从源码看objc对象是如何产生的

前言

在面向对象编程中，万物皆对象，在实际编程过程中，[[xxx alloc] init] 是非常普遍的代码，那么一个对象是如何被创建的呢？

大纲

  • alloc方法底层实现流程？

  • init方法都做了些什么？

  • new 与 alloc init

  • 总结

一、alloc实现流程

Person *p = [Person alloc];

在Foundation层我们初始化一个对象需要调用alloc方法，通过查看堆栈信息我们可以大致知道函数调用过程如下：

堆栈信息.png

接下来，结合源码，我们共同探究一下alloc的神秘面纱。

1.objc_alloc

// Calls [cls alloc].
id
objc_alloc(Class cls)
{
    return callAlloc(cls, true/*checkNil*/, false/*allocWithZone*/);
}

[Person alloc]执行后，最先进入的是objc_alloc函数，在此函数中传入当前类（Person），并且调用callAlloc函数。

2.callAlloc

// 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__
    if (slowpath(checkNil && !cls)) return nil;
    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));
}

在这里我们也拓展一下其他知识，了解一下objc底层一些特性：

  • 先看一下ALWAYS_INLINE

inline 是一种降低函数调用成本的方法，其本质是在调用声明为 inline 的函数时，会直接把函数的实现替换过去，这样减少了调用函数的成本。 是一种以空间换时间的做法。

#define ALWAYS_INLINE inline __attribute__((always_inline))

ALWAYS_INLINE宏会强制开启inline。

  • slowpath & fastpath

#define fastpath(x) (__builtin_expect(bool(x), 1))
#define slowpath(x) (__builtin_expect(bool(x), 0))

这两个宏使用__builtin_expect函数

__builtin_expect(EXP, N)

这个指令的意思是EXP==N的概率更大。用于上方就是对于>fastpath(x) x为真可能性更大，对于>slowpath(x) x为假可能性更大。
这个指令的作用是允许程序员将最有可能执行的分支告诉编译器，用于优化代码执行效率，提高预读指令的命中率，以减少指令跳转带来的性能下降！
所以我们在分析的时候，以实际为准。

对于下面代码：

if (fastpath(!cls->ISA()->hasCustomAWZ()))

此句代码为判断当前class or superclass 是否有自定义的alloc/allocWithZone 方法实现 ？
如果cls->ISA()->hasCustomAWZ()返回YES，意味着有自定义的allocWithZone方法实现。这个值会存储在metaclass中。

虽然这里是fastpath，但是对于初次创建的类是还没有默认的实现的。所以继续向下执行进入到msgSend消息发送流程，调用alloc函数。

3.alloc

+ (id)alloc {
    return _objc_rootAlloc(self);
}

4. _objc_rootAlloc

// 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*/);
}

执行到这个过程会再次进入到callAlloc函数，但是这一次当前类的默认实现已经注册完毕，所以会执行到_objc_rootAllocWithZone函数中。

5.callAlloc

if (fastpath(!cls->ISA()->hasCustomAWZ())) {
return _objc_rootAllocWithZone(cls, nil);
}

6. _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);
}

7. _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());

    // Read class's info bits all at once for performance
    bool hasCxxCtor = cxxConstruct && cls->hasCxxCtor();
    bool hasCxxDtor = cls->hasCxxDtor();
    bool fast = cls->canAllocNonpointer();
    size_t size;
    size = cls->instanceSize(extraBytes);
    if (outAllocatedSize) *outAllocatedSize = size;

    id obj;
    if (zone) {
        obj = (id)malloc_zone_calloc((malloc_zone_t *)zone, 1, size);
    } else {
       obj = (id)calloc(1, size);
    }
    if (slowpath(!obj)) {
        if (construct_flags & OBJECT_CONSTRUCT_CALL_BADALLOC) {
            return _objc_callBadAllocHandler(cls);
        }
        return nil;
    }

    if (!zone && fast) {
        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);
}

先看一下前面的几个bool值

bool hasCxxCtor = cls->hasCxxCtor();
bool hasCxxDtor = cls->hasCxxDtor();
bool fast = cls->canAllocNonpointer();

hasCxxCtor 判断当前class or superclass 是否有.cxx_construct构造方法的实现；
hasCxxDtor 判断当前class or superclass 是否有.cxx_destruct析构方法的实现；
canAllocNonpointer 是对 isa 的类型的区分，如果一个类和它父类的实例不能使用 isa_t 类型的 isa 的话，返回值为 false。在 Objective-C 2.0 中，大部分类都是支持的；

  • 7.1 重要函数：计算所需空间大小：

size_t size = cls->instanceSize(extraBytes);


size_t instanceSize(size_t extraBytes) const {
        if (fastpath(cache.hasFastInstanceSize(extraBytes))) {
            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;
    }

size_t fastInstanceSize(size_t extra) const
    {
        ASSERT(hasFastInstanceSize(extra));

        if (__builtin_constant_p(extra) && extra == 0) {
            return _flags & FAST_CACHE_ALLOC_MASK16;
        } else {
            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);
        }
    }


static inline size_t align16(size_t x) {
    return (x + size_t(15)) & ~size_t(15);
}

计算申请空间大小: 对于继承自NSObject没有任何属性的自定义类而言，默认有个isa结构体。占8字节。

@interface NSObject <NSObject> {
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wobjc-interface-ivars"
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#pragma clang diagnostic pop
}

