APP启动流程探索

创建空工程代码如下，并且添加符号断点命名如下图

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    NSLog(@"alloc 探索");
    Person *p1 = [Person alloc];
    Person *p2 = [p1 init];
    Person *p3 = [p1 init];
}

添加符号断点

运行工程查看堆栈信息

app启动以及对象加载过程

红色为app启动过程: _dyld_start(dyld开始加载) -> dyld::main -> dyld_initialzeMainExecutable、ImageLoader...等等，表示主程序由_dyld_start开始到main等为启动做准备，包括加载动态库，共享内存，全局C++函数的析构，还有一系列的初始化，注册回调函数都在此步骤内完成。
蓝色为对象加载过程: App启动一系列函数 -> libSystem_initializer -> libdispatch_init -> GCD环境的准备 -> _objc_init

OC对象初始化

分析alloc源码之前，先来查看三个变量内容、内存地址的区别：

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    NSLog(@"alloc 探索");
    Person *p1 = [Person alloc];
    Person *p2 = [p1 init];
    Person *p3 = [p1 init];
    NSLog(@"%@-%p",p1,p1);
    NSLog(@"%@-%p",p2,p2);
    NSLog(@"%@-%p",p3,p3);
}

<!-- 打印信息 -->
alloc 探索
2021-07-07 23:16:11.578015+0800 001-alloc&init探索[5266:540842] <Person: 0x600001994710>-0x600001994710
2021-07-07 23:16:11.578220+0800 001-alloc&init探索[5266:540842] <Person: 0x600001994710>-0x600001994710
2021-07-07 23:16:11.578378+0800 001-alloc&init探索[5266:540842] <Person: 0x600001994710>-0x600001994710

得出结论：

• 三个对象指向的是同一个内存空间，所以其内容和内存地址是相同的
• p1 alloc之后拥有了内存，并且拥有了指针的指向
• init未对指针进行任何操作

<!-- 查看指针地址 -->
Person *p1 = [Person alloc];
Person *p2 = [p1 init];
Person *p3 = [p1 init];
NSLog(@"%@-%p-%p",p1,p1,&p1);
NSLog(@"%@-%p-%p",p2,p2,&p2);
NSLog(@"%@-%p-%p",p3,p3,&p3);

<!-- 打印信息 -->
alloc 探索
2021-07-08 20:57:54.778216+0800 001-alloc&init探索[7619:869162] <Person: 0x600001720490>-0x600001720490-0x7ffeee444028
2021-07-08 20:57:54.778464+0800 001-alloc&init探索[7619:869162] <Person: 0x600001720490>-0x600001720490-0x7ffeee444020
2021-07-08 20:57:54.778699+0800 001-alloc&init探索[7619:869162] <Person: 0x600001720490>-0x600001720490-0x7ffeee444018

由上图指针地址0x7ffeee444028 0x7ffeee444020 0x7ffeee444018得出结论：

• *p1、*p2、*p3属于栈上内存地址
• *p1、*p2、*p3是连续的地址空间,每个相隔8字节（解释：0x18+0x8=0x20、0x20+0x8=0x28）

图形详解:内存、指针的关系

连续开辟，指向同一块空间

下面探索alloc做了什么？init做了什么？

探索源码的三种方法

这里使用的模拟器，也可以使用真机探索

方法一

• 代码中打上断点

image.png

• 将工程运行，停在断点处之后，按住control + Step into进入到汇编代码

image.png image.png

• 对看到的objc_alloc添加符号断点

image.png

• 按住control + Step into向下走

image.png

这里看到了libobjc.A.dylib objc_alloc，也看到了接下来会调用的方法_objc_rootAllocWithZone，objc_msgSend，我们就找到了objc_alloc底层源码来自于哪个动态库，为向下探索提供了线索！

方法二：通过汇编流程查看

• 选择菜单栏Debug->Debug wrokflow->Always Show Disassembly打开汇编模式，打上断点同上，运行工程

image.png

• 按住control + Step into找到objc_alloc

image.png

• 对看到的objc_alloc添加符号断点(同方式一)
• 按住control + Step into向下走(同方式一)

