iOS底层原理(一) NSObject对象是如何初始化的？

本文源码基于objc4-781, macOS 10.15.6, Xcode Version 11.7 (11E801a)

在开发过程中我们会经常使用到 + alloc 和 - init 方法，但是一直没有深入探究过。这部分代码其实苹果是开源的，我们可以直接通过源码来探索他们的底层实现。

alloc 方法分析

id _objc_rootAlloc(Class cls)
└── static ALWAYS_INLINE id callAlloc(Class cls, bool checkNil, bool allocWithZone=false)
    └── id _objc_rootAllocWithZone(Class cls, malloc_zone_t *zone __unused)
        └── static ALWAYS_INLINE id _class_createInstanceFromZone(Class cls, size_t extraBytes, void *zone, bool cxxConstruct, size_t *outAllocatedSize)
            ├── size_t instanceSize(size_t extraBytes)
            ├── void    *calloc(size_t, size_t)
            └── inline void objc_object::initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor)

上面就是调用 + alloc 方法的调用栈，这里只展示了关键部分的代码。

`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));
}

cls->ISA()->hasCustomAWZ(): 是否重写了+ alloc 或 + allocWithZone 方法。

如果没有重写 + alloc 或 + allocWithZone 就会调用 _objc_rootAllocWithZone ，否则会执行消息转发流程。

slowpath(x) 和 fastpath(x)

在条件判断语句中如果使用了 fastpath(x)，编译器会将在它之后的代码块紧接着前面的代码，而将slowpath(x)后的代码块放在更远的位置，这样能够减少读取代码是由于指令跳转带来的性能损耗。因此我们一般将大概率执行的条件放在 fastpath(x)中。

`_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)
{
    // 计算对象的大小
    size_t size = cls->instanceSize(extraBytes);
    // 开辟内存
    id obj = (id)calloc(1, size);
    // 初始化cls信息
    obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor);

    return obj;
}

上面代码只写出了关键部分，首先计算出对象需要开辟的内存空间的大小，然后开辟内存空间，此时开辟出来的内存并没有任何内容，因此我们需要初始化isa 。

字节对齐：有一点需要注意的是为对象分配的内存大小是 16bytes 对齐的，且最小为 16btyes。在以前的版本中是 8bytes 字节对齐的。

但是在通过可调式的源码跟踪对象创建的过程，发现了我们调用 [Person alloc] 时，此时并不会直接执行，而是先调用了 objc_alloc 方法，方法实现如下：

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

file: Source/NSObject.mm line: 1726

上面的注释是源码中苹果提供的，在调用alloc的方法时，确实会调用此方法。

接着调用callAlloc, 注意这里的第三个参数传的是 false 。在callAlloc方法中，判断条件!cls->ISA()->hasCustomAWZ()为 false 且 allocWithZone 也为 false，此时会执行 return ((id(*)(id, SEL))objc_msgSend)(cls, @selector(alloc)); 进入消息转发流程。

在消息转发的过程中会在查找当前cls和它的父类是否有重新+ alloc 或 + allocWithZone: 方法，如果有重写，那么 !cls->ISA()->hasCustomAWZ() 依然为 false，否则此条件就为 true。

在消息转发流程中，最后会执行 +[NSObject alloc] 方法，这样就回到我们最初探讨的流程了。

这里我们来看一下 _objc_rootAlloc 方法的实现：

id
_objc_rootAlloc(Class cls)
{
    return callAlloc(cls, false/*checkNil*/, true/*allocWithZone*/);
}

我们注意到这里第三个参数传递的是 true, 再次执行 _objc_rootAlloc 方法，!cls->ISA()->hasCustomAWZ() 条件成立就会直接调用 _objc_rootAllocWithZone 方法，如果不成立，接着往下执行，此时的 allocWithZone 参数为 true 就会执行 return ((id(*)(id, SEL, struct _NSZone *))objc_msgSend)(cls, @selector(allocWithZone:), nil);, 开始 + allocWithZone: 的消息转发流程。

最终会调用 +[NSObject allocWithZone:], 接着调用 _objc_rootAllocWithZone, 此时又回到了，我们开始分析的流程了。

总结： 在调用 + alloc 方法时，底层实现并不是直接调用 + alloc 方法的，而是首先调用了 objc_alloc 方法，在对一个类第一次进行初始化的时候 !cls->ISA()->hasCustomAWZ() 条件总是为 false, 然后进入 alloc 的消息转发流程，同时查找当前类和他的父类是否重写了 + alloc 或 + allocWithZone: 方法，如果没有找到那么 !cls->ISA()->hasCustomAWZ() 条件就会变为 true。通过 +[NSObject alloc] 再次调用 callAlloc 方法，如果此时 !cls->ISA()->hasCustomAWZ() 为 true 就会直接进行初始化对象。
否则就会进入+ allocWithZone: 的消息转发流程，最终通过 +[NSObject allocWithZone] 进行对象的创建。

笔者认为苹果这样做是为了进行性能优化，在开发的过程中+ alloc 可能是我们调用最多的方法之一，如果一个类没有重写+ alloc 和 + allocWithZone: 方法，实际上它就没有必要进入消息转发流程，可以直接进行对象的内存空间开辟，这样做避免了消息转发带来的性能损耗。

init 方法分析

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

id
_objc_rootInit(id obj)
{
    return obj;
}

init 方法实现就相当的简单，直接将self返回。这样做的目的实际上就是为子类提供一个工厂方法，让子类做自定义的初始化操作。