iOS内存管理.docx
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iOS内存管理
iOS进阶iOS内存管理
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。
作者：
佚名来源：
iOS大全|2017-03-0710:
15
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1似乎每个人在学习iOS过程中都考虑过的问题
∙allocretainreleasedelloc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（AutomaticReferenceCounting/自动引用计数）说起，ARC是WWDC2011和iOS5引入的变化。
ARC是LLVM3.0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
∙CoreFoundation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CocoaObjective-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
4allocretainreleasedealloc的实现
4.1GNU–alloc
查看GNUStep中的alloc函数。
GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.malloc:
1.+ （id） alloc
2.
3.{
4.
5.return [self allocWithZone:
NSDefaultMallocZone（）];
6.
7.}
8.
9.
10.+ （id） allocWithZone:
（NSZone*）z
11.
12.{
13.
14.return NSAllocateObject （self, 0, z）;
15.
16.}
GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.mNSAllocateObject:
1.struct obj_layout {
2.
3.NSUInteger retained;
4.
5.};
6.
7.
8.
9.NSAllocateObject（Class aClass, NSUInteger extraBytes, NSZone *zone）
10.
11.{
12.
13.int size = 计算容纳对象所需内存大小;
14.
15.id new = NSZoneCalloc（zone, 1, size）;
16.
17.memset （new, 0, size）;
18.
19.new = （id）&（（obj）new）[1];
20.
21.}
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.malloc简化版本:
1.struct obj_layout {
2.
3.NSUInteger retained;
4.
5.};
6.
7.
8.
9.+ （id） alloc
10.
11.{
12.
13.int size = sizeof（struct obj_layout） + 对象大小;
14.
15.struct obj_layout *p = （struct obj_layout *）calloc（1, size）;
16.
17.return （id）（p+1）
18.
19.return [self allocWithZone:
NSDefaultMallocZone（）];
20.
21.}
alloc类方法用structobj_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：
4.2GNU–retain
GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.mretainCount:
1.- （NSUInteger） retainCount
2.
3.{
4.
5.return NSExtraRefCount（self） + 1;
6.
7.}
8.
9.
10.inline NSUInteger
11.
12.NSExtraRefCount（id anObject）
13.
14.{
15.
16.return （（obj_layout）anObject）[-1].retained;
17.
18.}
GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.mretain:
1.- （id） retain
2.
3.{
4.
5.NSIncrementExtraRefCount（self）;
6.
7.return self;
8.
9.}
10.
11.
12.
13.inline void
14.
15.NSIncrementExtraRefCount（id anObject）
16.
17.{
18.
19.if （（（obj）anObject）[-1].retained == UINT_MAX - 1）
20.
21.[NSException raise:
NSInternalInconsistencyException
22.
23.format:
@"NSIncrementExtraRefCount（） asked to increment too far”];
24.
25.（（obj_layout）anObject）[-1].retained++;
26.
27.}
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。
4.3GNU–release
和retain相应的，release方法做的就是retain--。
GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.mrelease
1.- （oneway void） release
2.
3.{
4.
5.if （NSDecrementExtraRefCountWasZero（self））
6.
7.{
8.
9.[self dealloc];
10.
11.}
12.
13.}
14.
15.
16.
17.BOOL
18.
19.NSDecrementExtraRefCountWasZero（id anObject）
20.
21.{
22.
23.if （（（obj）anObject）[-1].retained == 0）
24.
25.{
26.
27.return YES;
28.
29.}
30.
31.（（obj）anObject）[-1].retained--;
32.
33.return NO;
34.
35.}
4.4GNU–dealloc
dealloc将会对对象进行释放。
GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.mdealloc:
1.- （void） dealloc
2.
3.{
4.
5.NSDeallocateObject （self）;
6.
7.}
8.
9.
10.inline void
11.
12.NSDeallocateObject（id anObject）
13.
14.{
15.
16.obj_layout o = &（（obj_layout）anObject）[-1];
17.
18.free（o）;
19.
20.}
4.5Apple实现
在Xcode中设置Debug->DebugWorkflow->AlwaysShowDisassenbly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
1.__CFdoExternRefOperation
2.CFBasicHashGetCountOfKey
retain
1.__CFdoExternRefOperation
2.CFBasicHashAddValue
release
1.__CFdoExternRefOperation
2.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CoreFoundation，在CFRuntime.c中可以找到，做简化后列出源码：
CFRuntime.c__CFDoExternRefOperation:
1.int __CFDoExternRefOperation（uintptr_t op, id obj） {
2.
3.CFBasicHashRef table = 取得对象的散列表（obj）;
4.
5.int count;
6.
