内存管理总结

内存管理总结

前言

这里主要是对iOS内存管理做下总结，主要从内存布局、内存管理方案、数据结构、ARC & MRC、引用计数管理、弱引用管理、自动释放池、循环引用这些方面来入手。

内存布局

关于iOS程序内存布局，如下图所示

  • stack：方法调用，程序运行时存放局部变量
  • heap：通过alloc等分配的对象
  • bss：未初始化的全局变量等
  • data：已初始化的全局变量等
  • text：程序代码

内存管理方案

可根据场景区分：

  • TaggedPointer：如NSNumber等小对象
  • NONPOINTER_ISA：在64位架构下的程序，非指针型的isa
  • 散列表：是一个复杂的数据结构，包含了引用计数表、弱引用表

NONPOINTER_ISA

arm64架构，64个bit位具体的含义：

  • indexed：标志位
    • 0：代表isa指针是一个的纯的isa指针，里面的内容就代表了当前对象的类对象的地址
    • 1：代表isa指针里面存储的，不仅是类对象的地址，还有一些内存管理方面的数据
  • has_assoc：表示当前对象是否有关联对象，0没有，1有
  • has_cxx_dtor：表示当前对象是否有使用到c++相关的内容
  • shiftcls：表示当前对象的类对象的指针地址
  • weakly_referenced：标识了当前对象是否存在弱引用指针
  • deallocating：表示当前对象是否正在进行deallocat操作
  • has_sidetable_rc：是指当前isa指针当中，如果所存储的引用计数已经达到了上限，需要外挂一个sidetable的数据结构去存储引用计数内容
  • extra_rc：表示额外的引用计数(存储相关的引用计数值)，当引用计数在一个很小的范围之内，就会存储到isa指针当中

散列表方式

SideTables()结构：SideTables本质是一个Hash表

Q：为什么不是一个SideTable？

如果只存在一个SideTable，则所有的对象都存在一起，
当我们在多线程的环境下，去操作某一个对象的引用计数，
就需要进行加锁处理，才能保证数据的访问安全；
这其中就存在效率问题。

解决方案：分离锁的技术方案

把内存对象的引用计数表分拆成多个部分，
这样可以对分拆后不同的表分别加锁，
这样可以并发操作不同表上的对象的引用计数

Q：怎样实现快速分流？(如何根据对象指针，快速定位到在哪张SideTable表中)

通过Hash查找(可提高查找效率)，得到对应的SideTable表
Key(对象指针) —(Hash函数)—>Value(SideTable)

数据结构

SideTable

  • Spinlock_t：自旋锁
  • RefcountMap：引用计数表
  • weak_table_t：弱引用表

自旋锁Spinlock_t

  • Spinlock_t是”忙等”的锁。

  • 适用于轻量访问

引用计数表RefcountMap

是用Hash表来实现的，是为了提高查找效率，插入、修改都是通过同一个Hash算法来实现的，从而避免了循环遍历

Hash查找 ptr—DisguisedPtr(objc_object)—>size_t

size_t：表示对象的引用计数值，unsign long类型

  • weakly_referenced：标识了当前对象是否存在弱引用指针

  • deallocating：表示当前对象是否正在进行deallocat操作

  • RC：存储了对象实际的引用计数值(计算数值时，需要向右偏移2位)

弱引用表weak_table_t

也是用Hash表来实现的 Hash查找 Key(对象指针)—Hash函数—>Value(weak_entry_t)

  • weak_entry_t：实际上是一个结构体数组

MRC & ARC

MRC：手动引用计数

涉及的方法

方法名 含义
alloc 分配一个对象的内存空间
retain 对象的引用计数+1
release 对象的引用计数-1
retainCount 获取当前对象的引用计数值
autorelease 若调用了对象的autorelease，则在autoreleasepool结束时，会调用对象的release方法
dealloc 显示调用，来释放或废弃父类的成员变量

ARC：自动引用计数

  • ARC是LLVM(编译器)和Runtime协作管理内存(如weak指针是如何在对象释放的时候自动设置为nil？涉及了runtime的协作)
  • ARC中禁止手动调用retain/release/retainCount/dealloc
  • ARC中新增weak、strong属性关键字

引用计数管理

  • 从alloc、retain、release、retainCount、dealloc的实现原理来讲解

alloc实现

是经过一系列调用，最终调用了C函数calloc。此时并没有设置引用计数为1。

retain实现

代码片段

SideTable& table = Sidetas()[this];
size_t& refcntStorage = table.refcnts[this];
refcntStorage += SIDE_TABLE_RC_ONE; // 加1操作-加的是偏移量；SIDE_TABLE_RC_ONE宏定义

release实现

代码片段

SideTable& table = Sidetas()[this];
RefcountMap::iterator it = table.refcnts.find(this);
it->second -= SIDE_TABLE_RC_ONE;

retainCount实现

代码片段

SideTable& table = Sidetas()[this];
size_t refcnt_result = 1; // 局部变量
RefcountMap::iterator it = table.refcnts.find(this);
refcnt_result += it->second >> SIDE_TABLE_RC_SHIFT;

