iOS 内存管理(再探究)

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概述: 结合内存分配和使用内存访问再谈内存管理(不适合内存管理小白)

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一.为什么要管理内存?

• 1.1 answer:

系统不帮我们管理,我们就自己管理啊!!!,听起来很对啊,可是系统为什么要提我们管理呢? 当然是为了以最优方式最大化利用有限的内存资源了!,那就有必要先来了解下内存分配算法了.

• 1.2内存分配算法

  (不想看的直接看后面总结)

• 首次适应算法

  使用该算法进行内存分配时，从空闲分区链首开始查找，直至找到一个能满足其大小需求的空闲分区为止。然后再按照作业的大小，从该分区中划出一块内存分配给请求者，余下的空闲分区仍留在空闲分区链中。
  　　该算法倾向于使用内存中低地址部分的空闲分区，在高地址部分的空闲分区非常少被利用，从而保留了高地址部分的大空闲区。显然为以后到达的大作业分配大的内存空间创造了条件。缺点在于低址部分不断被划分，留下许多难以利用、非常小的空闲区，而每次查找又都从低址部分开始，这无疑会增加查找的开销。

• 循环首次适应算法

  该算法是由首次适应算法演变而成的。在为进程分配内存空间时，不再每次从链首开始查找，而是从上次找到的空闲分区开始查找，直至找到一个能满足需求的空闲分区，并从中划出一块来分给作业。该算法能使空闲中的内存分区分布得更加均匀，但将会缺乏大的空闲分区。

• 最佳适应算法

  该算法总是把既能满足需求，又是最小的空闲分区分配给作业。为了加速查找，该算法需求将所有的空闲区按其大小排序后，以递增顺序形成一个空白链。这样每次找到的第一个满足需求的空闲区，必然是最优的。孤立地看，该算法似乎是最优的，但事实上并不一定。因为每次分配后剩余的空间一定是最小的，在存储器中将留下许多难以利用的小空闲区。同时每次分配后必须重新排序，这也带来了一定的开销。

• 最差适应算法

  最差适应算法中，该算法按大小递减的顺序形成空闲区链，分配时直接从空闲区链的第一个空闲分区中分配（不能满足需要则不分配）。非常显然，如果第一个空闲分区不能满足，那么再没有空闲分区能满足需要。这种分配方法初看起来不太合理，但他也有非常强的直观吸引力：在大空闲区中放入程式后，剩下的空闲区常常也非常大，于是还能装下一个较大的新程式。
  　　最坏适应算法和最佳适应算法的排序正好相反，他的队列指针总是指向最大的空闲区，在进行分配时，总是从最大的空闲区开始查寻。
  　　该算法克服了最佳适应算法留下的许多小的碎片的不足，但保留大的空闲区的可能性减小了，而且空闲区回收也和最佳适应算法相同复杂。

总结:综合以上四种常见的内存分配算法,我们不看看出,要解决最大的问题就是如何最大化最快捷的利用内存,也就是我们内存管理的终极目的;

二. 内存访问方式:

简单说,CPU 就是通过内存的物理地址来确定数据所在的准确位置,然后进行读写操作;

(下面一段内容可直接跳过,主要是对上述访问过程的详细分析)

• 2.1底层的访问流程如下:

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1. CPU 通过地址总线 确认要访问的内存单元号和具体的数据地址;
2. CPU 通过控制总线告诉内存要进行的操作,read , write or other;
3. CPU与内存通过数据总线进行数据传输;
   以上所有的数据传输,皆是以高(1)低(0)电平的形式进行,是不是已经很接近机器语言了?(很久没看硬件层的东西了,若有错误还望指正)

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• 2.2为什么要引入物理地址

  物理地址怎么来的呢?当然是逻辑地址映射而来的,为什么要引入逻辑地址?直接使用物理地址不是更好的节约CPU开销吗?下面来解释为什么:

  假设一台设备有2G内存,还要跑多个程序，还要接受消耗很大内存的程序,他是怎么做到的?搞计算机的人都是很聪明的(请允许我讲一个事实)，在操作系统层面做了物理地址和逻辑地址之间的映射转换，当然处理器硬件上也做了支持。一个程序在运行时，实际要用到的指令和数据都是很有限的，不可能从头到尾同时用。那么对于一个程序来说，假装自己有非常大的空间，实际上只要有条理的把暂时要用到的部分放进物理内存供CPU访问就好。那既然每个程序（进程）只用一小块，那整个物理内存就可以分给多个程序（进程）用了。当然，这样做的前提是，数据和指令的动态进出，用完了的暂时不用的踢出内存，需要用的及时加载进来。很多实现方式是在外存中开了个交换区供换入换出，但iOS可略有不同.

