OC底层原理01—alloc + init + new原理

iOS--OC底层原理文章汇总

alloc

Object-C 是一门面向对象语言，对象的设计在iOS编程中用到很多，比如ObjectA * objectA = [[ObjectA alloc]init] ,这就是一个类or对象的基本创建方式。那不禁要问这个alloc在不为人知的背后做了什么呢？今天就来探索一下它
首先，先观察这样一段代码，新建了一个书的类，然后创建它，打印它、以及它的地址

    Book * book1 = [Book alloc];
    Book * book2 = [book1 init];
    Book * book3 = [book1 init];
    
    NSLog(@"%@ - %p - %p",book1,book1,&book1);
    NSLog(@"%@ - %p - %p",book2,book2,&book2);
    NSLog(@"%@ - %p - %p",book3,book3,&book3);

下面是打印结果

<Book: 0x600003144690> - 0x600003144690 - 0x7ffeeb8db1b8
<Book: 0x600003144690> - 0x600003144690 - 0x7ffeeb8db1b0
<Book: 0x600003144690> - 0x600003144690 - 0x7ffeeb8db1a8

可以看到book1,book2,book3它们打印出来的对象是一样的，并且地址也是相同的，当取地址符时，打印出三个不一样的地址。就代码可以窥见一二，前两个打印出相同结果，代表它们都指向了相同的内存空间，最后一个取地址符时，相当于一个指针变量，存储在栈区，指向了开辟空间的对象的指针地址，可以理解为指针的指针，所以三个“变量“打印结果不一样。由此我们可以猜测alloc是申请了内存空间（实际是如此，我们在学习OC的时候，资料中已经说明，但却没有讲解究竟在底层做了什么），而init则是将内存空间的地址返回给指向它的对象，并未对内存空间做出修改。下面是简单示意图:

其中，一个对象占8个字节，系统会为指向内存空间的对象分配相近的指针地址，且其地址为连续栈地址，按十六进制计算，a8 + 8 = b0,b0 + 8 = b8

alloc开辟内存空间？

由上面的试验我们初步猜测alloc是在做着申请开辟内存空间的事，那我们就要去代码底层一探究竟，当我们想要查看alloc定义的时候，苹果却没有让我们继续的入口，它只是简单给出了这样一个定义+ (instancetype)alloc OBJC_SWIFT_UNAVAILABLE("use object initializers instead");
我们可以通过这样的两个方式

1.查看苹果关于objc的开源，下载一个相应的版本即可研究它；
2.在对象创建时，给alloc这一行下一个端点，按住键盘control+断点调试栏的Step into按钮，则会进入一个新的界面。

更深一步查看alloc

会出现类似以下的信息

xxproject`objc_alloc:
->  0x10e747476 <+0>: jmpq   *0x2b9c(%rip)             ; (void *)0x000000010e7474cc

objc_alloc就是我们需要继续探索的地方。
为了方便分析，还是下载苹果对应的源代码 781，并对其进行工程编译，参考这里，在工程代码中搜索objc_alloc，找到NSObject下，会出现

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

进入callAlloc，就会出现下面的代码

// 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));
}

_objc_rootAllocWithZone继续走会出现

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);
}

继续往下面走就来到了_class_createInstanceFromZone的实现

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;
    //  计算开辟内存大小
    size = cls->instanceSize(extraBytes);
    if (outAllocatedSize) *outAllocatedSize = size;

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

    if (!zone && fast) {
        // 关联cls类和obj指针地址
        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);
}

由此得到了alloc的基本流程

alloc执行流程

关于fastpath 和 slowpath：

//x很可能为真， fastpath 可理解为 真值判断
#define fastpath(x) (__builtin_expect(bool(x), 1)) 
//x很可能为假，slowpath 可理解为 假值判断
#define slowpath(x) (__builtin_expect(bool(x), 0))

总结下来，alloc的步骤有
1.开辟多少内存
2.开辟内存，返回指针
3.关联相应类

init做了什么？

在源码工程中继续查找init，发现这样的源码


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

// Replaced by ObjectAlloc
+ (id)allocWithZone:(struct _NSZone *)zone {
    return _objc_rootAllocWithZone(self, (malloc_zone_t *)zone);
}

// Replaced by CF (throws an NSException)
+ (id)init {
    return (id)self;
}

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

通过源码发现这里的+init方法是工厂设计模式下，以供开发者重写的构造方法。-init实例方法依然是做了返回自身的操作，进入 _objc_rootInit

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;
}

它返回的就是obj本身。

new又做了什么？

在平常的开发过程中，我们会不自觉的使用new去新建对象，貌似这样没有什么问题，但是到底是不是都没问题呢？进入new源码中，new做了一个alloc + init的操作，它一步到位的实现了对象的创建。但该init是NSObject的init，对于未重写init的类时，使用new是ok的，但如果子类重写了init，譬如：(id)initWithName:(NSString *)name, 就不能再使用new方法创建对象，否则它直接走父类的init，重写的init的逻辑不会执行。

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

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