方法三：直接通过已知符号断点设定，直接进入

• 打断点同上，运行工程至断点处
• 现在我们只知道alloc符号，直接添加alloc符号断点

image.png

• 点击跳过上面断点

image.png image.png

直接锁定libobjc.A.dylib +[NSObject alloc]，为找到objc_alloc底层源码来自于哪个动态库提供了线索！

汇编结合底层源码调试分析

苹果开源源码汇总: https://opensource.apple.com
Source Browser -> 找到objc4
这里查看的源码是objc4-818.2.tar.gz

image.png

• 打开源码项目objc4-818.2，搜索alloc查看alloc源码执行的详细流程：

image.png

• 进入_objc_rootAlloc方法

image.png

• 进入callAlloc方法

image.png

• 这里有#if __OBJC2__判断，如何验证执行_objc_rootAllocWithZone还是执行objc_msgSend? 对上面的每一个方法添加符号断点进行验证，最终发现先执行_objc_rootAllocWithZone

image.png

• 进入_class_createInstanceFromZone方法

image.png

alloc + init 整体源码的探索流程

alloc + init 整体源码的探索流程

编译器优化

编译器优化设置 BuildSetting -> Optimization level(GCC_OPTIMIZATION_LEVEL)指定生成的代码针对速度和二进制大小进行优化的程度

设置	参数
None[-O0]	编译器不会优化代码。编译器的目标是蒋迪编译成本并使调试产生预期的结果，通常在Debug模式下使用。
Fast[-O,O1]	快速，优化编译器需要编译的时间更久，对大型函数需要更多的内存。编译器会尝试减少代码大小和执行时间，而不执行任何需要大量编译时间的优化。
Faster[-O2]	更快速，编译器执行几乎所有不涉及空间速度权衡的受支持优化。使用此设置，编译器不会执行循环展开或函数内联或寄存器命名，次设置会增加编译时间和生成代码的性能。
Fastest[-O3]	设置指定的所有优化，并打开函数内联和寄存器重命名选项，此设置可能会产更大的二进制文件
Fastest，Smallest[-Os]	最快、最小，此设置启用所有通常不会增加代码大小的更快的优化，它还会做减少代码大小的进一步优化

创建新工程编写代码如下，并打开汇编模式Debug->Debug wrokflow->Always Show Disassembly

#import <UIKit/UIKit.h>
#import "AppDelegate.h"

//MARK: - 测试函数
int lgSum(int a, int b){
    return a+b;
}

int main(int argc, char * argv[]) {
    int a = 10;
    int b = 20;
    int c = lgSum(a, b);
    NSLog(@"查看编译器优化情况:%d",c);
    return 0;
}

优化模式

• None[-O0]
  不优化的情况下所有信息在寄存器中显示完整，分别打印a、b、计算前后x0寄存器的值结果如下：

image.png

• Fastest，Smallest[-Os]

image.png

执行结果：优化掉了a、b两个变量，甚至连lgSum函数都被优化掉了，只剩下了一个结果0x1e存在w8寄存器中。

得出结论：

• 由于选择了Fastest，Smallest[-Os]优化方案，导致lgSum函数没有了，同理callAlloc函数也是一样的。

alloc的主线流程

alloc源码的核心操作主要分为三部分

• 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)
{
    ASSERT(cls->isRealized());

    // 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空间大小，开辟内存空间
    size = cls->instanceSize(extraBytes);
    if (outAllocatedSize) *outAllocatedSize = size;

    id obj;
    if (zone) {
        obj = (id)malloc_zone_calloc((malloc_zone_t *)zone, 1, size);
    } else {
        // 对obj对象进行新地址的赋值
        obj = (id)calloc(1, size);
    }
    if (slowpath(!obj)) {
        if (construct_flags & OBJECT_CONSTRUCT_CALL_BADALLOC) {
            return _objc_callBadAllocHandler(cls);
        }
        return nil;
    }

    if (!zone && fast) {
        // obj对象与cls对象进行绑定关联
        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