• 2.3 iOS 是如何应对内存不足的的

  首先，iOS和其它系统一样，内存分页，每页4K。多个页构成一个region统一管理，负责管理的对象是VM object，其中包含了pager、size、resident pages等诸多属性。
  但是 iOS的操作系统引入了沙盒机制,更是抛弃了不必要的复杂,在系统层面不支持App内存页换出。当内存吃紧时，对于可以重新载入的只读数据来说，直接清理掉，而对于可写的数据，只能通过App自己去管理维护。内存紧张时，iOS会向App发起memory warning，不配合释放足够内存者，杀！所以,iOS 始终保持着系统自我运行环境良好,并不十分关心具体应用哦;

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开发中注意点1:memory warning 处理不当, APP 存在被被系统强制杀死的可能性

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三. 内存分布:

想要管理内存,总得知道你要管理的数据在哪吧?看一个经典的C 内存分布:

内存分布.png

最简单来说分为两大部分：指令+数据。再细分一点，五部分：代码（机器码,看构造应该是ARM 指令集），初始化数据区，未初始化数据区，堆，栈。

• 代码:（指令即机器码,看构造应该是ARM 指令集）就不用说了，最静态的，就是只读的东西；
• 初始化数据，简单理解就是有初始值的变量、常量；
• 未初始化数据，只声明未给值的变量，运行前统统为0，之所以单独分出来，估计是性能考虑;
• 栈: 程序运行记录，每个线程，也就是每个执行序列各有一个（看crash log最容易理解），都是编译的时候能确定好的，还有一个特点就是这里面的数据可以不用指针，也不会丢；
• 堆: 最灵活的内存区，用途多多，动态分配和释放，编译时不能提前确定，我们的Objective-C对象都是这么来的，都存在这里，通常堆中的对象都是以指针来访问的，指针从线程栈中来，但不独属于某个线程，堆也是对复杂的运行时处理的基础支持;

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MRC 所说的“谁分配谁释放”说的都是堆上对象的管理；

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总结: 通过内存分布,不难发现我们所要管理的基本就是堆 和 栈了!

四. 堆和栈的分析:

堆栈具体特性,百度大把,不做阐述,下面简述分配与访问:

• 4.1 堆

• 分配 : 执行时动态分配和释放,编译器不能确定具体值,此特性也奠定了OC 动态语言的基础,内存管理的主要区段;(引用类型存储区,也就是OC对象)

• 访问:内存的分配原则(init 采用循环首次适应算法),导致了堆内有大量的碎片存在,有效数据区并非连续,通常通过栈区访问,由栈去的指针指向堆去的数据区,从而找到数据对应的位置;

• 4.2 栈

• 分配: 依次紧密排列,遵循先进后出(FILO)的原则,也就决定了其对小数据块读写相对较快;一般用作存储值类型数据(基本数据类型)

• 访问: 通过逻辑地址映射为物理地址,由CPU通过总线进行数据访问;

上述分析涉及一个基本类型和OC对象存储的问题,基本数据类型在栈区,OC对象在堆区,那么如若对数据进行装箱和拆箱操作,势必会带来额外的内存开销,所以,不要不关心数据类型!

随带引出野指针和内存泄露的概念:

• 野指针: 对应堆区数据已经释放,但是栈区指针的指针并未被清空;
• 内存泄露: 对应栈区的指针已被清空,但其所指向的堆区内存并未释放;
• 空指针: 没有对应的堆区,即没有指向的存储空间;

五. 内存相关的修饰符

• strong ：强引用，ARC中使用，与MRC中retain类似，使用之后，计数器+1。
• weak ：弱引用 ，ARC中使用，如果只想的对象被释放了，其指向nil，可以有效的避免野指针，其引用计数为1。
• readwrite : 可读可写特性，需要生成getter方法和setter方法时使用。
• readonly : 只读特性，只会生成getter方法 不会生成setter方法，不希望属性在类外改变。
• assign ：赋值特性，不涉及引用计数，弱引用，setter方法将传入参数赋值给实例变量，仅设置变量时使用。
• retain ：表示持有特性，setter方法将传入参数先保留，再赋值，传入参数的retaincount会+1。
• copy ：表示拷贝特性，setter方法将传入对象复制一份，需要完全一份新的变量时。
• nonatomic ：非原子操作，不加同步，多线程访问可提高性能，但是线程不安全的。决定编译器生成的setter getter是否是原子操作。
• atomic ：原子操作，同步的，表示多线程安全，与nonatomic相反。(所以,在并发读写的时候可以考虑直接使用atomic,而不是使用各种锁/信号量等)

六. 看完内存分配算法顺便分析一下 alloc 和 new 的区别:

alloc 和 new 最终都要调用底层的 malloc 函数族;
直接上源码:

• new

+new{
id newObject = (*_alloc)((Class)self, 0);
Class metaClass = self->isa;
if (class_getVersion(metaClass) > 1)
    return ;
else
    return newObject;
}

• alloc

 +alloc
{
return (*_zoneAlloc)((Class)self, 0, malloc_default_zone());
}

很明显,区别只在于alloc分配内存的时候使用了zone，这个zone是个什么东东呢？它是给对象分配内存的时候，把关联的对象分配到一个相邻的 内存区域内(循环首次适应算法 )，以便于调用时消耗很少的代价，提升了程序处理速度;

new 和 malloc 区别:

• new 是c++中的操作符，malloc是c 中的一个函数
• new 不止是分配内存，而且会调用类的构造函数，同理delete会调用类的析构函数，而malloc则只分配内存，不会进行初始化类成员的工作，同样free也不会调用析构函数
• 内存泄漏对于malloc或者new都可以检查出来的，区别在于new可以指明是那个文件的那一行， 而malloc没有这些信息。

new 和 malloc效率比较

• new可以认为是malloc加构造函数的执行。
• new出来的指针是直接带类型信息的。