Objc 物件的今生今世

一縷殤流化隱半邊冰霜發表於2016-11-02
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前言

在物件導向程式設計中,我們每天都在建立物件,用物件描述著整個世界,然而物件是如何從孕育到銷燬的呢?

目錄

  • 1.孕育物件
  • 2.物件的出生
  • 3.物件的成長
  • 4.物件的銷燬
  • 5.總結
一.孕育物件
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每天開發我們都在alloc物件,而alloc方法做了些什麼呢?

所有物件alloc都會呼叫這個root的方法

這個方法又會去呼叫callAlloc方法

由於入參 checkNil = false,所以不會返回nil。

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這張圖,我們可以看到在物件的資料段data中,class_rw_t中有一個flags。

RW_HAS_DEFAULT_AWZ 這個是用來標示當前的class或者是superclass是否有預設的alloc/allocWithZone:。值得注意的是,這個值會儲存在metaclass 中。

hasDefaultAWZ( )方法是用來判斷當前class是否有預設的allocWithZone。

如果cls->ISA()->hasCustomAWZ()返回YES,意味著有預設的allocWithZone方法,那麼就直接對class進行allocWithZone,申請記憶體空間。

allocWithZone會去呼叫rootAllocWithZone

接下來就仔細看看_objc_rootAllocWithZone的具體實現

在__OBJC2__中,直接呼叫class_createInstance(cls, 0);方法去建立物件。

關於_class_createInstanceFromZone方法這裡先不詳細分析,下面再詳細分析,先理清程式脈絡。

在objc的老版本中要先去看看zone是否有空間,是否用了垃圾回收,如果沒有空間,或者用了垃圾回收,就會呼叫class_createInstance(cls, 0)方法獲取物件,否則呼叫class_createInstanceFromZone(cls, 0, zone);獲取物件。

可以看到,建立物件最終呼叫的函式都是_class_createInstanceFromZone,不管objc的版本是新版還是舊版。

如果建立成功就返回objc,如果建立失敗,就會呼叫callBadAllocHandler方法。

建立物件失敗後,最終會呼叫_objc_fatal輸出”attempt to allocate object of class failed”建立物件失敗。

到此就完成了callAlloc中hasCustomAWZ( )返回YES的情況。那麼hasCustomAWZ( )函式返回NO,情況是怎麼樣的呢?

這一段是hasCustomAWZ( )返回NO的情況,對應的是當前class沒有預設的allocWithZone的情況。

在沒有預設的allocWithZone的情況下,還需要再次判斷當前的class是否支援快速alloc。如果可以,直接呼叫calloc函式,申請1塊bits.fastInstanceSize()大小的記憶體空間,如果建立失敗,也會呼叫callBadAllocHandler函式。

如果建立成功,就去初始化Isa指標和dtor。

dtor是用來判斷當前class或者superclass是否有.cxx_destruct函式的實現。

如果當前的class不支援快速alloc,那麼就乖乖的去呼叫class_createInstance(cls, 0);方法去建立一個新的物件。

小結一下:

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經過上面的一系列判斷,“孕育物件”的過程最終落在了_class_createInstanceFromZone函式上了。

ctor 和 dtor 分別是什麼呢?

ctor是判斷當前class或者superclass 是否有.cxx_construct構造方法的實現。

dtor是判斷判斷當前class或者superclass 是否有.cxx_destruct析構方法的實現。

例項大小 instanceSize會儲存在類的 isa_t結構體中,然後經過對齊最後返回。

注意:Core Foundation 需要所有的物件的大小都必須大於或等於 16 位元組。

在獲取物件大小之後,直接呼叫calloc函式就可以為物件分配記憶體空間了。

關於calloc函式

The calloc( ) function contiguously allocates enough space for count objects that are size bytes of memory each and returns a pointer to the allocated memory. The allocated memory is filled with bytes of value zero.

