计的时候就是用一个结构体进行保存，那么这个isa指针指向的就是这个结构体。

初步认识objc对象

无论是allocWithZone还是alloc，最终都是调用NSAllocateMemoryPages去申请内存，从而完成objc对象的创建

也就是说，所有的objc对象都是由NSAllocateMemoryPages来完成其内存的申请的，不过，对于objc对象来说，他们仅仅申请了内存还不行，还需要保证这个内存是连续的。

所以，在创建objc对象的时候，会使用内存分配器NSAllocateMemoryPages，来申请一块连续的内存空间，用于存放objc对象的数据。

当objc对象在创建成功后，就会将isa指针指向objc的class structure，而isa指针的内存地址就是objc对象的内存地址。

通过isa指针就可以获取到其指向的class structure，也就是objc对象的元数据。

在class structure中，会包含其super class和isa，也就是父类的isa和自己的isa，这种父类和子类的相互引用，就可以保证objc对象的继承性。

objc对象的底层本质其实就是一块连续的内存空间。

而这块连续内存空间中，最关键的两个内存区域就是isa指针和class structure。

ObjC对象的底层结构

**---------------------------- ObjC对象结构 ----------------------------** 
 |   起始地址     |  isa指针   |   class structure   |   其他成员变量   |
 |----------------|-------------|---------------------|------------------|
 |     内存地址    |  类元类地址  |  类元数据地址     |  成员变量地址  |
 |----------------|-------------|---------------------|------------------|