iOS 进阶—— iOS内存管理
1 似乎每个人在学习 iOS 过程中都考虑过的问题
- alloc retain release delloc 做了什么?
- autoreleasepool 是怎样实现的?
- __unsafe_unretained 是什么?
- Block 是怎样实现的
- 什么时候会引起循环引用，什么时候不会引起循环引用?
所以我将在本篇博文中详细的从 ARC 解释到 iOS 的内存管理，以及 Block 相关的原理、源码。
2 从 ARC 说起
说 iOS 的内存管理，就不得不从 ARC(Automatic Reference Counting / 自动引用计数) 说起， ARC 是 WWDC2011 和 iOS5 引入的变化。ARC 是 LLVM 3.0 编译器的特性，用来自动管理内存。
与 Java 中 GC 不同，ARC 是编译器特性，而不是基于运行时的，所以 ARC 其实是在编译阶段自动帮开发者插入了管理内存的代码，而不是实时监控与回收内存。
ARC 的内存管理规则可以简述为：
- 每个对象都有一个『被引用计数』
- 对象被持有，『被引用计数』+1
- 对象被放弃持有，『被引用计数』-1
- 『引用计数』=0，释放对象
3 你需要知道
- 包含 NSObject 类的 Foundation 框架并没有公开
- Core Foundation 框架源代码，以及通过 NSObject 进行内存管理的部分源代码是公开的。
- GNUstep 是 Foundation 框架的互换框架
GNUstep 也是 GNU 计划之一。将 Cocoa Objective-C 软件库以自由软件方式重新实现
某种意义上，GNUstep 和 Foundation 框架的实现是相似的
通过 GNUstep 的源码来分析 Foundation 的内存管理
4 alloc retain release dealloc 的实现
4.1 GNU – alloc
查看 GNUStep 中的 alloc 函数。
GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m alloc:
+ (id) alloc
{
return [self allocWithZone: NSDefaultMallocZone()];
}
+ (id) allocWithZone: (NSZone*)z
{
return NSAllocateObject (self, 0, z);
}
GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m NSAllocateObject:
struct obj_layout {
NSUInteger retained;
};
NSAllocateObject(Class aClass, NSUInteger extraBytes, NSZone *zone)
{
int size = 计算容纳对象所需内存大小;
id new = NSZoneCalloc(zone, 1, size);
memset (new, 0, size);
new = (id)&((obj)new)[1];
}
NSAllocateObject 函数通过调用 NSZoneCalloc 函数来分配存放对象所需的空间，之后将该内存空间置为 nil，最后返回作为对象而使用的指针。
我们将上面的代码做简化整理：
GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m alloc 简化版本:
struct obj_layout {
NSUInteger retained;
};
+ (id) alloc
{
int size = sizeof(struct obj_layout) + 对象大小;
struct obj_layout *p = (struct obj_layout *)calloc(1, size);
return (id)(p+1)
return [self allocWithZone: NSDefaultMallocZone()];
}
alloc 类方法用 struct obj_layout 中的 retained 整数来保存引用计数，并将其写入对象的内存头部，该对象内存块全部置为 0 后返回。
一个对象的表示便如下图：
4.2 GNU – retain
GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m retainCount:
- (NSUInteger) retainCount
{
return NSExtraRefCount(self) + 1;
}
inline NSUInteger
NSExtraRefCount(id anObject)
{
return ((obj_layout)anObject)[-1].retained;
}
GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m retain:
- (id) retain
{
NSIncrementExtraRefCount(self);
return self;
}
inline void
NSIncrementExtraRefCount(id anObject)
{
if (((obj)anObject)[-1].retained == UINT_MAX - 1)
[NSException raise: NSInternalInconsistencyException
format: @"NSIncrementExtraRefCount() asked to increment too far”];
((obj_layout)anObject)[-1].retained++;
}
以上代码中， NSIncrementExtraRefCount 方法首先写入了当 retained 变量超出最大值时发生异常的代码(因为 retained 是 NSUInteger 变量)，然后进行 retain ++ 代码。
4.3 GNU – release
和 retain 相应的，release 方法做的就是 retain --。
GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m release
- (oneway void) release
{
if (NSDecrementExtraRefCountWasZero(self))
{
[self dealloc];
}
}
BOOL
NSDecrementExtraRefCountWasZero(id anObject)
{
if (((obj)anObject)[-1].retained == 0)
{
return YES;
}
((obj)anObject)[-1].retained--;
return NO;
}
4.4 GNU – dealloc
dealloc 将会对对象进行释放。
GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m dealloc:
- (void) dealloc
{
NSDeallocateObject (self);
}
inline void
NSDeallocateObject(id anObject)
{
obj_layout o = &((obj_layout)anObject)[-1];
free(o);
}
4.5 Apple 实现
在 Xcode 中 设置 Debug -> Debug Workflow -> Always Show Disassenbly 打开。这样在打断点后，可以看到更详细的方法调用。
通过在 NSObject 类的 alloc 等方法上设置断点追踪可以看到几个方法内部分别调用了：
retainCount
__CFdoExternRefOperation
CFBasicHashGetCountOfKey
retain
__CFdoExternRefOperation
CFBasicHashAddValue
release
