alloc、init原理

了解alloc和init的原理之前，我们先看看以下几行代码，以下分别输出对象的内容，对象的地址，对象的指针的地址，打印结果如下：

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

<LGPerson: 0x60000307dcc0> - 0x60000307dcc0 - 0x7ffee6ff2068
<LGPerson: 0x60000307dcc0> - 0x60000307dcc0 - 0x7ffee6ff2060
<LGPerson: 0x60000307dcc0> - 0x60000307dcc0 - 0x7ffee6ff2058

为什么

前两个%@→p1，%p→p1地址一样，而%p→&p1又不一样呢?

原因

• 程序在运行时先进行类加载，即在代码段中开辟空间，内部存放声明的属性及方法。
• 在使用alloc时会在堆区开辟一个空间，内部有isa指针，这个指针指向所指的类对象。
• 而栈区的指针保存的是对象的地址。

对象在内存中的存储

注：想知道类在代码段中的地址可以通过

Class cls1 = objc_getClass(p1);
NSLog(@"%p" , cls1);

0x1022147c8

由上图可以初步了解对象的内容，对象的地址，对象的指针的地址之间的关系，那么到底alloc＆init的原理是什么呢？

一、alloc源码探索

1、源码搭配断点调试查看alloc：

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

2、进入_objc_rootAlloc

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

3、进入callAlloc

到这里会不确定进入哪个流程，不过我们可以通过源码搭配断点调试，判断逻辑走到哪个流程，来到了_objc_rootAllocWithZone

static ALWAYS_INLINE id
callAlloc(Class cls, bool checkNil, bool allocWithZone=false) {
#if __OBJC2__
    // checkNil 为false，!cls 也为false ，不会返回nil
    if (slowpath(checkNil && !cls)) return nil;
    // 是否有自定义的 +allocWithZone 实现
    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));
}

4、跳转至_objc_rootAllocWithZone 的源码实现

id _objc_rootAllocWithZone(Class cls, malloc_zone_t *zone)
{
    id obj;

#if __OBJC2__
    // allocWithZone under __OBJC2__ ignores the zone parameter
    (void)zone;
    obj = class_createInstance(cls, 0);
#else
    if (!zone || UseGC) {
        obj = class_createInstance(cls, 0);
    }
    else {
        obj = class_createInstanceFromZone(cls, 0, zone);
    }
#endif

    if (!obj) obj = callBadAllocHandler(cls);
    return obj;
}

5、跳转至_class_createInstanceFromZone 的源码实现，这部分是alloc源码的核心操作，该方法的实现主要分为三个部分：

• cls→instanceSize:计算需要开辟的内存空间大小
• calloc:申请内存，返回地址指针
• obj→initInstanceIsa:将类与isa关联

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)// alloc 源码 第五步
{
    ASSERT(cls->isRealized()); //检查是否已经实现

    // Read class's info bits all at once for performance
    //一次性读取类的位信息以提高性能
    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，传入的extraBytes 为 0
    size = cls->instanceSize(extraBytes);
    if (outAllocatedSize) *outAllocatedSize = size;

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

    if (!zone && fast) {
        //将 cls类 与 obj指针（即isa） 关联
        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);
}

cls->instanceSize:计算所需内存大小

1、跳转至instanceSize 的源码实现

size_t instanceSize(size_t extraBytes) const {
    //编译器快速计算内存大小
    if (fastpath(cache.hasFastInstanceSize(extraBytes))) {
        return cache.fastInstanceSize(extraBytes);
    }

    // 计算类中所有属性的大小 + 额外的字节数0
    size_t size = alignedInstanceSize() + extraBytes;
    // CF requires all objects be at least 16 bytes.
    //如果size 小于 16，最小取16
    if (size < 16) size = 16;
    return size;
}

经过断点调试，执行cache.hasFastInstanceSize方法，快速计算内存大小。

2、跳转至fastInstanceSize 的源码实现，通过断点调试，来到align16

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

    //Gcc的内建函数 __builtin_constant_p 用于判断一个值是否为编译时常数，如果参数EXP 的值是常数，函数返回 1，否则返回 0
    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
        //删除由setFastInstanceSize添加的FAST_CACHE_ALLOC_DELTA16 8个字节
        return align16(size + extra - FAST_CACHE_ALLOC_DELTA16);
    }
}

3、跳转到align16的源码实现，以下是16字节对齐算法

//16字节对齐算法
static inline size_t align16(size_t x) {
    return (x + size_t(15)) & ~size_t(15);
}

4、为什么要16字节对齐

• cpu存取数据时，以区块来做范围的读取，如果读取到的资料是没有经过对齐的，资料读取上就要花更多的次数读取完成，意味着增加了cpu读取时的负担。
• 由于一个对象的本质为结构体，且第一个属性为isa指针(占８个字节)，在没有其他属性的情况下，会预留８个字节，其目的是为了数据读取的安全性，如果不预留，有可能造成资料读取混乱。
• 苹果早期以８字节对齐，现在以16字节对齐。

calloc:申请内存，返回地址指针

通过instanceSize计算的内存大小，向内存中申请大小为size的内存，并赋值给obj，因此obj是指向内存地址的指针

obj = (id)calloc(1, size);

• 这里我们可以通过断点来印证上述的说法，在未执行calloc时，po obj为nil，执行后，再po obj，返回了一個16进制的地址
• 然而在平常的开发中，一般一个对象的打印的格式都是类似于这样的<LGPerson: 0x01111111f>（是一个指针）。为什么这里不是呢？
• 主要是因为iobjc 地址还没有与传入的cls进行关联
• 同时印证了alloc的根本作用就是开辟内存

obj->initInstanceIsa：类与isa关联

经过calloc可知，内存已经申请好了，类也已经传入进来了，接下来就需要将类与地址指针即isa指针进行关联，其关联的流程图如下所示：

类与isa关联

initInstanceIsa流程

主要过程就是初始化一个isa指针，并将isa指针指向申请的内存地址，在将指针与cls类进行关联
同样也可以通过断点调试印证上面的说法，在执行完initInstanceIsa后，在通过po obj可以得出一个对象指针

总结

• 通过对alloc源码的分析，可以得知alloc的主要目的就是开辟内存，而且开辟的内存需要使用16字节对齐算法，现在开辟的内存的大小基本上都是16的整数倍
• 开辟内存的核心步骤有3步：计算 -- 申请 -- 关联

二、init源码探索

1、类方法init

+ (id)init {
    return (id)self;
}

这里的init是一个构造方法，是通过工厂设计（工厂方法模式）,主要是用与给用户提供构造方法入口。这里能使用id强转的原因，主要还是因为内存字节对齐后，可以使用类型强转为你所需的类型

2、实例方法init

通过以下代码进行探索实例方法init

LGPerson *objc = [[LGPerson alloc] init];

通过main中的init跳转至init的源码实现

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

跳转至_objc_rootInit的源码实现

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;
}

有上述代码可以，返回的是传入的self本身。

三、new 源码探索

一般在开发中，初始化除了init，还可以使用new，两者本质上并沒有什么区別，new函数中直接调用了callAlloc函数（即alloc中分析的函数），且调用了init函数，所以可以得出new 其实就等价于 [alloc init]的结论。