• instanceSize这个函数决定开辟内存，进入到这个函数，首先判断是否有缓存
• 如果有执行cache.fastInstanceSize函数，打断点执行到align16，这个方法是16字节对齐算法。执行完成之后内存开辟结束，获得该对象内存大小。
• 如果没有缓存，会执行alignedInstanceSize函数，执行word_align函数，此函数的参数是函数unalignedInstanceSize,而这个函数通过data()->ro()->instanceSize获取到对象的实例大小，也就是说，最终开辟内存空间的大小是根据对象的成员变量大小决定的。
  默认情况下，不创建任何成员变量，类开辟的内存空间是8字节，因为继承NSObject造成的，NSObject内有成员变量isa，由于isa的类型是结构体指针，所以isa是8字节,所以创建一个新的对象，没有任何成员变量，默认内存大小是8字节

字节对齐及其原理

字节对齐优势以空间换取时间

• 8字节来自于NSObject对象的isa结构体指针
• 不满16等于16
• 如果大于16会根据对象在内存分布中的特性来决定（根据传入的x，取x的整数倍），如果传入8，最后得到的是8的倍数

#ifdef __LP64__
#   define WORD_SHIFT 3UL
#   define WORD_MASK 7UL
#   define WORD_BITS 64
#else
#   define WORD_SHIFT 2UL
#   define WORD_MASK 3UL
#   define WORD_BITS 32
#endif

//字节对齐算法
//define WORD_MASK = 7
static inline uint32_t word_align(uint32_t x) {
    return (x + WORD_MASK) & ~WORD_MASK;
}

(8 + 7) & ~7 -> 15 & ~7 -> 8字节对齐，取8的整数，这里为什么是8的倍数？而不是16 32的倍数？因为只有8字节的指针，double类型，没有16字节或者32字节的数据类型

对象的内存对齐

<!-- Person.h -- >
#import <Foundation/Foundation.h>

NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN

@interface Person : NSObject

@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@property (nonatomic) int age;
@property (nonatomic) long height;
@property (nonatomic, copy) NSString *nickName;

- (void)saySomething;

@end

NS_ASSUME_NONNULL_END

<!-- Person.m -- >
#import "Person.h"

@implementation Person
- (void)saySomething{
    NSLog(@"%s",__func__);
}
@end

<!-- main.m类中使用Person类 -- >
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Person *p = [Person alloc];
        NSLog(@"%@",p);
    }
    return 0;
}

• 添加断点

添加断点

• lldb调试打印

<!-- 源码中查看ISA_MASK -->
#   if __has_feature(ptrauth_calls) || TARGET_OS_SIMULATOR
#     define ISA_MASK        0x007ffffffffffff8ULL
#     define ISA_MAGIC_MASK  0x0000000000000001ULL
#     define ISA_MAGIC_VALUE 0x0000000000000001ULL
#     define ISA_HAS_CXX_DTOR_BIT 0
#     define ISA_BITFIELD 

lldb调试

<!-- main.m类中使用Person类 -- >
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Person *p = [Person alloc];
        p.name      = @"hello";
        p.nickName  = @"h";
        p.age       = 18;
        p.height    = 180;
        NSLog(@"%@",p);
    }
    return 0;
}

<!-- NSLog打印这一行添加断点，进行lldb调试 -->
// x/4gx 表示 以16进制的格式打印4段
(lldb)  x/4gx p
0x1006781a0: 0x011d800100008489 0x0000000000000012
0x1006781b0: 0x0000000100004010 0x00000000000000b4
(lldb) po 0x0000000000000012
18
(lldb) po 0x0000000100004010
hello
(lldb) po 0x00000000000000b4
180

<!-- 修改Person类height属性为Bool -- >
@property (nonatomic) long height;  -> @property (nonatomic) BOOL height;
<!-- 修改p对象height为1，打断点运行 -- >
p.height    = 1;
(lldb) x/4gx p
0x101b477a0: 0x011d800100008489 0x0000001200000001
0x101b477b0: 0x0000000100004010 0x0000000100004030
(lldb) po 0x0000001200000001
77309411329
(lldb) po 0x00000012
18
(lldb) po 0x00000001
1

通过上面打印我们发现int age 与 BOOL height放在同一处开辟的8字节内存空间中，这就是内存对齐，编译器进行了优化。