這個函式也是為什麼我們申請出來的物件,初始值是0或者nil的原因。因為這個calloc( )函式會預設的把申請出來的空間初始化為0或者nil。

申請完記憶體空間之後,還需要再初始化Isa指標。

初始化Isa指標有這上面兩個函式。

從上述原始碼中,我們也能看出,最終都是呼叫了initIsa函式,只不過入參不同。

初始化的過程就是對isa_t結構體初始化的過程。

具體初始化的過程請參見這篇神經病院Objective-C Runtime入院第一天——isa和Class

將當前地址右移三位的主要原因是用於將 Class 指標中無用的後三位清除減小記憶體的消耗,因為類的指標要按照位元組(8 bits)對齊記憶體,其指標後三位都是沒有意義的 0
絕大多數機器的架構都是 byte-addressable 的,但是物件的記憶體地址必須對齊到位元組的倍數,這樣可以提高程式碼執行的效能,在 iPhone5s 中虛擬地址為 33 位,所以用於對齊的最後三位位元為 000,我們只會用其中的 30 位來表示物件的地址。

至此,孕育物件的過程就完成了。

二.物件的出生

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一旦當我們呼叫init方法的時候,物件就會“出生”了。

init會呼叫_objc_rootInit方法。

而_objc_rootInit方法的作用也僅僅就是返回了當前物件而已。

三.物件的生長

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關於物件的生長,其實是想談談物件初始化之後,訪問它的屬性和方法,它們在記憶體中的樣子。

這裡我們新建一個Student類,來舉例說明。這個類很簡單,只有一個name的屬性,加上一個類方法,和一個例項方法。

寫出上述的程式碼,分析一下結構。

輸出如下:

經過上面的列印結果,我們可以知道,一個類的例項的isa是指向它的class,如下圖:

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一個類的例項,虛線指向灰色的區域,灰色的區域是一個Class pair,裡面包含兩個東西,一個是類,另一個是meta-class。類的isa指向meta-class。由於student是繼承NSObject,所以Student的class的meta-class的superclass是NSObject。

為了弄清楚這3個東西里面分別存了些什麼,我們進一步的列印一些資訊。

從之前的列印資訊我們能知道,0x100004d90是類的地址。0x100004d68是meta-class類的地址。

列印出來:

從這裡就知道了,屬性這些是儲存在類中。

接下來就是關於類方法和例項方法的認識,+號方法和-號方法的認識。

在記憶體中其實沒有+號和-號方法的概念。做個試驗:

列印出來:

0x100004d90是類物件,裡面儲存的是-號方法,還有另外3個方法,getter,setter,還有.cxx_destruct方法

0x100004d68是meta-class,裡面儲存的是+號方法。

當然在runtime的meta-class有一處很特殊,那就是NSObject的meta-class,它的superclass是它自己本身。為了防止呼叫NSObject協議裡面的減號方法可能會出現崩潰,比如copy的-號方法,於是在NSObject的meta-class裡面把所有的NSObject的+號方法都重新實現了一遍,就是為了訊息傳遞到這裡,攔截了一遍。所以一般NSObject協議方法同一個方法都有+號和-號方法。

值得說明的是,class和meta-class都是單例。

關於物件,所有的物件在記憶體裡面都有一個isa,isa就是一個小“雷達”,有了它,就可以在runtime下給一個物件傳送訊息了。

所以物件的實質:Objc中的物件是一個指向ClassObject地址的變數,即 id obj = &ClassObject 。

關於物件的屬性實質是,void *ivar = &obj + offset(N)

輸出

從這個例子就可以說明,物件的實質就是指向類物件的地址變數,從上面例子裡面obj就可以看出, id obj = &ClassObject ,cls是Student的類物件,所以obj是Student的物件。

類物件是在main函式執行之前就載入進記憶體的,可執行檔案中和動態庫所有的符號(Class,Protocol,Selector,IMP,…)都已經按格式成功載入到記憶體中,被 runtime 所管理,再這之後,runtime 的那些方法(動態新增 Class、swizzle 等等才能生效)

具體可以看這篇文章iOS 程式 main 函式之前發生了什麼

還是回到例子中來,關於物件的屬性,就是obj的地址加上偏移量,就可以訪問到,上述的例子中,obj地址是0x7fff562eea98,往下偏移8,到了class的地址,0x7fff562eeaa0,再往下偏移8,就到了name屬性的地址,0x7fff562eeaa8。在name中儲存的是字串的首地址,根據列印資訊也看到了,儲存的是一個指標,指向的0x10a25c068的地址。

如果我們列印一下這個地址:

