「类与对象」如何准确获取对象的内存大小？
概要
本文重点讲解一下class_getInstanceSize、
malloc_size和sizeOf本质和使用，以及相关源码分析。
回顾一下对象的本质
在上篇文章「类与对象」揭秘本质的第一步中，揭秘NSObject类的底层数据结构，如下所示：
struct NSObject_IMPL {
Class isa;
};在Xcode的Debug状态中，对比一下结构体类型和类之间的区别，具体代码如下：
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];
struct NSObject_IMPL *obj_imp = (__bridge struct NSObject_IMPL *)(obj);
// 断点位置
NSLog(@"class_getInstanceSize = %zd", class_getInstanceSize([NSObject class]));
}
return 0;
}控制台打印结果如下：
可以看出obj和obj_imp所打印地址相同。
一个NSObject对象到底占用多少内存呢？
这是多么经典的一个问题啊，要回答这个问题，还需要熟悉一下这几个函数：class_getInstanceSize、malloc_size、sizeof。确切一点说，sizeof是一种操作符。
废话不多说，先撸几串，"尝尝"：
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];
NSLog(@"class_getInstanceSize = %zd", class_getInstanceSize([NSObject class]));
NSLog(@"malloc_size = %zd", malloc_size((__bridge const void *)(obj)));
NSLog(@"sizeOf = %zd", sizeof(obj));
}
return 0;
}控制台打印如下：
2019-11-20 20:34:21 JLMacTerminalApp class_getInstanceSize = 8
2019-11-20 20:34:21 JLMacTerminalApp malloc_size = 16
2019-11-20 20:34:21 JLMacTerminalApp sizeOf = 8咦!? 获取结果居然不一样，那是为什么呢？那就继续探究一下源码实现吧！
class_getInstanceSize
首先，这是一个runtime提供的API，用于获取类实例对象所占用的内存大小，返回所占用的字节数。
在苹果开源网站https://opensource.apple.com/release/macos-10145.html，找到对应的objc4-756.zip压缩包。
在objc-class.mm类中找到该方法的具体实现：
size_t class_getInstanceSize(Class cls)
{
if (!cls) return 0;
return cls->alignedInstanceSize();
}好像看不出所以然来，继续查看alignedInstanceSize实现：
// Class's ivar size rounded up to a pointer-size boundary.
uint32_t alignedInstanceSize() {
return word_align(unalignedInstanceSize());
}Class's ivar size rounded up to a pointer-size boundary
通过注释发现了蛛丝马迹(ivar size)，翻译一下，返回实例对象中成员变量内存大小。
说白了，class_getInstanceSize方法就是获取实例对象中成员变量内存大小。
仔细想一下，实例对象在创建的时候，系统应该就会分配对应的内存空间，那咱继续探究一下，在对象初始化的过程中，是否有对应的内存分配呢？
alloc
继续从Objc的源码看一下alloc函数实现，在NSObject.mm类中找到alloc以及allocFromZone方法的实现：
+ (id)alloc {
return _objc_rootAlloc(self);
}
// Replaced by ObjectAlloc
+ (id)allocWithZone:(struct _NSZone *)zone {
return _objc_rootAllocWithZone(self, (malloc_zone_t *)zone);
}找到时机调用的核心方法是：_objc_rootAllocWithZone
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) {
obj = class_createInstance(cls, 0);
}
else {
obj = class_createInstanceFromZone(cls, 0, zone);
}
#endif
if (slowpath(!obj)) obj = callBadAllocHandler(cls);
return obj;
}继续寻找：class_createInstance
id class_createInstance(Class cls, size_t extraBytes)
{
return _class_createInstanceFromZone(cls, extraBytes, nil);
}继续查找：_class_createInstanceFromZone
id _class_createInstanceFromZone(Class cls, size_t extraBytes, void *zone,
bool cxxConstruct = true,
size_t *outAllocatedSize = nil)
{
if (!cls) return nil;
assert(cls->isRealized());
// Read class's info bits all at once for performance
bool hasCxxCtor = cls->hasCxxCtor();
bool hasCxxDtor = cls->hasCxxDtor();
bool fast = cls->canAllocNonpointer();
size_t size = cls->instanceSize(extraBytes);
if (outAllocatedSize) *outAllocatedSize = size;
id obj;
if (!zone && fast) {
obj = (id)calloc(1, size);
if (!obj) return nil;
obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor);
}
else {
if (zone) {
obj = (id)malloc_zone_calloc ((malloc_zone_t *)zone, 1, size);
} else {
obj = (id)calloc(1, size);
}
if (!obj) return nil;
// Use raw pointer isa on the assumption that they might be
// doing something weird with the zone or RR.
