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【iOS】OC源码阅读——alloc源码分析

news 来源：原创 2025/5/26 12:22:53

文章目录

前言
基本调试方法
alloc
- alloc函数逐步调试
- - 空类检查
  - 快速路径：默认内存分配
  - 慢速路径：自定义内存分配
  - slowpath和fastpath
- alloc核心操作
- - cls->instanceSize：计算所需内存大小
  - - 内存字节对齐原则
    - 为什么要16字节对齐
    - 内存字节对齐总结
- 其他
总结

前言

之前笔者简单学习了Objective-c，这段时间在阅读OC源码，通过阅读obj838来深入理解代码的运行机制、设计思想及实现细节。本篇博客主要分享一下我通过阅读和调试alloc部分的源码所学到的东西和遇到的问题。（笔者这里调试的源码为906，点击下载）
首先，阅读源码时我们发现，虽然我们编程使用的是OC语言，但是底层源码大部分使用的是C语言或者C++。

基本调试方法

首先打开我们随机一个项目，在左侧找到断点图标。
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找到断点图标后，点击下方添加按钮选择“Symbolic Breakpoint”进行断点添加。

在“Symbol”里输入想要添加断点的地方，然后点击下面的“Add Action”。

在对alloc方法进行断点测试的时候，一个项目中可能涉及多个alloc，我们可以在具体需要测试的位置上进行添加断点，运行程序时在走到这部分断点的时候，再打开上面新增的alloc符号断点，因为alloc的调用有很多，如果开启了就不能准确的定位到我们设定的断点处。
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断点打开状态：
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断点关闭状态：

然后看情况选择点击Continue、Step Over或Step In进行逐步调试。

xcode调试按钮从左到右依次是：
断点符：可以用来整体关闭或打开断点。
继续运行（Continue）：恢复程序执行，直到遇到下一个断点或程序结束。
步过 (Step Over)：逐行执行代码，不进入函数/方法内部。
步进进入 (Step In)：进入当前行调用的函数/方法内部（逐行调试）。
步出 (Step Out)：执行完当前函数剩余代码，直接跳出到调用位置。

alloc

在OC语言中，alloc方法是创建对象实例的核心入口，其底层实现涉及内存分配、类结构管理和运行时机制。
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上述代码依次输出GGObject对象的内容、内存地址、指针地址。
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首先，我们通过运行这部分代码可以发现obj1、obj2、obj3指向的是同一个内存空间，因为其内容、内存地址是相同的，但是他们的指针地址是不同的。下面我们来探索alloc在这中间到底做了什么。

alloc函数逐步调试

我们添加断点，运行代码，打开alloc断点，然后根据不同情况进行逐步调试。
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第一步，点击Step In进入alloc的源码，我们可以看到：

第二步，继续Step In就可以进入_objc_rootAlloc的源码实现：

第三步，接着Step In进入callAlloc的源码：

这里是用于对象内存分配的核心函数，其作用是根据类的内存分配策略（默认或自定义）选择合适的分配方法。
首先，函数签名是：

static ALWAYS_INLINE id //ALWAYS_INLINE：强制内联展开，避免函数调用开销（性能敏感场景）
callAlloc(Class cls, bool checkNil, bool allocWithZone=false)
//参数一：目标类（Class 类型） 参数二：是否检查类是否为 nil 参数三：是否调用 allocWithZone: 方法（默认调用 alloc）

空类检查

if (slowpath(checkNil && !cls)) return nil;//slowpath：宏定义，表示“慢速路径”（通常用于条件分支预测失败的场景）

主要是为了防止向空类发送消息，避免程序崩溃。（如果 checkNil 为 true 且类指针 cls 为 nil，直接返回 nil）

快速路径：默认内存分配

if (fastpath(!cls->ISA()->hasCustomAWZ())) {return _objc_rootAllocWithZone(cls, nil);
}
//fastpath:宏定义，表示“快速路径”（条件分支预测成功的场景）
//cls->ISA()->hasCustomAWZ()：检查类或其元类是否实现了自定义的 alloc/allocWithZone: 方法
//（hasCustomAWZ：全称 hasCustomAllocationWithZone；若返回 false，表示使用默认内存分配逻辑）
//_objc_rootAllocWithZone：默认内存分配函数，直接调用 malloc 或内存池分配内存，不调用 alloc 方法

慢速路径：自定义内存分配

if (allocWithZone) {return ((id(*)(id, SEL, struct _NSZone *))objc_msgSend)(cls, @selector(allocWithZone:), nil);
} else {return ((id(*)(id, SEL))objc_msgSend)(cls, @selector(alloc));
}
//objc_msgSend：Objective-C 运行时核心函数，用于向对象发送消息（调用方法）
//类型转换：将objc_msgSend强制转换为特定签名的函数指针，确保参数和返回值正确
//参数：allocWithZone:：传递 nil 作为 _NSZone 参数