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就會發現裡面存的就是我們的字串。

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總結一下就是上面這張圖,每個物件的isa都存的是Class的記憶體地址,Class是在main函式執行之前就載入進記憶體的,並且由Runtime所管理。所以只需要構造一個指向Class的指標,即isa,就可以成為一個物件。

而物件的屬性,就是在物件的首地址上進行的偏移。如上圖,當知道物件的首地址是0x7fff562eea98,那麼偏移8個位元組就到了isa,再偏移8個位元組就到了name屬性了。物件的屬性就是在記憶體中偏移定址取值的過程。

四.物件的銷燬

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物件的銷燬就是呼叫dealloc方法。

dealloc方法會呼叫_objc_rootDealloc方法

如果是TaggedPointer,直接return。

indexed是代表是否開啟isa指標優化。weakly_referenced代表物件被指向或者曾經指向一個 ARC 的弱變數。has_assoc代表物件含有或者曾經含有關聯引用。has_cxx_dtor之前提到過了,是析構器。has_sidetable_rc判斷該物件的引用計數是否過大。

object_dispose會呼叫objc_destructInstance。

銷燬一個物件,靠的是底層的C++解構函式完成的。還需要移除associative的引用。

接下來就依次詳細看看銷燬物件的3個方法。

1.object_cxxDestruct

從子類開始沿著繼承鏈一直找到父類,向上搜尋SEL_cxx_destruct
這個selector,找到函式實現(void (*)(id)(函式指標)並執行。

以下引用ARC下dealloc過程及.cxx_destruct的探究的內容:

這篇文章中:

ARC actually creates a -.cxx_destruct method to handle freeing instance variables. This method was originally created for calling C++ destructors automatically when an object was destroyed.

和《Effective Objective-C 2.0》中提到的:

When the compiler saw that an object contained C++ objects, it would generate a method called .cxx_destruct. ARC piggybacks on this method and emits the required cleanup code within it.

可以瞭解到,.cxx_destruct方法原本是為了C++物件析構的,ARC借用了這個方法插入程式碼實現了自動記憶體釋放的工作。

在ARC中dealloc方法在最後一次release後被呼叫,但此時例項變數(Ivars)並未釋放,父類的dealloc的方法將在子類dealloc方法返回後自動呼叫。ARC下物件的例項變數在根類[NSObject dealloc]中釋放(通常root class都是NSObject),變數釋放順序各種不確定(一個類內的不確定,子類和父類間也不確定,也就是說不用care釋放順序)

經過@sunnyxx文中的研究:
1.ARC下物件的成員變數於編譯器插入的.cxx_desctruct方法自動釋放。
2.ARC下[super dealloc]方法也由編譯器自動插入。

至於.cxx_destruct方法的實現,還請看@sunnyxx 那篇文章裡面詳細的分析。

2._object_remove_assocations

在移除關聯物件object的時候,會先去判斷object的isa_t中的第二位has_assoc的值,當object 存在並且object->hasAssociatedObjects( )值為1的時候,才會去呼叫_object_remove_assocations方法。

_object_remove_assocations方法的目的是刪除第二張ObjcAssociationMap表,即刪除所有的關聯物件。刪除第二張表,就需要在第一張AssociationsHashMap表中遍歷查詢。這裡會把第二張ObjcAssociationMap表中所有的ObjcAssociation物件都存到一個陣列elements裡面,然後呼叫associations.erase( )刪除第二張表。最後再遍歷elements陣列,把ObjcAssociation物件依次釋放。

這裡移除的方式和Associated Object關聯物件裡面的remove方法是完全一樣的。

3.clearDeallocating( )

這裡涉及到了2個clear函式,接下來一個個的看。

遍歷SideTable,迴圈呼叫weak_clear_no_lock函式。

weakly_referenced代表物件被指向或者曾經指向一個 ARC 的弱變數。has_sidetable_rc判斷該物件的引用計數是否過大。如果其中有一個為YES,則呼叫clearDeallocating_slow()方法。

clearDeallocating_slow也會最終呼叫weak_clear_no_lock方法。

這個函式會在weak_table中,清空引用計數表並清除弱引用表,將所有weak引用指nil。

總結

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這篇文章詳細的分析了objc物件 從 出生 到 最終銷燬,它的今生今世全部在此。還請大家多多指點。

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