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移动端

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|2017-03-07 10:15

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1 似乎每个人在学习 iOS 过程中都考虑过的问题

  • 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:

  1. + (id) alloc 
  2.  
  3.  
  4. return [self allocWithZone: NSDefaultMallocZone()]; 
  5.  
  6.  
  7.   
  8.  
  9. + (id) allocWithZone: (NSZone*)z 
  10.  
  11.  
  12. return NSAllocateObject (self, 0, z); 
  13.  
  14.  

GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m NSAllocateObject:

  1. struct obj_layout { 
  2.  
  3. NSUInteger retained; 
  4.  
  5. }; 
  6.  
  7.   
  8.  
  9. NSAllocateObject(Class aClass, NSUInteger extraBytes, NSZone *zone) 
  10.  
  11.  
  12. int size = 计算容纳对象所需内存大小; 
  13.  
  14. id new = NSZoneCalloc(zone, 1, size); 
  15.  
  16. memset (new, 0, size); 
  17.  
  18. new = (id)&((obj)new)[1]; 
  19.  
  20.  

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:

  1. struct obj_layout { 
  2.  
  3. NSUInteger retained; 
  4.  
  5. }; 
  6.  
  7.   
  8.  
  9. + (id) alloc 
  10.  
  11.  
  12. int size = sizeof(struct obj_layout) + 对象大小; 
  13.  
  14. struct obj_layout *p = (struct obj_layout *)calloc(1, size); 
  15.  
  16. return (id)(p+1) 
  17.  
  18. return [self allocWithZone: NSDefaultMallocZone()]; 
  19.  
  20.  

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:

  1. - (NSUInteger) retainCount 
  2.  
  3.  
  4. return NSExtraRefCount(self) + 1; 
  5.  
  6.   
  7.  
  8. inline NSUInteger 
  9.  
  10. NSExtraRefCount(id anObject) 
  11.  
  12.  
  13. return ((obj_layout)anObject)[-1].retained; 
  14.  
  15.  

GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m retain:

  1. - (id) retain 
  2.  
  3.  
  4. NSIncrementExtraRefCount(self); 
  5.  
  6. return self; 
  7.  
  8.  
  9.   
  10.  
  11. inline void 
  12.  
  13. NSIncrementExtraRefCount(id anObject) 
  14.  
  15.  
  16. if (((obj)anObject)[-1].retained == UINT_MAX - 1) 
  17.  
  18. [NSException raise: NSInternalInconsistencyException 
  19.  
  20. format: @"NSIncrementExtraRefCount() asked to increment too far”]; 
  21.  
  22. ((obj_layout)anObject)[-1].retained++; 
  23.  
  24.  

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

  1. - (oneway void) release 
  2.  
  3.  
  4. if (NSDecrementExtraRefCountWasZero(self)) 
  5.  
  6.  
  7. [self dealloc]; 
  8.  
  9.  
  10.  
  11.   
  12.  
  13. BOOL 
  14.  
  15. NSDecrementExtraRefCountWasZero(id anObject) 
  16.  
  17.  
  18. if (((obj)anObject)[-1].retained == 0) 
  19.  
  20.  
  21. return YES; 
  22.  
  23.  
  24. ((obj)anObject)[-1].retained--; 
  25.  
  26. return NO
  27.  
  28.  

4.4 GNU – dealloc

dealloc 将会对对象进行释放。

GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m dealloc:

  1. - (void) dealloc 
  2.  
  3.  
  4. NSDeallocateObject (self); 
  5.  
  6.   
  7.  
  8. inline void 
  9.  
  10. NSDeallocateObject(id anObject) 
  11.  
  12.  
  13. obj_layout o = &((obj_layout)anObject)[-1]; 
  14.  
  15. free(o); 
  16.  
  17.  

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

  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 Core Foundation,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.  

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:

  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)  

[NSAutoreleasePool showPools] 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. static inline void *push() 
  9.  
  10.  
  11. 生成或者持有 NSAutoreleasePool 类对象 
  12.  
  13.  
  14. static inline void pop(void *token) 
  15.  
  16.  
  17. 废弃 NSAutoreleasePool 类对象 
  18.  
  19. releaseAll(); 
  20.  
  21.  
  22. static inline id autorelease(id obj) 
  23.  
  24.  
  25. 相当于 NSAutoreleasePool 类的 addObject 类方法 
  26.  
  27. AutoreleasePoolPage *page = 取得正在使用的 AutoreleasePoolPage 实例; 
  28.  
  29.  
  30. id *add(id obj) 
  31.  
  32.  
  33. 将对象追加到内部数组 
  34.  
  35.  
  36. void releaseAll() 
  37.  
  38.  
  39. 调用内部数组中对象的 release 方法 
  40.  
  41.  
  42. }; 
  43.  
  44.   
  45.  
  46. void * 
  47.  
  48. objc_autoreleasePoolPush(void) 
  49.  
  50.  
  51. if (UseGC) return nil; 
  52.  
  53. return AutoreleasePoolPage::push(); 
  54.  
  55.  
  56.   
  57.  
  58. void 
  59.  
  60. objc_autoreleasePoolPop(void *ctxt) 
  61.  
  62.  
  63. if (UseGC) return
  64.  
  65. AutoreleasePoolPage::pop(ctxt); 
  66.  
  67.  

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. id __strong obj0 = [[NSObject alloc] init];  
  5.   
  6.  
  7. obj1 = obj0;  
  8.   
  9.  
  10. NSLog(@"A: %@", obj1); 
  11.  
  12.  
  13.   
  14.  
  15. 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. // 自己生成并持有对象 
  5.  
  6. id __strong obj0 = [[NSObject alloc] init]; 
  7.  
  8.   
  9.  
  10. // 因为 obj0 变量为强引用, 
  11.  
  12. // 所以自己持有对象 
  13.  
  14. obj1 = obj0; 
  15.  
  16.   
  17.  
  18. // 虽然 obj0 变量赋值给 obj1 
  19.  
  20. // 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 
  21.  
  22. NSLog(@"A: %@", obj1); 
  23.  
  24. // 输出 obj1 变量所表示的对象 
  25.  
  26.  
  27.   
  28.  
  29. NSLog(@"B: %@", obj1); 
  30.  
  31. // 输出 obj1 变量所表示的对象 
  32.  
  33. // obj1 变量表示的对象已经被废弃 
  34.  
  35. // 所以此时获得的是悬垂指针 
  36.  
  37. // 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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