如果类实现了自定义的 alloc/allocWithZone: 方法，则通过消息发送机制调用。若 allocWithZone 为 true，调用 allocWithZone:；
否则，调用 alloc。

slowpath和fastpath

首先，这里的slowpath和fastpath是Objective-C运行时中用于分支预测优化的宏。这里的fastpath用于提示编译器某个条件大概率成立，而slowpath则相反，提示条件大概率不成立。
&emsp；这些宏通常使用__builtin_expect来实现，帮助编译器优化代码布局，提高执行效率。这里我们通过在代码中搜索#define fastpath可以找到这个宏定义的位置文件。
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在C/C++中，__builtin_expect是GCC的一个内置函数，用于给编译器提示条件分支的预期走向，这样编译器可以进行优化，比如调整指令顺序，让经常执行的分支更靠近处理器的前端，减少分支预测失败的开销。
这里，通过 __builtin_expect 提示编译器条件分支的预期走向，优化指令布局，减少分支预测失败的开销，分离高频路径（fastpath）和低频路径（slowpath），提升代码执行效率。
fastpath的参数x被期望为真（即1），而slowpath的参数x被期望为假（0），将 x 为真的分支代码紧凑排列，减少跳转;将 x 为假的分支代码放在较远位置，减少对主流程的影响。
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了解完上述代码中涉及的内容后，我们进行Step Over，此时来到fastpath。
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关于这里的!cls->ISA()->hasCustomAWZ()：
cls——目标类对象（Class 类型）。
cls->ISA()——获取类的元类（Meta Class）。
hasCustomAWZ()——检查类或其元类是否实现了自定义的 alloc 或 allocWithZone: 方法。
!——逻辑取反，表示“没有自定义分配方法”。

这里主要用于判断是否使用默认内存分配路径（快速路径）或自定义分配路径（慢速路径）。
条件为真时（!hasCustomAWZ()）：类或其元类未实现自定义的 alloc/allocWithZone:，使用默认分配逻辑（_objc_rootAllocWithZone），即进入这里：
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条件为假时：存在自定义分配方法，需通过消息发送（objc_msgSend）调用，即进入这里：

在这个过程中：
cls->ISA() 返回类的元类指针（例如：NSObject 的元类是 NSObject 自身（根元类））。

元类（Meta Class）：
在 Objective-C 中，每个类都有一个元类，用于存储类方法（如 alloc、allocWithZone:）。
实例方法的查找路径：实例 -> 类 -> 父类。
类方法的查找路径：类 -> 元类 -> 根元类。

我们Step Over到fastpath的返回语句里，Step In就可以看到_objc_rootAllocWithZone的实现源码：
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_objc_rootAllocWithZone 是 Objective-C 运行时中用于创建对象实例的底层函数，主要负责分配内存并初始化对象头信息（如 isa 指针）。它是 alloc 和 allocWithZone: 方法的最终实现，直接与内存分配器交互。
参数一（cls）——目标类。
参数二（flags（第二个参数 0））——控制分配行为的标志位。常见值：
OBJECT_CONSTRUCT_CALL_BADALLOC：在内存分配失败时抛出异常。
其他标志可能控制是否跳过初始化（如 FAST_ALLOC）。
参数三（OBJECT_CONSTRUCT_CALL_BADALLOC）——宏定义，表示分配失败时调用 objc_abort 或抛出异常。

随后，我们继续进入到_class_createInstance源码（这里是alloc实现的核心源码），为了方便做注释，笔者将这部分代码copy了过来：

static ALWAYS_INLINE id
_class_createInstance(Class cls, //目标类，必须已加载（isRealized()）size_t extraBytes,//额外内存（通常为0），用于子类扩展int construct_flags = OBJECT_CONSTRUCT_NONE,//构造标志bool cxxConstruct = true,//是否调用C++构造函数size_t *outAllocatedSize = nil)//返回实际分配的内存大小
{ASSERT(cls->isRealized());//（isRealized()）确保类已加载到运行时；未实现时，触发断言，防止未初始化类被使用// Read class's info bits all at once for performancebool hasCxxCtor = cxxConstruct && cls->hasCxxCtor();//类是否有C++构造函数bool hasCxxDtor = cls->hasCxxDtor();//类是否有C++析构函数bool fast = cls->canAllocNonpointer();//是否使用非指针isa（优化引用计数存储）size_t size;size = cls->instanceSize(extraBytes);//返回类实例的总内存大小（包括 isa、引用计数、成员变量）if (outAllocatedSize) *outAllocatedSize = size;id obj = objc::malloc_instance(size, cls);//底层内存分配函数，可能调用 malloc 或内存池。if (slowpath(!obj)) {if (construct_flags & OBJECT_CONSTRUCT_CALL_BADALLOC) {return _objc_callBadAllocHandler(cls);}return nil;}//初始化isa指针if (fast) {obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor);//使用非指针isa} else {// Use raw pointer isa on the assumption that they might be// doing something weird with the zone or RR.obj->initIsa(cls);//使用原始指针isa}if (fastpath(!hasCxxCtor)) {return obj;//无C++构造函数}//有C++构造函数construct_flags |= OBJECT_CONSTRUCT_FREE_ONFAILURE;return object_cxxConstructFromClass(obj, cls, construct_flags);
}