最终经过align16函数计算方式：

（8 + 15）& ~15 （等同于>>4再<<4）

最终结果为16的倍数，且最小为16字节(这里的传入的x受类的属性个数的影响)。在Core Foundation 中，需要所有的对象的大小不小于 16 字节。

  • 7.2 重要函数：calloc

id obj;
if (zone) {
obj = (id)malloc_zone_calloc((malloc_zone_t *)zone, 1, size);
} else {
obj = (id)calloc(1, size);
}

alloc 开辟内存的地方。
按计算大小通过 calloc()函数为对象分配内存空间， calloc()会默认的把申请出来的空间初始化为0或者nil。（这里的zone基本是不会走的，苹果废弃了zone开辟空间，并且这里zone的入参传入的也是nil）

  • 7.3重要函数：initInstanceIsa
inline void 
objc_object::initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor)
{
    ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());
    ASSERT(hasCxxDtor == cls->hasCxxDtor());

    initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
}

inline void 
objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor) 
{ 
    ASSERT(!isTaggedPointer()); 
    
    if (!nonpointer) {

        isa = isa_t((uintptr_t)cls);
    } else {
        ASSERT(!DisableNonpointerIsa);
        ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());

        isa_t newisa(0);

#if SUPPORT_INDEXED_ISA 
        ASSERT(cls->classArrayIndex() > 0);
        newisa.bits = ISA_INDEX_MAGIC_VALUE;
        // isa.magic is part of ISA_MAGIC_VALUE
        // isa.nonpointer is part of ISA_MAGIC_VALUE
        newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
        newisa.indexcls = (uintptr_t)cls->classArrayIndex();
#else
        newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;
        // isa.magic is part of ISA_MAGIC_VALUE
        // isa.nonpointer is part of ISA_MAGIC_VALUE
        newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
        newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;
#endif

        // This write must be performed in a single store in some cases
        // (for example when realizing a class because other threads
        // may simultaneously try to use the class).
        // fixme use atomics here to guarantee single-store and to
        // guarantee memory order w.r.t. the class index table
        // ...but not too atomic because we don't want to hurt instantiation
        isa = newisa;
    }
}

初始化的过程就是对isa_t结构体初始化的过程。

关于Isa类型

Isa类型有如下宏定义

// Define SUPPORT_INDEXED_ISA=1 on platforms that store the class in the isa 
// field as an index into a class table.
// Note, keep this in sync with any .s files which also define it.
// Be sure to edit objc-abi.h as well.
#if __ARM_ARCH_7K__ >= 2  ||  (__arm64__ && !__LP64__)
#   define SUPPORT_INDEXED_ISA 1
#else
#   define SUPPORT_INDEXED_ISA 0
#endif

// Define SUPPORT_PACKED_ISA=1 on platforms that store the class in the isa 
// field as a maskable pointer with other data around it.
#if (!__LP64__  ||  TARGET_OS_WIN32  ||  \
     (TARGET_OS_SIMULATOR && !TARGET_OS_IOSMAC))
#   define SUPPORT_PACKED_ISA 0
#else
#   define SUPPORT_PACKED_ISA 1
#endif

// Define SUPPORT_NONPOINTER_ISA=1 on any platform that may store something
// in the isa field that is not a raw pointer.
#if !SUPPORT_INDEXED_ISA  &&  !SUPPORT_PACKED_ISA
#   define SUPPORT_NONPOINTER_ISA 0
#else
#   define SUPPORT_NONPOINTER_ISA 1
#endif

SUPPORT_INDEXED_ISA 的含义是，如果为 1，则会在 isa field 中存储 class 在 class table 的索引。SUPPORT_PACKED_ISA 为 1 时则是在 isa field 中通过 mask 的方式存储 class 的指针信息。

SUPPORT_NONPOINTER_ISA 用于标记是否支持优化的 isa 指针，其字面含义意思是 isa 的内容不再是类的指针了，而是包含了更多信息，比如引用计数，析构状态，被其他 weak 变量引用情况。

在_class_createInstanceFromZone中，主要做了3件事，1.计算对象所需的空间大小；2.根据计算大小开辟空间；3.初始化isa，使其与当前对象关联。

至此，一个对象就创建完成了。

我们通过流程图再来回顾一下上面的流程。

alloc流程图

二、init函数

通过alloc方法，开辟了所需空间，关联了isa，那么init又做了什么呢？看代码：

- (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;
}

init函数返回了当前对象而已！那么苹果如此设计的目的是什么呢？其实每个对象从出生并非是完全相同的，允许我们对各个对象进行不同的配置，这就是init的函数的目的所在。

三、new函数

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

包装了 alloc init，允许我们快速的生成一个对象。

四、总结

至此，我们对象的创建就完成了，用一句话总结一下：alloc是孕育的过程，孕育完成之时，对象的“遗传基因”等信息就已经确定了，init是出生的过程，允许我们在出生之后进行不同的装配。

我们用一个示例来验收我们上面的学习成果，看示例代码思考底层实现细节。然后运行代码验证答案。

     Person *p1 = [Person alloc];
     Person *p2 = [p1 init];
     Person *p3 = [p1 init];
     NSLog(@"%@ - %p - %p",p1,p1,&p1);
     NSLog(@"%@ - %p - %p",p2,p2,&p2);
     NSLog(@"%@ - %p - %p",p3,p3,&p3);
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