Objective-C（七）对象内存分析

wenghengcong
526 阅读10分钟

导言

​ 本系列接《Effective Objective-C 2.0》一书中的系列文章。

本文主要针对几个类来窥探实例对象在内存中的存储，我们从成员变量和属性入手，本文相关代码在这儿。

我们平时编写的Objective-C代码，底层实现其实都是C\C++代码

屏幕快照 2018-11-08 下午7.24.53

所以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。

一、 NSObject 占用多少内存

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(@"%zu", malloc_size((__bridge const void *)obj));

上面有两个函数：

创建一个实例对象，至少需要多少内存？

# import <objc/runtime.h>

class_getInstanceSize([NSObject class]);

创建一个实例对象，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

//如果需要链接其他框架，使用-framework参数。比如-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

其中，我们可以发现NSObject转换为C++的底层结构体为：

//main.cpp
struct NSObject_IMPL {
	Class isa;		//typedef struct objc_class *Class;
};

我们直接通过断点调试也可以发现，obj的确只有一个isa成员变量。

2018-11-09_17-11-37

1.1 查看实时内存

下面我们通过查看obj对应的内存，来观察：

image-20181109171709554

从上图中可以看到，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：

// 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(@"%zu", malloc_size((__bridge const void *)obj));

我们猜测，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

为了验证这个猜测，我们将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;
}

再次运行，输出结果如下：

image-20181109180237592

从上图我们可以看出：

  • 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，为什么是16个字节，需要说明一下，iOS系统会给对象至少分配16*n字节的大小。

二、 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;
}

这一次，对象更复杂，而且继承了NSObject，那么其中实例对象中成员变量分配了多少字节，实际占用了多少自己呢？

最后输出：

image-20181109181326036

通过将上面代码转换为C++代码，我们可以得到BFPerson的结构：

其中，BFPerson_IMPL包含了NSObject_IMPL结构体，所以最后可以规整为：

image-20181109182017738

可以看到，第一个变量还是isa指针，后面跟着我们定义的两个成员变量，及定义的一个属性。

我们知道属性最后会转换一个对应的成员变量，所以总共有三个成员变量。

其中isa，我们知道是一个占用8字节，所以得到下面的各个成员变量的占用字节数：

image-20181109182338345

这和我们打印该实例对象占用的为24个字节相符，但是系统还是给它分配了32个字节。

我们通过两种方式来查看内存中的实例对象，是不是按我们预想的方式存储这些成员变量。

2.1 实时查看内存

如下；

image-20181110151749966

  • 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，已经是其整数倍。
  • Mac CPU是小端模式。
  • 同样可观察rose对象是否符合预期，不赘述。

2.2 结构体转换

我们通过前面转换C++代码结构体的分析，将jack转换为我们自定义的结构体。


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);

输出如下，可以看到结果完全一致，所以我们的符合我们的猜想。

image-20181110152805292

三、继承的对象：BFProgrammer

继承关系如下：

@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

测试代码如下；

        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));

对应的结果：

image-20181110170304953

3.1 结构体

image-20181110194752711

下面我们分析下结果：

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

我们现在更进一步，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，我们发现tony所在地址为0x103300700，根据其结构体，我们可以知道company所在地址为：

compyan地址 = 0x103300700 + isa+ _age + _male + _height

​ = 0x103300700 + 8 + 4 + 4 + 8

	        = 0x103300718

3.2.2 lldb查看内存

对应的指令如下：

(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

3.2.3 分析

image-20181110192444681

  • 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，改为我们正常的读写大端模式：0x0000000100000f52。即从右向左读取每个字节即可。

四、源码分析

下面我们分析上面我们常用的打印语句：

        NSLog(@"%zd", class_getInstanceSize([NSObject class]));
        NSLog(@"%zu", malloc_size((__bridge const void *)(obj)));

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：

image-20181110212729733

  • 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 是经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

可以看到，其中当上图最后一步中的alignedInstanceSize，即经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。

为什么需要补齐16字节呢？

代码文档有一行注释：

CF requires all objects be at least 16 bytes.

或者我们可以理解为OC对象为了提高系统分配及查找地址的效率，而做的一个这样的规定。

这也是上面第一个实例NSObject分析中，为什么实例对象实际占用8字节，会分配16字节的原因。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());
}

可以看出，class_getInstanceSize最后返回的就是上面所说的，经过字节对齐，但是在alloc中calloc之前的大小。

所以我们看到其实际返回的是成员变量实际需要的空间大小。

4.3 calloc

calloc代码在另外一个库中——libmalloc。

其中源码比较难以理解，所以直接给出结论。

  • calloc返回的是系统实际分配的内存，最后返回的大小一定是16的倍数；

  • 所以BFPerson实例中，成员变量占24字节，但最后经过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 */

五、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）

image-20181109181240334

参考

链接

示例源码

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