iOS程序内存布局与管理

作者: 分流替躺欧阳克 | 来源:发表于2019-06-15 22:58 被阅读0次

OC的对象都是指针形式表示，对于对像内存管理从四个方面来说(ARC和MRC，区别大部分是在于编译器帮我们添加retain和release，可以归到一起总结)

使用了TaggedPointer技术的对象指针，由于把数据存在了指针里，在函数栈调用结束时，就会自动释放，不涉及retain，release操作，即使ARC环境下，系统也不用加release
普通对象，使用了strong，copy策略声明的属性，编译器会在函数栈结束或者类调用dealloc的时候，加上release，释放对象指针，及内存。
类方法(array,[NSString stringWithFormat:]等)创建的对象，框架内部会把他加入到自动释放池，这种方法创建的对象和MRC下autorelease对像都是加到自动释放池，而自动释放池设计到内存分页管理，见下文。
weak类型指针对象，被指向的对象，有一张哈希表，里面存着所有执向他的指针，在类dealloc时，会去释放这些指针。

iOS程序内存分为6个区：

保留区
代码区(__TEXT)：保存编译之后的代码
数据段(__DATA)：字符串常量：NSString *str = @"String";已初始化的全局变量，静态变量等；未初始化的全局变量，静态变量。
堆区(heap)：函数调用开销，比如局部变量。分配的内存空间地址越来越小。
栈区(stack)：通过alloc，malloc，calloc等动态分配的空间，分配的内存空间地址越来越大
内核区

数据对象调用copy和mutableCopy所发生的拷贝情况表格

图-01

总结：不可变对象调用copy是浅拷贝，调用mutableCopy是深拷贝；可变对象调用copy和mutableCopy都是深拷贝。

Tagged Pointer 技术

从64bit开始，iOS引入Tagged Pointer技术用于优化NSNumber，NSdate，NSString等小对象的存储。
在没有使用Tagged Point对象之前, NSNumber等对象需要动态分配内存，维护引用计数等，NSNumber指针存储的是堆中NSNumber对象的地址。
使用Tagged Pointer技术后，就变成了Tag + Data，也就是将数据直接存在了指针中, 但是如果指针存不下实再按原方法存到堆中。
当使用Tagged pointer计数后的对象时调用
objc_msgSend()时，会直接去指针取之而不是去找什么isa，找对象.
把使用了Tagged pointer技术的对象赋值给一个对象，相当于把地址赋值给新对象。
判断是否是tagged pointer指针
iOS 平台:address & (1<<63):指针的最高有效位是否是1
Mac OSX 平台：address & 1：指针最低的有效位是否是1

MRC相关：

内存管理

在iOS中，使用引用计数来管理OC对象的内存
一个新建的OC对象引用计数默认是1，当引用计数为0，OC对象就会自动销毁释放其占用的内存。
调用retain会让OC对象的引用计数+1，调用release会让OC对象的引用计数-1
可以通过以下私有函数来查看自动释放池的情况
-objc_autoreleasePoolPrint(void);

平常声明属性时我们写的assig,retain,copy的含义相当于在MRC下是,如果我们调用set方法的属性没有对应的assig,retain,copy，就会报方法找不到。

//assign
-(void)setProperty:(id)Property
{
   _property = property;
}
//retain
-(void)setProperty:(id)Property
{
if(_property!=property)
  [_property release];
  _property = [property retain];
}
//copy
-(void)setProperty:(id)Property
{
if(_property!=property)
  [_property release];
  _property =[property copy];
}

调用类方法创建对象:[NSString stringWithFormat:@"123"];相当于在MRC下如下代码，不用我们去给对象写release。

[[NSString stringWithFormat:@"123"]autorelease];

自定义类对象实现copy

需要实现copyWithZone:(NSZone*)zone方法，因为copy也是调用这个方法实现，然后在copyWithZone里把想复制值的对象属性赋值一遍。

- (id)copyWithZone:(NSZone*)zone
{
  SomeClass* instance = [[SomeClass allocWithZone:zone]init];
  instance.property1 = self.property1;
  instance.property2 = self.property2;
  instance.property3 = self.property3;
  return instance;
}

