iOS中malloc和calloc源码分析
创始人
2024-03-25 12:23:14
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  • iOS中malloc和calloc源码分析
    • calloc
      • 1. calloc
      • 2. _malloc_zone_calloc
      • 3. default_zone_calloc
      • 4. nano_calloc
      • 5. _nano_malloc_check_clear
        • segregated_size_to_fit
        • OSAtomicDequeue或者segregated_next_block
        • memset(ptr, 0, slot_bytes)
    • malloc
      • 1. malloc
      • 2. _malloc_zone_malloc
      • 3. default_zone_malloc
      • 4. nano_malloc
    • 总结

iOS中malloc和calloc源码分析

calloc

  • 我们知道在iOS创建对象的alloc方法中,最终通过调用calloc方法来开辟内存。如果这里具体流程不够清楚的话,可以参考Runtime源码分析-alloc
  • 那么calloc具体是如何实现的呢?由于在objc4中没有提供该方法,我们通过libmalloc-317.40.8代码去研究。

1. calloc

  • 首先进入calloc方法
void *
calloc(size_t num_items, size_t size)
{return _malloc_zone_calloc(default_zone, num_items, size, MZ_POSIX);
}
  • 内部调用了_malloc_zone_calloc()方法

2. _malloc_zone_calloc

MALLOC_NOINLINE
static void *
_malloc_zone_calloc(malloc_zone_t *zone, size_t num_items, size_t size,malloc_zone_options_t mzo)
{MALLOC_TRACE(TRACE_calloc | DBG_FUNC_START, (uintptr_t)zone, num_items, size, 0);void *ptr;if (malloc_check_start) {internal_check();}// ptr指针指向一块内存ptr = zone->calloc(zone, num_items, size);if (os_unlikely(malloc_logger)) {malloc_logger(MALLOC_LOG_TYPE_ALLOCATE | MALLOC_LOG_TYPE_HAS_ZONE | MALLOC_LOG_TYPE_CLEARED, (uintptr_t)zone,(uintptr_t)(num_items * size), 0, (uintptr_t)ptr, 0);}MALLOC_TRACE(TRACE_calloc | DBG_FUNC_END, (uintptr_t)zone, num_items, size, (uintptr_t)ptr);if (os_unlikely(ptr == NULL)) {malloc_set_errno_fast(mzo, ENOMEM);}return ptr;
}
  • 该方法中最终返回结果是一个指针,所以最重要的是13行。它创建了一块内存,并让ptr指向它。

  • 这个时候,我们点击zone->calloc跳转对应的实现,发现点不进去。这个时候才用汇编方式,看到该方法最终跳转至default_zone_calloc方法

3. default_zone_calloc

static void *
default_zone_calloc(malloc_zone_t *zone, size_t num_items, size_t size)
{zone = runtime_default_zone();return zone->calloc(zone, num_items, size);
}
  • 该方法内部调用 zone->calloc方法,仍然点不进去。再次使用汇编方法,发现该方法跳转至nano_calloc

4. nano_calloc

static void *
nano_calloc(nanozone_t *nanozone, size_t num_items, size_t size)
{size_t total_bytes;if (calloc_get_size(num_items, size, 0, &total_bytes)) {return NULL;}if (total_bytes <= NANO_MAX_SIZE) {void *p = _nano_malloc_check_clear(nanozone, total_bytes, 1);if (p) {return p;} else {/* FALLTHROUGH to helper zone */}}malloc_zone_t *zone = (malloc_zone_t *)(nanozone->helper_zone);return zone->calloc(zone, 1, total_bytes);
}
  • 此处我们还是先看返回值,发现有三处返回。第一处直接返回NULL,这肯定不是我们需要的答案,直接忽略。剩下两处,无法确定。这个时候通过断点调试,发现一般情况走的是_nano_malloc_check_clear方法