在obj838中，这部分源码如下：

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_class_createInstance 函数是对象实例化的核心，主要完成以下任务：
内存分配：调用 malloc 或类似函数分配内存。
对象头初始化：设置 isa 指针（指向类的元类）。
引用计数初始化：初始化 retainCount 等字段。
构造函数调用：若类实现了 +alloc 或 +allocWithZone: 的自定义逻辑，可能在这里调用。

由此，我们可以大致了解_class_createInstance函数的实现流程（与_class_createInstanceFromZone同理）：
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alloc核心操作

核心操作都位于calloc方法中

cls->instanceSize：计算所需内存大小

计算需要开辟内存的大小的执行流程如下所示：
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进入instanceSize的源码实现
进入fastInstanceSize（快速计算内存大小）的源码实现
跳转至align16（16字节对齐算法）的源码实现

内存字节对齐原则

对齐值

数据类型的对齐值是其大小和硬件架构共同决定的。
常见对齐值：
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起始地址必须是整数倍

数据的内存起始地址必须是对齐值的整数倍。
示例：
一个 int（4字节）的起始地址应为 0x1000, 0x1004, 0x1008 等。
一个 double（8字节）的起始地址应为 0x2000, 0x2008 等。

结构体/类的对齐

结构体或类的对齐值由其成员的最大对齐值决定。
示例：

struct Example {char c;    // 1字节（对齐值1）int i;     // 4字节（对齐值4）
};

字符 c 后需插入 3 字节填充，使 i 从 4 字节地址开始。
结构体总大小为 1 + 3 (填充) + 4 = 8 字节，对齐值为 4 字节。

为什么要16字节对齐

对齐访问允许 CPU 通过单次内存操作读取或写入数据：

通常内存是由一个个字节组成的，cpu在存取数据时，并不是以字节为单位存储，而是以块为单位存取，块的大小为内存存取力度。频繁存取字节未对齐的数据，会极大降低cpu的性能，所以可以通过减少存取次数来降低cpu的开销。

eg：例如：64 位 CPU 一次可读取 8 字节数据。若数据对齐到 8 字节边界，只需一次访问；若未对齐，可能需要两次访问。

16字节对齐有利于性能优化，提高内存访问效率：

16字节对齐，是由于在一个对象中，第一个属性isa占8字节，当然一个对象肯定还有其他属性，当无属性时，会预留8字节，即16字节对齐，如果不预留，相当于这个对象的isa和其他对象的isa紧挨着，容易造成访问混乱。

内存字节对齐总结

在字节对齐算法中，对齐的主要是对象，而对象的本质则是一个 struct objc_object的结构体。
结构体在内存中是连续存放的，所以可以利用这点对结构体进行强转。
苹果早期是8字节对齐，现在是16字节对齐。

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算法原理
目标：将原始内存大小 x 向上取整到最近的 16字节对齐的边界。
公式：对齐后的大小=(x+15) & ( 15)
步骤：

加15：将原始大小 x 加上 15，确保结果覆盖所有可能的余数。
取反15：~15 的二进制为 1111 1111 1111 0000（以32位为例），其作用是保留高位，清零低4位。
按位与操作：通过 (x + 15) & (~15)，将低4位清零，得到16的整数倍。

图例解析
以 x = 8 为例：

原始大小：8 字节。
加15：8 + 15 = 23（二进制 0000 0000 0001 0111）。
取反15：~15 = 1111 1111 1111 0000。
按位与：

为什么要加15
确保任何余数（1~15）都能通过进位达到下一个16的倍数。例如：
若 x = 1 → 1 + 15 = 16 → 直接对齐。
若 x = 17 → 17 + 15 = 32 → 对齐到32字节。

为什么用按位与
通过清零低4位（~15 的低4位为0），强制将结果对齐到16字节边界。

由上述我们可以得出alloc方法的源码大概实现流程：
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其他

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这段代码是C++模板类Zone的一个特化版本，专为布尔模板参数true设计，提供基于C标准库的简单内存管理。其中的alloc() 方法是通过 ::calloc 分配一块大小为 sizeof(T) 的内存，并初始化为零值。

calloc 的特点：分配内存并清零（适合需要初始化的场景）。其返回 void*，需强制转换为 T*。
reinterpret_cast 的作用：将 void* 转换为 T*，直接返回原始内存地址。

从这里我们可以知道alloc方法只适用于T类型（平凡类型），如int、struct{int x;}，而且比较适用于需要快速分配且零初始化的内存（如高频创建的临时对象）。

注意：

若T是非平凡类型（含构造函数/析构函数），跳过构造函数会导致未定义行为（UB）
若T对齐要求高于16字节，calloc可能无法满足（但Darwin系统默认对齐到16 字节）

未定义行为：是指程序的行为不可预测，可能表现为崩溃、数据损坏、安全漏洞等。编译器无需对 UB 情况做任何处理，甚至可能优化掉相关代码。

关于构造函数与析构函数，笔者之前发过：【C++】构造函数与析构函数浅知

总结

笔者初次进行源码阅读，学习重点总是捉摸不清，读起来比较费时间，也比较难读懂，本篇文章好多地方还没完善，若有错误，还请斧正，后续笔者将会继续对obj838源码进行阅读解析。