Objc底层Alloc流程

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Objc底层 alloc流程记录

引用Objc开源版本为906.2

1. callAlloc

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static ALWAYS_INLINE id
callAlloc(Class cls, bool checkNil, bool allocWithZone=false)
{
    // 编译优化，cls一般不为空，该判断为false概率较大
    if (slowpath(checkNil && !cls)) return nil;
    // 判断一个类是否有自定义的allocWithZone
    if (fastpath(!cls->ISA()->hasCustomAWZ())) {
        return _objc_rootAllocWithZone(cls, nil);
    }

    // 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));
}

slowpath和fastpath为__builtin_expect为0和为1对应的宏定义，目的是告诉编译器输入参数为false或true的概率较大，减少指令跳转。

2. _class_createInstance

这部分是alloc操作的核心代码，主要分三部分：

  1. 计算对象大小
  2. 按计算出的大小分配内存
  3. 将类与isa关联
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NEVER_INLINE
id
_objc_rootAllocWithZone(Class cls, objc_zone_t)
{
    // 可以看到zone参数已经不再适用，并没有往接下来调用的方法传递该参数
    return _class_createInstance(cls, 0, OBJECT_CONSTRUCT_CALL_BADALLOC);
}

static ALWAYS_INLINE id
_class_createInstance(Class cls, size_t extraBytes,
                      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;

    // 计算需要开辟的内存大小
    size = cls->instanceSize(extraBytes);
    if (outAllocatedSize) *outAllocatedSize = size;

    // 分配内存
    id obj = objc::malloc_instance(size, cls);
    if (slowpath(!obj)) {
        if (construct_flags & OBJECT_CONSTRUCT_CALL_BADALLOC) {
            return _objc_callBadAllocHandler(cls);
        }
        return nil;
    }

    if (fast) {
        // 关联class与isa
        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);
}

在展开讲instanceSize()的实现之前，需要先理解内存字节对齐。

为什么要字节对齐以及对齐规则

尽管内存中以字节为单位进行存储，处理器却是以块为单位进行读取和写入，所以数据在内存中的存放需要进行对齐以减少CPU的工作量。每个特定平台上的编译器都有默认的对齐系数。gcc中默认为# pragma pack(4)，该预编译命令可以用来设置对齐系数。

假如对齐系数是4，是否就一定按4个字节去进行内存布局呢？不一定，这里引入一个重要的概念—有效对齐值，而有效对齐值 = min(结构体中最长的数据类型，对齐系数)，也叫对齐单位。

了解了对齐单位的概念后，可以理解内存对齐需要遵循的规则了：

  • 结构体第一个成员的偏移量（offset）为0，以后每个成员相对于结构体的offset都是对齐单位的整数倍
  • 结构体总大小为对齐单位的整数倍

instanceSize

接下来看看instanceSize的实现，了解下alloc过程中如何计算出对象的大小。

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// defined in objc_class
inline size_t instanceSize(size_t extraBytes) const {
    if (fastpath(cache.hasFastInstanceSize(extraBytes))) {
        // 从缓存快速读取大小
        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;
}

// defined in cache_t
size_t fastInstanceSize(size_t extra) const
{
    ASSERT(hasFastInstanceSize(extra));
    // __builtin_constant_p内建函数用于判断一个值是否是编译时的常数
    if (__builtin_constant_p(extra) && extra == 0) {
        // 从flags中直接取出size
        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);
    }
}

// 按16位对齐算法
static inline size_t align16(size_t x) {
    return (x + size_t(15)) & ~size_t(15);
}
/**
    以8来举例看看该算法的计算过程，看是怎么一步步填充成16的
    align16(8)
    = (8 + 15) & ~(15)
    = 0000 0000 0001 0111 & ~(0000 0000 0000 1111)
    = 0000 0000 0001 0111 & 1111 1111 1111 0000
    = 0000 0000 0001 0001 0000
*/

malloc_instance

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static inline id
malloc_instance(size_t size, Class cls __unused)
{
#if _MALLOC_TYPE_ENABLED
    malloc_type_descriptor_t desc = {};
    desc.summary.type_kind = MALLOC_TYPE_KIND_OBJC;
    return (id)malloc_type_calloc(1, size, desc.type_id);
#else
    // 打断点发现会走到这里
    return (id)calloc(1, size);
#endif
}

可以看到malloc_instance底层也是调用calloc进行内存分配，返回指向分配好的内存的指针，到这里为止内存空间已经有了，但这时候打印对象的话，是看不到类信息的，因为isa还没进行初始化，也就是类的信息还没关联进去。

initInstanceIsa

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inline void 
objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, UNUSED_WITHOUT_INDEXED_ISA_AND_DTOR_BIT bool hasCxxDtor)
{ 
    ASSERT(!isTaggedPointer()); 
    
    isa_t newisa(0);

    if (!nonpointer) {
        newisa.setClass(cls, this);
    } else {
        ASSERT(!DisableNonpointerIsa);
        ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());


#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
#   if ISA_HAS_CXX_DTOR_BIT
        newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
#   endif
        newisa.setClass(cls, this);
#endif
#if ISA_HAS_INLINE_RC
        newisa.extra_rc = 1;
#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;
}

大概流程就是初始化一个isa，让isa与类进行关联，并指向申请的内存地址。执行完这一步可以在lldb中把对象po出来，可以看到输出的信息中除了内存地址，类名也带上了。

总结

alloc流程看下来主要是三步，首先是计算需要的内存大小，计算过程需要进行16字节对齐，分配好内存后初始化isa关联类的信息。