obj->initIsa(cls);
}
if (cxxConstruct && hasCxxCtor) {
obj = _objc_constructOrFree(obj, cls);
}
return obj;
}在调用calloc或者malloc_zone_calloc函数是需要传入size参数，可以发现size变量来源于下面的代码：
size_t size = cls->instanceSize(extraBytes);继续看一下instanceSize函数的实现：
size_t instanceSize(size_t extraBytes) {
size_t size = alignedInstanceSize() + extraBytes;
// CF requires all objects be at least 16 bytes.
if (size < 16) size = 16;
return size;
}CF requires all objects be at least 16 bytes.
终于看到了希望，当实例对象大小不足16个字节，系统分配给16个字节，属于系统的硬性规定。
仔细看，会发现alignedInstanceSize函数不就是class_getInstanceSize函数的内部实现。
看到这似乎明白了一些？
malloc_size
这个函数主要获取系统实际分配的内存大小，具体的底层实现也可以在源码libmalloc找到，具体如下：
size_t malloc_size(const void *ptr)
{
size_t size = 0;
if (!ptr) {
return size;
}
(void)find_registered_zone(ptr, &size);
return size;
}核心的方法是find_registered_zone，具体如下：
static inline malloc_zone_t *
find_registered_zone(const void *ptr, size_t *returned_size)
{
// Returns a zone which contains ptr, else NULL
if (0 == malloc_num_zones) {
if (returned_size) {
*returned_size = 0;
}
return NULL;
}
// first look in the lite zone
if (lite_zone) {
malloc_zone_t *zone = lite_zone;
size_t size = zone->size(zone, ptr);
if (size) { // Claimed by this zone?
if (returned_size) {
*returned_size = size;
}
// Return the virtual default zone instead of the lite zone - see <rdar://problem/24994311>
return default_zone;
}
}
malloc_zone_t *zone = malloc_zones[0];
size_t size = zone->size(zone, ptr);
if (size) { // Claimed by this zone?
if (returned_size) {
*returned_size = size;
}
if (!has_default_zone0()) {
return zone;
} else {
return default_zone;
}
}
int32_t volatile *pFRZCounter = pFRZCounterLive; // Capture pointer to the counter of the moment
OSAtomicIncrement32Barrier(pFRZCounter); // Advance this counter -- our thread is in FRZ
unsigned index;
int32_t limit = *(int32_t volatile *)&malloc_num_zones;
malloc_zone_t **zones = &malloc_zones[1];
for (index = 1; index < limit; ++index, ++zones) {
zone = *zones;
size = zone->size(zone, ptr);
if (size) { // Claimed by this zone?
goto out;
}
}
// Unclaimed by any zone.
zone = NULL;
size = 0;
out:
if (returned_size) {
*returned_size = size;
}
OSAtomicDecrement32Barrier(pFRZCounter); // our thread is leaving FRZ
return zone;
}由于该方法涉及到虚拟内存分配的流程，过于复杂，本文就再详细展开了。
理解一点即可，这个函数是获取系统实际分配的内存大小。
sizeOf
这个函数大家应该很熟悉，确切的讲，这不是一个函数，就是一个操作符，它的作用对象是数据类型，主要作用于编译时。
因此，它作用于变量时，也是对其类型进行操作。得到的结果是该数据类型占用空间大小，即size_t类型。
举个简单的例子：
struct test
{
int a;
char b;
};- 在64位架构下，sizeof(int)得到的是4个字节；
- sizeof(test)，得到的是8个字节，这里需要考虑内存对齐的问题。
- sizeof操作符的时间复杂度是O(1)
NSLog(@"%zd", sizeof([NSObject class])); // print 8sizeof 只会计算类型所占用的内存大小，不会关心具体的对象的内存布局；
例如：在64位架构下，自定义一个NSObject对象，无论该对象生命多少个成员变量，最后得到的内存大小都是8个字节。
应用
学习了上面获取内存大小的工具后，下面这道面试题就能很好的回答了。
一个NSObject对象占用多少内存？
- 在64位架构下， 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（可以通过class_getInstanceSize函数获得）
今天先到这。
关于更多内存分配的知识，将在下篇文章【聊一聊内存布局】中揭秘。
腾讯云开发者