__CFdoExternRefOperation
CFBasicHashRemoveValue
可以看到他们都调用了一个共同的 __CFdoExternRefOperation 方法。
该方法从前缀可以看到是包含在 Core Foundation，在 CFRuntime.c 中可以找到，做简化后列出源码：
CFRuntime.c __CFDoExternRefOperation:
int __CFDoExternRefOperation(uintptr_t op, id obj) {
CFBasicHashRef table = 取得对象的散列表(obj);
int count;
switch (op) {
case OPERATION_retainCount:
count = CFBasicHashGetCountOfKey(table, obj);
return count;
break;
case OPERATION_retain:
count = CFBasicHashAddValue(table, obj);
return obj;
case OPERATION_release:
count = CFBasicHashRemoveValue(table, obj);
return 0 == count;
}
}
所以 __CFDoExternRefOperation 是针对不同的操作，进行具体的方法调用，如果 op 是 OPERATION_retain，就去掉用具体实现 retain 的方法。
从 BasicHash 这样的方法名可以看出，其实引用计数表就是散列表。
key 为 hash(对象的地址) value 为 引用计数。
下图是 Apple 和 GNU 的实现对比：
5 autorelease 和 autorelaesepool
在苹果对于 NSAutoreleasePool 的文档中表示：
每个线程(包括主线程)，都维护了一个管理 NSAutoreleasePool 的栈。当创先新的 Pool 时，他们会被添加到栈顶。当 Pool 被销毁时，他们会被从栈中移除。
autorelease 的对象会被添加到当前线程的栈顶的 Pool 中。当 Pool 被销毁，其中的对象也会被释放。
当线程结束时，所有的 Pool 被销毁释放。
对 NSAutoreleasePool 类方法和 autorelease 方法打断点，查看其运行过程，可以看到调用了以下函数：
NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
// 等同于 objc_autoreleasePoolPush
id obj = [[NSObject alloc] init];
[obj autorelease];
// 等同于 objc_autorelease(obj)
[NSAutoreleasePool showPools];
// 查看 NSAutoreleasePool 状况
[pool drain];
// 等同于 objc_autoreleasePoolPop(pool)
[NSAutoreleasePool showPools] 可以看到当前线程所有 pool 的情况：
objc[21536]: ##############
objc[21536]: AUTORELEASE POOLS for thread 0x10011e3c0
objc[21536]: 2 releases pending.
objc[21536]: [0x101802000] ................ PAGE (hot) (cold)
objc[21536]: [0x101802038] ################ POOL 0x101802038
objc[21536]: [0x101802040] 0x1003062e0 NSObject
objc[21536]: ##############
Program ended with exit code: 0
在 objc4 中可以查看到 AutoreleasePoolPage：
objc4/NSObject.mm AutoreleasePoolPage
class AutoreleasePoolPage
{
static inline void *push()
{
生成或者持有 NSAutoreleasePool 类对象
}
static inline void pop(void *token)
{
废弃 NSAutoreleasePool 类对象
releaseAll();
}
static inline id autorelease(id obj)
{
相当于 NSAutoreleasePool 类的 addObject 类方法
AutoreleasePoolPage *page = 取得正在使用的 AutoreleasePoolPage 实例;
}
id *add(id obj)
{
将对象追加到内部数组
}
void releaseAll()
{
调用内部数组中对象的 release 方法
}
};
void *
objc_autoreleasePoolPush(void)
{
if (UseGC) return nil;
return AutoreleasePoolPage::push();
}
void
objc_autoreleasePoolPop(void *ctxt)
{
if (UseGC) return;
AutoreleasePoolPage::pop(ctxt);
}
AutoreleasePoolPage 以双向链表的形式组合而成(分别对应结构中的 parent 指针和 child 指针)。
thread 指针指向当前线程。
每个 AutoreleasePoolPage 对象会开辟4096字节内存(也就是虚拟内存一页的大小)，除了上面的实例变量所占空间，剩下的空间全部用来储存autorelease对象的地址。
next 指针指向下一个 add 进来的 autorelease 的对象即将存放的位置。
一个 Page 的空间被占满时，会新建一个 AutoreleasePoolPage 对象，连接链表。
6 __unsafe_unretained
有时候我们除了 __weak 和 __strong 之外也会用到 __unsafe_unretained 这个修饰符，那么我们对 __unsafe_unretained 了解多少?
__unsafe_unretained 是不安全的所有权修饰符，尽管 ARC 的内存管理是编译器的工作，但附有 __unsafe_unretained 修饰符的变量不属于编译器的内存管理对象。赋值时即不获得强引用也不获得弱引用。
来运行一段代码：
id __unsafe_unretained obj1 = nil;
{
id __strong obj0 = [[NSObject alloc] init];
obj1 = obj0;
NSLog(@"A: %@", obj1);
}
NSLog(@"B: %@", obj1);
对代码进行详细分析：
id __unsafe_unretained obj1 = nil;
{
// 自己生成并持有对象
id __strong obj0 = [[NSObject alloc] init];
// 因为 obj0 变量为强引用，
// 所以自己持有对象
obj1 = obj0;
// 虽然 obj0 变量赋值给 obj1
// 但是 obj1 变量既不持有对象的强引用，也不持有对象的弱引用
NSLog(@"A: %@", obj1);
// 输出 obj1 变量所表示的对象
}
NSLog(@"B: %@", obj1);
// 输出 obj1 变量所表示的对象
// obj1 变量表示的对象已经被废弃
// 所以此时获得的是悬垂指针
// 错误访问
所以，最后的 NSLog 只是碰巧正常运行，如果错误访问，会造成 crash
在使用 __unsafe_unretained 修饰符时，赋值给附有 __strong 修饰符变量时，要确保对象确实存在
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