5. _nano_malloc_check_clear

static void *
_nano_malloc_check_clear(nanozone_t *nanozone, size_t size, boolean_t cleared_requested)
{MALLOC_TRACE(TRACE_nano_malloc, (uintptr_t)nanozone, size, cleared_requested, 0);void *ptr;size_t slot_key;// 1. 计算合适的内存大小size_t slot_bytes = segregated_size_to_fit(nanozone, size, &slot_key); // Note slot_key is set heremag_index_t mag_index = nano_mag_index(nanozone);nano_meta_admin_t pMeta = &(nanozone->meta_data[mag_index][slot_key]);// 2. 开辟一片内存,并让ptr指针指向这块内存ptr = OSAtomicDequeue(&(pMeta->slot_LIFO), offsetof(struct chained_block_s, next));if (ptr) {unsigned debug_flags = nanozone->debug_flags;
#if NANO_FREE_DEQUEUE_DILIGENCEsize_t gotSize;nano_blk_addr_t p; // the compiler holds this in a registerp.addr = (uint64_t)ptr; // Begin the dissection of ptrif (NANOZONE_SIGNATURE != p.fields.nano_signature) {malloc_zone_error(debug_flags, true,"Invalid signature for pointer %p dequeued from free list\n",ptr);}if (mag_index != p.fields.nano_mag_index) {malloc_zone_error(debug_flags, true,"Mismatched magazine for pointer %p dequeued from free list\n",ptr);}gotSize = _nano_vet_and_size_of_free(nanozone, ptr);if (0 == gotSize) {malloc_zone_error(debug_flags, true,"Invalid pointer %p dequeued from free list\n", ptr);}if (gotSize != slot_bytes) {malloc_zone_error(debug_flags, true,"Mismatched size for pointer %p dequeued from free list\n",ptr);}if (!_nano_block_has_canary_value(nanozone, ptr)) {malloc_zone_error(debug_flags, true,"Heap corruption detected, free list canary is damaged for %p\n""*** Incorrect guard value: %lu\n", ptr,((chained_block_t)ptr)->double_free_guard);}#if defined(DEBUG)void *next = (void *)(((chained_block_t)ptr)->next);if (next) {p.addr = (uint64_t)next; // Begin the dissection of nextif (NANOZONE_SIGNATURE != p.fields.nano_signature) {malloc_zone_error(debug_flags, true,"Invalid next signature for pointer %p dequeued from free ""list, next = %p\n", ptr, "next");}if (mag_index != p.fields.nano_mag_index) {malloc_zone_error(debug_flags, true,"Mismatched next magazine for pointer %p dequeued from ""free list, next = %p\n", ptr, next);}gotSize = _nano_vet_and_size_of_free(nanozone, next);if (0 == gotSize) {malloc_zone_error(debug_flags, true,"Invalid next for pointer %p dequeued from free list, ""next = %p\n", ptr, next);}if (gotSize != slot_bytes) {malloc_zone_error(debug_flags, true,"Mismatched next size for pointer %p dequeued from free ""list, next = %p\n", ptr, next);}}
#endif /* DEBUG */
#endif /* NANO_FREE_DEQUEUE_DILIGENCE */((chained_block_t)ptr)->double_free_guard = 0;((chained_block_t)ptr)->next = NULL; // clear out next pointer to protect free list} else {// 如果ptr指针为空,则去去找下一块合适内存ptr = segregated_next_block(nanozone, pMeta, slot_bytes, mag_index);}// 3. 是否给内存进行初始化if (cleared_requested && ptr) {memset(ptr, 0, slot_bytes); // TODO: Needs a memory barrier after memset to ensure zeroes land first?}return ptr;
}
  • 该方法中,它主要干了三件事:
    1. segregated_size_to_fit:计算需要开辟的内存大小
    2. OSAtomicDequeue或者segregated_next_block:开辟内存
    3. memset(ptr, 0, slot_bytes);:是否进行初始化

segregated_size_to_fit

static MALLOC_INLINE size_t
segregated_size_to_fit(nanozone_t *nanozone, size_t size, size_t *pKey)
{size_t k, slot_bytes;if (0 == size) {size = NANO_REGIME_QUANTA_SIZE; // Historical behavior}// 内存按照16字节对齐// k = (size + 16 - 1) >> 4 右移4位k = (size + NANO_REGIME_QUANTA_SIZE - 1) >> SHIFT_NANO_QUANTUM; // round up and shift for number of quanta// slot_bytes = k << 4 左移4位slot_bytes = k << SHIFT_NANO_QUANTUM;							// multiply by power of two quanta size*pKey = k - 1;													// Zero-based!return slot_bytes;
}
  • 这里主要是内存对齐算法,算法流程是:
    1. 当前size + 15,左移4位
    2. 再把上面的值,右移4位
  • 具体计算过程如下:假设size为8字节
    1. (size + NANO_REGIME_QUANTA_SIZE - 1) = 8 + 15 = 23,用二进制表示:0001 0111
    2. k >> SHIFT_NANO_QUANTUM,用二进制表示:0000 0001
    3. k << SHIFT_NANO_QUANTUM,用二进制表示:0001 0000
    4. 最终结果是16字节,实现了按照16字节对齐。