dealloc实现原理(重点)

dealloc方法内部流程：

  • nonpointer_isa：非指针型的isa；里面部分字节存储了引用计数，如超出，则会在sidetable中存储引用计数
  • has_cxx_dtor: 当前对象是否存在c++语法的使用，是否使用了ARC管理

object_dispose()实现原理

objc_destructInstance()实现原理

clearDeallocating()实现原理

弱引用管理

  • 添加weak变量

  • 注意：获取到弱引用对象的数组，是通过弱引用对象进行hash算法计算，得出弱引用对象的位置
  • 清除weak变量，同时设置指向为nil
dealloc() - … - weak_clear_no_lock()
// 通过hash算法，获得弱引用对象的数组，在遍历设置为nil

自动释放池

我们从其实现原理来分析，编译器会将@autoreleasepool{}改写为：

void *ctx = objc_autoreleasePoolPush();
{}中的代码
objc_autoreleasePoolPop(ctx);
  • objc_autoreleasePoolPush
void* objc_autoreleasrPoolPush(void)
转化为c++方法调用
void* AutoreleasePoolPage::push(void)
  • objc_autoreleasePoolPop
void objc_autoreleasrPoolPop(void * ctx)
转化为c++方法调用
AutoreleasePoolPage::pop(void* ctx)
  • 一次pop实际上相当于一次批量的pop操作：会对池中所有的对象都会发送一次release消息

自动释放池的数据结构

  • 以栈为结点的双向链表的组合形式
  • 是和线程一一对应的

结点：AutoreleasePoolPage

id* next;
AutoreleasePoolPage* const parent;
AutoreleasePoolPage* child;
pthread_t const thread;

  • AutoreleasePoolPage::push

  • AutoreleasePoolPage::pop
    • 根据传入的哨兵对象找到对应位置
    • 给上次push操作之后添加的对象依次发送release消息
    • 回退next指针到正确位置

Q：AutoreleasePool的实现原理?

自动释放池的数据结构以`栈`为结点的`双向链表`的组合形式；
编译器会将@autoreleasepool{}改写为：
void *ctx = objc_autoreleasePoolPush();
{}中的代码
objc_autoreleasePoolPop(ctx);
在PoolPush中，会插入一个哨兵对象，PoolPop中根据哨兵对象，将之后产生的对象依次做release操作。

Q：什么时候会释放局部变量？

在当次runloop将要结束的时候调用AutoreleasePool::pop()

Q：AutoewleasePool为何可以嵌套使用?

多层嵌套就是多次插入哨兵对象
  • 场景应用：
在for循环中alloc图片等内存消耗较大的场景手动插入autoreleasePool

循环引用

存在三种循环引用：

  • 自循环引用
  • 相互循环引用
  • 多相互引用

  • 常考点：
    • 代理
    • Block
    • NSTimer
    • 大环引用

(Block和NSTimer是重点)

Q：如何破除循环引用？思路：

  • 避免产生循环引用
  • 在合适的时机手动断环

Q：具体的解决方案都有哪些？

  • __weak
  • __block
  • __unsafe_unretained (没有增加引用计数)

__block破解 注意点

  • 在MRC下，__block修饰对象不会增加其引用计数，避免了循环引用。
  • 在ARC下，__block修饰对象会被强引用，无法避免循环引用，需手动断环。

__unsafe_unretained破解

  • 修饰对象不会增加其引用计数，避免了循环引用。
  • 如果被修饰对象在某一时机被释放，会产生悬垂指针！，导致内存泄漏
悬垂指针：指针所指向的对象已经被释放或者回收了，
但是指向该对象的指针没有作任何的修改，仍旧指向已经回收的内存地址。 
此类指针称为垂悬指针。

循环引用示例

  • Block的使用示例，__block修饰对象，需手动断环。请浏览Block知识点总结

  • NSTimer使用示例

  • NSTimer的循环引用问题(相互循环引用)
    • 场景：页面Banner循环滚动显示
  • 错误思路：对象弱引用Timer；因为NSTimer被分派之后，会被当前线程的RunLoop给强引用，则RunLoop也会对对象进行强引用，对象也不会得到释放，即产生内存泄漏
    • 不产生循环事件，则在执行方法中调用Timer的invalidate，设置Timer=nil，来破除循环引用
    • 若存在循环事件，就无法得知结束，就不能通过invalidate和设置nil来解决循环引用
  • 解决方案：

(中间对象在回调事件中判断持有的对象还是否存在(利用一个对象被释放后，weak指针对象会置为nil的特点))

总结

  • 什么是ARC？
  • 为什么weak指针指向的对象在废弃之后会被自动置为ni？(hash查找，数组遍历置为nil)
  • 苹果是如何实现 AutoreleasePool的？(数据结构)
  • 什么是循环引用？你遇到过哪些循环引用，是怎样解决的？(NSTimer举例)

参考文章

最后

如果对大家有帮助，请github上follow和star，本文发布在戴超的技术博客，转载请注明出处

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