引用计数的存储

在64位优化过后，isa指针是isa_t共用体类型，里面的extra_rc这个19位就是存储引用计数，当这19位装不下时，isa_t 共用体里的has_sidetable_rc就变成1，引用计数就存到一个SideTable的类的属性中refcnts

union isa_t
{
class cls;
struct {
  uintptr_t nonpointer    :1;//0代表普通指针，存Class，Meta-Class对象的内存地址
  uintptr_t has_assoc.    :1;//代表优化过，使用位域存储更多的信息
  uintptr_t has_cxx_dtor :1;//是否有C++的析构函数，如果没有释放更快
  uintptr_t shiftcls           :33;//存着Class，Meta-Class对象的内存地址信息
  uintptr_t magic.            :6;//调试时分辩对象是否未完成初始化
  uintptr_t weakly_referenced :1;//是否有被弱引用执行过，没有则释放更快
  uintptr_t deallocating   :1; //对象是否正在释放
  uintptr_t has_sidetable_rc :1;//extra_rc存不下的时候变为1，引用计数存到一个SideTable类的属性中
  uintptr_t extra_rc          :19;        //存引用计数
}
}
//存引用计数的结构体
struct SideTable
{
  spinlock_t slock;
  RefcountMap refcnts;//存着引用计数，是个散列表
  weak_table_t weak_table;
}

weak指针

weak 和unsafe_unretained区别
weak在所指向的对象销毁时，系统会将指针置nil，而unsafe_unretained不会自动清空的。
实现原理：
当一个对象要释放时，会自动调用dealloc，这个对象有张哈希表SideTable，这里存着指向这个对象的弱引都清掉，调用轨迹。

dealloc
_objc_rootDealloc
rootDealloc

如果是tagged指针，直接return
如果这个对象的isa指针是个普通指针，并且没有弱引用，没有关联对象，没有C++析构函数没有弱引用列表就直接释放，
不然就调用object_dispose

object_dispose

调用objc_destructInstance
free(objc)

objc_destructInstance

查看C++析构器返回是否是1，调用object_cxxDestruct清除成员变量
查看是否有关联对象，调用_object_remove_assocations(obj);清楚关联对象
调用clearDeallocating();//将指向当前对象的弱指针置为nil;

free

autorelease

工程build Seting -> 搜索Automatic reference Counting设置NO 启用MRC模式。
在main.m的文件中加几句代码

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Person *person = [[[Person alloc]init]autorelease];
        NSLog(@"autorelease will end");
    }
    NSLog(@"autorelease end");

    return 0;
}

用clang编译器重写下main文件成main.cpp，看下原理。可以在重写后的main.cpp看到如下源码

int main(int argc, const char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */
    { 
__AtAutoreleasePool __autoreleasepool;
        Person *person = ((Person *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((Person *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((Person *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("Person"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init")), sel_registerName("autorelease"));
      }
    return 0;
}

除去Person对象声明，可以看到这么一段东西
{
__AtAutoreleasePool __autoreleasepool;
}
这个就是我们写的
@autoreleasepool {}
相当于声明了个__AtAutoreleasePool对象，找到这个类的代码

struct __AtAutoreleasePool {
  __AtAutoreleasePool() {                  atautoreleasepoolobj=objc_autoreleasePoolPush();
}
  ~__AtAutoreleasePool() {
   objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);
}
  void * atautoreleasepoolobj;
};

在创建__AtAutoreleasePool对象的时候会调用构造函数，{...}作用域结束后，回收栈空间__AtAutoreleasePool对象会调用析构所以我们写的@autoreslease{}就相当于

{
void *atautireleasepooloobj  = objc_autoreleasePoolPush();
//中间调用autorelease的对象会被加入autorelease释放池
[someNSObject autorelease];
objc_autoreleasePoolPop(atautireleasepooloobj);//释放所有对象
}

关键的就是上面这三句代码

objc_autoreleasePoolPush();
[someNSObject autorelease];
objc_autoreleasePoolPop(atautireleasepooloobj)

1. objc_autoreleasePoolPush();

