iOS之内存管理（原理篇）

2017-02-23 本文已影响108人 M_慕宸

之前就总结过内存管理的内容，但并不系统、全面。所以，一直想找时间好好把这一块内容规整一下，因为说起内存管理，这是一个很庞大而又与开发密不可分的内容，虽然ARC下我们几乎不需要手动管理内存，但我们还是要了解一些内存管理的原理和内存优化的方案。

一.iOS内存管理基本原理

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。
不管是Objective-C的[NSObject alloc]，还是C代码的对内存分配，最终重任都会落到malloc库上，释放也是如此，最终都将使用malloc库中的free()。
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，kill！

二. ARC（引用计数）

1. 何为引用计数机制？

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。

以经典的开灯例子举例，在办公室内至少有一人保持开灯状态，无人时保持关灯状态

最早进入办公室的人   ===> 开灯      ==== > 生成对象 
之后进入办公室的人   ===> 需要照明   ==== > 持有对象 
下班离开办公室的人   ===> 不需要照明  ==== > 释放对象
最后下班离开办公室的人===> 关灯       ==== >  废弃对象
中间无论多少人，只要遵循进来就需要照明，走就不要照明。这样办公室的照明就可以得到很好的管理；同理使用引用计数功能，对象也能够得到很好的管理。

原则：

1）  当对象被创建（通过alloc、new或copy等方法）时，其引用计数初始值为1。
2 ）  持有对象，当对象被强引用时，引发retain方法，引用计数加1。
3）  对象被释放时，引发release操作，引用计数减1。
4）  当引用计数为0时，引发dealloc操作，对象被销毁废弃。

注意：不可对已经被销毁的对象发送消息

2. ARC的修饰符

ARC的修饰符提供成员变量访问方法、权限、环境、内存管理类型的声明。
属性的参数分为三类，基本数据类型默认为(atomic,readwrite,assign)，对象类型默认为(atomic,readwrite,strong)，其中第三个参数就是该属性的内存管理方式修饰，修饰词可以是以下之一：

strong：强引用（引用计数＋1），持有所指向对象的所有权，无修饰符情况下的默认值。如需强制释放，可置nil。
weak：弱引用，不持有所指向对象的所有权，引用指向的对象内存被回收之后，引用本身会置nil，避免野指针。
使用set方法赋值时，实质上不保留新值，也不释放旧值，只设置新值。
retain：release旧值，再retain新值（引用计数＋1）
使用set方法赋值时，实质上是会先保留新值，再释放旧值，再设置新值，避免新旧值一样时导致对象被释放的的问题。
copy：release旧值，再copy新值（拷贝内容）
一般用来修饰String、Dict、Array等需要保护其封装性的对象，尤其是在其内容可变的情况下，因此会拷贝（深拷贝）一份内容給属性使用，避免可能造成的对源内容进行改动。
使用set方法赋值时，实质上是会先拷贝新值，再释放旧值，再设置新值。
实际上，遵守NSCopying的对象都可以使用copy，当然，如果你确定是要共用同一份可变内容，你也可以使用strong或retain。
assign：直接赋值，一般用来修饰基本数据类型

3. block的内存管理

iOS中使用block必须自己管理内存，错误的内存管理将导致循环引用等内存泄漏问题，这里主要说明在ARC下block声明和使用的时候需要注意的两点：
1）如果你使用@property去声明一个block的时候，一般使用copy来进行修饰（当然也可以不写，编译器自动进行copy操作），尽量不要使用retain。

 @property (nonatomic, copy) void(^block)(NSData * data);

2） block会对内部使用的对象进行强引用，因此在使用的时候应该确定不会引起循环引用，当然保险的做法就是添加弱引用标记。

 __weak typeof(self) weakSelf = self;

4. autorelease和autorelaesepool

官方文档解释：

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。

autorelease 顾名思义及时自动释放的意思。它有点类似 C 语言中自动变量的特性。程序执行时，若自动变量超出其作用域，该自动变量将被自动废弃。

1. autorelease具体的使用方法：

生成并持有 NSAutoreleasePool 对象
调用已分配对象的 autorelease 实例方法
废弃 NSAutoreleasePool 对象

使用场景：需要延迟释放某些对象的情况时，可以把他们先放到对应的Autorelease Pool中，等Autorelease Pool生命周期结束时再一起释放。

利用@autoreleasepool优化循环的内存占用，可能是我们会用到的一点。如下面的循环，次数非常多，而且循环体里面的对象都是临时创建使用的，就可以用@autoreleasepool包起来，让每次循环结束时，可以及时的释放临时对象的内存。

for (int i = 0; i < 10000; i++) {
     @autoreleasepool {
         // 创建对象 TODO:
          NSObject *obj = [[NSObject alloc]init];
    };
}

2. Autorelease对象什么时候释放？
在没有手加Autorelease Pool的情况下，Autorelease对象是在当前的runloop迭代结束时释放的，而它能够释放的原因是系统在每个runloop迭代中都加入了自动释放池Push和Pop
ARC 中我们使用@autoreleasepool{}来使用一个AutoreleasePool的是时候，编译器就将其改写成下面的样子：

void *context = objc_autoreleasePoolPush();
// {}中的代码，所有接收到 autorelease 消息的对象会被添加到这个 autoreleasepool 中
objc_autoreleasePoolPop(context);

而这两个函数都是对AutoreleasePoolPage的简单封装，所以自动释放机制的核心就在于这个类。AutoreleasePoolPage是一个C++实现的类。

*  AutoreleasePool并没有单独的结构，而是由若干个``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）
*  AutoreleasePool是按线程一一对应的（结构中的thread指针指向当前线程）
*  ``AutoreleasePoolPage``每个对象会开辟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
*  上面的id *next指针作为游标指向栈顶最新add进来的autorelease对象的下一个位置
*  一个``AutoreleasePoolPage``的空间被占满时，会新建一个``AutoreleasePoolPage``对象，连接链表，后来的``autorelease``对象在新的page加入

所以，若当前线程中只有一个AutoreleasePoolPage对象，并记录了很多autorelease对象地址时内存如下图：
![Upload 51530583gw1elj5gvphtqj20dy0cx756.jpg failed. Please try again.]
图中的情况，这一页再加入一个autorelease对象就要满了（也就是next指针马上指向栈顶），这时就要执行上面说的操作，建立下一页page对象，与这一页链表连接完成后，新page的next指针被初始化在栈底（begin的位置），然后继续向栈顶添加新对象。
所以，向一个对象发送-autorelease消息，就是将这个对象加入到当前AutoreleasePoolPage的栈顶next指针指向的位置

释放
每当进行一次objc_autoreleasePoolPush调用时，runtime向当前的AutoreleasePoolPage中add进一个哨兵对象，值为0（也就是个nil），那么这一个page就变成了下面的样子：

objc_autoreleasePoolPush的返回值正是这个哨兵对象的地址，被objc_autoreleasePoolPop(哨兵对象)作为入参，于是：

根据传入的哨兵对象地址找到哨兵对象所处的page
在当前page中，将晚于哨兵对象插入的所有autorelease对象都发送一次- release消息，并向回移动next指针到正确位置
补充2：从最新加入的对象一直向前清理，可以向前跨越若干个page，直到哨兵所在的page

刚才的objc_autoreleasePoolPop执行后，最终变成了下面的样子：

51530583gw1elj6u2i3fyj20dz0bqdgi.jpg

这篇，主要讲了内存管理的原理和概念性的东西，下一篇会针对内存泄漏及内存优化解决方案做详细的介绍

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