OSAtomicDequeue或者segregated_next_block

  • 首先会通过OSAtomicDequeue方法来开辟内存
    • 如果开辟成功,则返回内存首地址给ptr。然后对ptr进行一系列的验证
    • 如果开辟失败,则通过segregated_next_block方法进行再次尝试开辟
static MALLOC_INLINE void *
segregated_next_block(nanozone_t *nanozone, nano_meta_admin_t pMeta, size_t slot_bytes, unsigned int mag_index)
{while (1) {// 当前这块pMeta可用内存结束地址uintptr_t theLimit = pMeta->slot_limit_addr; // Capture the slot limit that bounds slot_bump_addr right nowuintptr_t b = OSAtomicAdd64Barrier(slot_bytes, (volatile int64_t *)&(pMeta->slot_bump_addr));// 减去添加的偏移量,获取当前可以获取的地址b -= slot_bytes; if (b < theLimit) {   // Did we stay within the bound of the present slot allocation?// 如果地址还在范围之内,则返回地址return (void *)b; } else {// pMeta这块内存已经用完了if (pMeta->slot_exhausted) {pMeta->slot_bump_addr = theLimit;return 0;				 // We're toast} else {// One thread will grow the heap, others will see its been grown and retry allocation_malloc_lock_lock(&nanozone->band_resupply_lock[mag_index]);// 由于多线程,这里再次进行检查是否用完if (pMeta->slot_exhausted) {_malloc_lock_unlock(&nanozone->band_resupply_lock[mag_index]);return 0; // Toast} else if (b < pMeta->slot_limit_addr) {// 如果小于最大限制地址,当重新申请一个新的band后,重新尝试while_malloc_lock_unlock(&nanozone->band_resupply_lock[mag_index]);continue; } else if (segregated_band_grow(nanozone, pMeta, slot_bytes, mag_index)) {// 申请新的band成功,重新尝试while_malloc_lock_unlock(&nanozone->band_resupply_lock[mag_index]);continue; } else {pMeta->slot_exhausted = TRUE;pMeta->slot_bump_addr = theLimit;_malloc_lock_unlock(&nanozone->band_resupply_lock[mag_index]);return 0;}}}}
}
  • 该方法里面主要是去堆上获取一块合适的内存。

memset(ptr, 0, slot_bytes)

  • 根据传入cleared_requested参数,来决定是否给内存初始化为0

malloc

  • 在底层中,除了常用的alloc方法之外,还有malloc也经常使用。我们看一下实现,发现具体有什么区别。

1. malloc

void *
malloc(size_t size)
{return _malloc_zone_malloc(default_zone, size, MZ_POSIX);
}
  • 内部调用了_malloc_zone_malloc()方法

2. _malloc_zone_malloc

MALLOC_NOINLINE
static void *
_malloc_zone_malloc(malloc_zone_t *zone, size_t size, malloc_zone_options_t mzo)
{MALLOC_TRACE(TRACE_malloc | DBG_FUNC_START, (uintptr_t)zone, size, 0, 0);void *ptr = NULL;if (malloc_check_start) {internal_check();}if (size > MALLOC_ABSOLUTE_MAX_SIZE) {goto out;}ptr = zone->malloc(zone, size);		// if lite zone is passed in then we still call the lite methodsif (os_unlikely(malloc_logger)) {malloc_logger(MALLOC_LOG_TYPE_ALLOCATE | MALLOC_LOG_TYPE_HAS_ZONE, (uintptr_t)zone, (uintptr_t)size, 0, (uintptr_t)ptr, 0);}MALLOC_TRACE(TRACE_malloc | DBG_FUNC_END, (uintptr_t)zone, size, (uintptr_t)ptr, 0);
out:if (os_unlikely(ptr == NULL)) {malloc_set_errno_fast(mzo, ENOMEM);}return ptr;
}
  • 该方法中最终返回结果是一个指针,所以最重要的是16行。它创建了一块内存,并让ptr指向它。
  • 这个时候点击它的实现,发现也跳转不进去。这个时候还是使用汇编手段,可以得知它调用default_zone_malloc方法

3. default_zone_malloc

static void *
default_zone_malloc(malloc_zone_t *zone, size_t size)
{zone = runtime_default_zone();return zone->malloc(zone, size);
}
  • 该方法调用zone->malloc方法,仍然点不进去,继续查看汇编。发现调用了nano_malloc方法

4. nano_malloc

static void *
nano_malloc(nanozone_t *nanozone, size_t size)
{if (size <= NANO_MAX_SIZE) {void *p = _nano_malloc_check_clear(nanozone, size, 0);if (p) {return p;} else {/* FALLTHROUGH to helper zone */}}malloc_zone_t *zone = (malloc_zone_t *)(nanozone->helper_zone);return zone->malloc(zone, size);
}
  • 这里有两处返回值,通过断点调试得知一般走_nano_malloc_check_clear方法
  • 看到这个方法有没有一丝丝熟悉?原来它开辟内存调用的方法和calloc调用的是同一个方法。此处仔细对比发现,虽然是调用同一个方法,但是参数穿的不同
// calloc中
void *p = _nano_malloc_check_clear(nanozone, total_bytes, 1);
// malloc中
void *p = _nano_malloc_check_clear(nanozone, size, 0);static void *
_nano_malloc_check_clear(nanozone_t *nanozone, size_t size, boolean_t cleared_requested)
  • 发现cleared_requested这个参数传的不同。calloc是1,malloc是0。那个这个参数有什么作用?
  • 我们进入这个方法,发现以下实现
if (cleared_requested && ptr) {memset(ptr, 0, slot_bytes);
}
  • 原来是对开辟的内存进行初始化。calloc会对它初始化,malloc不会对它初始化

总结

  • 我们最终可以得出以下结论
  1. malloccalloc其实底层都调用的同一套开辟内存方法
  2. 不同在于,calloc在开辟完内存会进行初始化,malloc不会进行初始化,则是原始脏数据。如果需要使用malloc这块内存,还需要我们手动初始化

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