转到objc源码里，在源码里正好能找到同名的函数,这个函数objc_autoreleasePoolPush()调用就相当于调用AutoreleasePoolPage的push方法，这个方法在源码里如下：

void *
objc_autoreleasePoolPush(void)
{
    return AutoreleasePoolPage::push();
}
//先忽略inline关键字，这是内联函数，表示下面的函数直接转成代码，在汇编里而不是跳到一个函数地址
static inline void *push() {
        id *dest;
//判断是否有AutoreleasePoolPage对象，如果没有创建个新的，有的话，把POOL_BOUNDARY压进栈
        if (DebugPoolAllocation) {
               dest = autoreleaseNewPage(POOL_BOUNDARY);
        } else {
              dest = autoreleaseFast(POOL_BOUNDARY);
        }
        assert(dest == EMPTY_POOL_PLACEHOLDER || *dest == POOL_BOUNDARY);
        return dest;
    }

上面的代码可以看出来会先去判断是否有autoreleaseNewPage，DebugPoolAllocation是个全局的，如果我们@autorelease循环嵌套的话并且当前的AutoreleasePage没满的话，第二个@autorelease只会把一个边界标记压入AutoreleasePoolPage栈里，如果当前的page满了才会创建下一页(注意：不是每个@autorelease都创建AutoreleasePoolPage对象，当前page只有一个，不同@autorelease靠bundary来区别)。

2. autorelease()

如下所示，

 static inline id autorelease(id obj)
 {
        assert(obj);
        assert(!obj->isTaggedPointer());
        id *dest __unused = autoreleaseFast(obj);
        assert(!dest  ||  dest == EMPTY_POOL_PLACEHOLDER  ||  *dest == obj);
        return obj;
    }

    static inline id *autoreleaseFast(id obj)
    {
        AutoreleasePoolPage *page = hotPage();
        if (page && !page->full()) {
            return page->add(obj);
        } else if (page) {
            return autoreleaseFullPage(obj, page);
        } else {
            return autoreleaseNoPage(obj);
        }
    }

一个对象调用autorelease方法时，存在三种情况

当前有AutoreleasePoolPage对象并且page对象没有放满，这样就把对象加入到page里
page对象存在，但是满了，autoreleaseFullPage(obj, page);会新建个page，新的page里会指向旧的page，
当前没有page对象，autoreleaseNoPage(obj)里会创建page，并把对象加入到page里。

objc_autoreleasePoolPop(atautireleasepooloobj

接收objc_autoreleasePoolPush();返回的对象。从最后一页page开始，一个个把page里的对象release，直到遇到一个POOL_BOUNDARY，代表这个autorelease对象释放完毕。

多个AutoreleasePoolPage采用双向链表的形式存储。

AutoreleasePoolPage结构图

autoreleasePool和runloop的关系，

iOS在主线程的Runloop注册了2个Observer，

第一个Observer
监听了kCFRunloopEntry：

调用objc_autoreleasePoolPush

第二个Observer
监听了kCFRunloopBeforeWaiting事件：

调用objc_autoreleasePoolpop ，objc_autoreleasePoolPush
监听了kCFRunloopBeforeExit事件
调用objc_autoreleasePoolPop()

可以看到是个结构体，里面有两个
autorelesase对象什么时候释放，是在所属Runloop循环中休眠之前调用pop释放
所以：
我们的对象如果调用了autorelease 加入了自动释放池，则是在Runloop休眠或者退出时，被释放，而不是在所处作用域(函数或者{})结束时立即被释放。

我们的普通局部对象，则是因为编译器编译时会自动加上release，所以出了作用域，要是没有别的地方强引用着，则释放掉。

可以通过_objc_autoreleasePoolPrint(void)查看自动释放池情况
必须得先声明，extern void _objc_autoreleasePoolPrint(void);但是不用实现。

iOS程序内存布局与管理

iOS程序内存分为6个区：

Tagged Pointer 技术

MRC相关：

自定义类对象实现copy

引用计数的存储

weak指针

autorelease

1. objc_autoreleasePoolPush();

2. autorelease()

objc_autoreleasePoolPop(atautireleasepooloobj

autoreleasePool和runloop的关系，

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