【iOS】OC底层系列一 - 对象的本质

面试题：一个NSObject对象占用多少内存？

一、OC对象的本质

1.1. OC的本质

我们平时编写的Objective-C代码，底层实现其实都是C\C++代码。所以Objective-C的面向对象都是基于C\C++的数据结构实现的。

思考：Objective-C的对象、类主要是基于C\C++的什么数据结构实现的？
答案：结构体，因为只有结构体才能容纳不同类型的数据。

将Objective-C代码转换为C\C++代码：

1	$ xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc OC源文件 -o 输出的CPP文件

如果需要链接其他框架，使用-framework参数，比如-framework UIKit。

1.2. NSObject

思考：一个OC对象在内存中是如何布局的？

创建一个NSObject对象：

// main.m文件
int main(int argc, const char * argv[]) {
    NSObject *object = [[NSObject alloc] init];
    return 0;
}

NSObject在API中的定义如下，只有一个成员变量：

@interface NSObject {
		Class isa;
}
// Class是一个结构体指针
typedef struct objc_class *Class;

把main.m文件的代码转换为C++代码后发现，NSObject被转换成了结构体实现：

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struct NSObject_IMPL {
		Class isa;
}

指针在64bit环境下占用8个字节，是不是意味着创建的object对象占用8个字节呢？我们通过打印观察一下。

// 获得NSObject实例对象的成员变量所占用的大小（至少需要多少内存）
// 需要导入runtime库：#import <objc/runtime.h>
// 输出：8
NSLog(@"%zd", class_getInstanceSize([NSObject class]));

// 获得object指针所指向内存的大小（实际分配多少内存）
// 需要导入malloc库：#import <malloc/malloc.h>
// 输出：16
NSLog(@"%zd", malloc_size((__bridge const void *)object)

创建NSObject对象时，分配内存16个字节，实际占用8个字节。

object指针保存的是NSObject对象内存地址，而对象的内存地址其实就是指针isa的内存地址（因为只有一个成员变量），所以object指针指向的是isa的内存地址。

为什么分配了16个字节，而仅占用8个字节？这个和objc的源代码有关，苹果官方定义：在创建对象时，分配的内存至少16个字节。alignedInstanceSize对应的objc源码是class_getInstanceSize的实现。

NSObject对象内存布局方式：

Xcode查看内存布局：

读取内存：

1.3. 自定义对象

创建一个Student类（继承NSObject）。

@interface Student : NSObject
{
    @public
    int _no;
    int _age;
}
@end

@implementation Student

@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
  	Student *stu = [[Student alloc] init];
    stu->_no = 3;
    stu->_age = 10;
 		return 0; 
}

思考：Student对象占用多少内存？

// 输出：16
NSLog(@"%zd", class_getInstanceSize([Student class]));

// 输出：16
NSLog(@"%zd", malloc_size((__bridge const void *)stu));

内存分配和实际占用都是16个字节。因为Student继承自NSObject，所以也会有一个isa指针，而Student类有两个int类型的成员变量（int在64bit环境占用4个字节），所以一共占用isa + _no + _age = 16个字节。

把Student对应的类转为C++后也可以看到，Student类把NSObject的成员变量也继承过去了。

struct NSObject_IMPL {
		Class isa;
}

struct Student_IMPL {
		struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
		int _no;
		int _age;
}

Student对象内存布局方式：

读取内存：

1.4. 继承

创建一个Person类（继承NSObject），Student类（继承Person）。

@interface Person : NSObject
{
    int _age;
}
@end

@implementation Person

@end

@interface Student : Person
{
    int _no;
}
@end

@implementation Student

@end

思考：一个Person对象、一个Student对象占用多少内存空间？

经过1.2和1.3的内容，基本上就可以知道Person对下和Student对象都是占用16个字节内存。

把对应代码转为C++代码：

struct NSObject_IMPL {
		Class isa;
}

struct Person_IMPL {
		struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
		int _age;
}

struct Student_IMPL {
		struct Person_IMPL Person_IVARS;
		int _no;
}

Person类使用class_getInstanceSize获取到类的成员变量占用16个字节。为什么不是12？一是因为内存对齐的缘故：结构体的大小必须是最大成员变量大小的倍数。由于Person类占用内存的最大成员变量是isa，所以Person对象占用16个字节。二是操作系统分配内存的原因：在iOS系统中，堆空间分配的内存大小是16的倍数。

class_getInstanceSize对应的objc源码是alignedInstanceSize：返回的是内存对齐后的大小。

Student对象为什么不是占用20个字节（Person结构体占用16个字节 + Student的成员变量_no占用4个字节）？因为Person对象的16个字节中，最后的4个字节是空着的，而Student继承自Person，所以会把Person对象分配的最后4个字节使用_no占用。

1.5. 属性和方法

创建一个Person类（继承NSObject）。

@interface Person : NSObject
{
    int _age;
}
@property (nonatomic, assign) int height;
@end

@implementation Person

@end

思考：增加一个属性后，Person对象占用多少内存？

其实属性最终也会生成一个带下划线的成员变量，因此Person对象占用16个字节。

把对应代码转为C++代码：

struct Person_IMPL {
		struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
		int _age;
 		int _height;
}

疑问：属性不是会自动生成setter和getter方法么？为什么还是占用16个字节？

因为创建对象时（alloc）不会把方法放到对象的内存中，方法在内存中只有一份就够了。比如，创建很多个Person对象，每一个对象都有自己的age或height等成员变量，但是对应的setter和getter方法对于每个对象都是一样的，因此不会把方法放到对象内存中（放在方法列表中，具体介绍在后续章节会体现）。

苹果开源代码：https://opensource.apple.com/tarballs/。

objc相关的代码在objc4文件夹下，进入文件夹就可以选择下载最新版本代码（数字越大，版本越新）。

alloc相关的代码在libmalloc文件夹下。

面试题：一个NSObject对象占用多少内存？
解答：系统分配了16个字节给NSObject对象（通过malloc_size函数获得），但NSObject对象内部只使用了8个字节的空间（64bit环境下，可以通过class_getInstanceSize函数获得）。