7.
8.
9.switch （op） {
10.
11.case OPERATION_retainCount:
12.
13.count = CFBasicHashGetCountOfKey（table, obj）;
14.
15.return count;
16.
17.break;
18.
19.case OPERATION_retain:
20.
21.count = CFBasicHashAddValue（table, obj）;
22.
23.return obj;
24.
25.case OPERATION_release:
26.
27.count = CFBasicHashRemoveValue（table, obj）;
28.
29.return 0 == count;
30.
31.}
32.
33.}
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：
5autorelease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：
1.NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
2.
3.// 等同于 objc_autoreleasePoolPush
4.
5.
6.
7.id obj = [[NSObject alloc] init];
8.
9.[obj autorelease];
10.
11.// 等同于 objc_autorelease（obj）
12.
13.
14.
15.[NSAutoreleasePool showPools];
16.
17.// 查看 NSAutoreleasePool 状况
18.
19.
20.
21.[pool drain];
22.
23.// 等同于 objc_autoreleasePoolPop（pool）
[NSAutoreleasePoolshowPools]可以看到当前线程所有pool的情况：
1.objc[21536]:
##############
2.
3.objc[21536]:
AUTORELEASE POOLS for thread 0x10011e3c0
4.
5.objc[21536]:
2 releases pending.
6.
7.objc[21536]:
[0x101802000] ................ PAGE （hot） （cold）
8.
9.objc[21536]:
[0x101802038] ################ POOL 0x101802038
10.
11.objc[21536]:
[0x101802040] 0x1003062e0 NSObject
12.
13.objc[21536]:
##############
14.
15.Program ended with exit code:
0
在objc4中可以查看到AutoreleasePoolPage：
1.objc4/NSObject.mm AutoreleasePoolPage
2.
3.
4.
5.class AutoreleasePoolPage
6.
7.{
8.
9.static inline void *push（）
10.
11.{
12.
13.生成或者持有 NSAutoreleasePool 类对象
14.
15.}
16.
17.static inline void pop（void *token）
18.
19.{
20.
21.废弃 NSAutoreleasePool 类对象
22.
23.releaseAll（）;
24.
25.}
26.
27.static inline id autorelease（id obj）
28.
29.{
30.
31.相当于 NSAutoreleasePool 类的 addObject 类方法
32.
33.AutoreleasePoolPage *page = 取得正在使用的 AutoreleasePoolPage 实例;
34.
35.}
36.
37.id *add（id obj）
38.
39.{
40.
41.将对象追加到内部数组
42.
43.}
44.
45.void releaseAll（）
46.
47.{
48.
49.调用内部数组中对象的 release 方法
50.
51.}
52.
53.};
54.
55.
56.
57.void *
58.
59.objc_autoreleasePoolPush（void）
60.
61.{
62.
63.if （UseGC） return nil;
64.
65.return AutoreleasePoolPage:
:
push（）;
66.
67.}
68.
69.
70.
71.void
72.
73.objc_autoreleasePoolPop（void *ctxt）
74.
75.{
76.
77.if （UseGC） return;
78.
79.AutoreleasePoolPage:
:
pop（ctxt）;
80.
81.}
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：
1.id __unsafe_unretained obj1 = nil;
2.
3.{
4.
5.id __strong obj0 = [[NSObject alloc] init];
6.
7.
8.obj1 = obj0;
9.
10.
11.NSLog（@"A:
%@", obj1）;
12.
13.}
14.
15.
16.NSLog（@"B:
%@", obj1）;
运行结果：
1.2017-01-12 19:
24:
47.245220 __unsafe_unretained[55726:
4408416] A:
2.
3.2017-01-12 19:
24:
47.246670 __unsafe_unretained[55726:
4408416] B:
4.
5.Program ended with exit code:
0
对代码进行详细分析：
1.id __unsafe_unretained obj1 = nil;
2.
3.{
4.
5.// 自己生成并持有对象
6.
7.id __strong obj0 = [[NSObject alloc] init];
8.
9.
10.
11.// 因为 obj0 变量为强引用，
12.
13.// 所以自己持有对象
14.
15.obj1 = obj0;
16.
17.
18.
19.// 虽然 obj0 变量赋值给 obj1
20.
21.// 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
22.
23.NSLog（@"A:
%@", obj1）;
24.
25.// 输出 obj1 变量所表示的对象
26.
27.}
28.
29.
30.
31.NSLog（@"B:
%@", obj1）;
32.
33.// 输出 obj1 变量所表示的对象
34.
35.// obj1 变量表示的对象已经被废弃
36.
37.// 所以此时获得的是悬垂指针
38.
39.// 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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