iOS内存管理

最近有时间把《Objective-C高级编程》这本书看了一下，总觉得不做点总结都对不起作者。这篇文章就先讲一下iOS中的内存管理。

1. 内存管理/引用计数

1.1 Objective-C 提供了两种内存管理方式

ARC是（Automatic Reference Counting）自动引用计数，交由编译器来进行内存管理。

MRR （manual retain-release）手动内存管理，这是基于reference counting实现的,由NSObject与runtime environment共同工作实现。

1.2 在讲iOS的内存管理之前，先来了解几个概念：

在Objective-C中有两种对象类型，一类是基本数据类型，如int、double、struct等基本数据类型，另一类是引用类型，如继承自NSObject类的对象。

值类型会被放到内存区的栈(stack)中，而栈的特性是：由编译器自动分配释放，存放函数的参数值，局部变量的值等。所以不需要我们手动释放其内存。

引用类型会被放到内存区的堆(heap)中，堆的特性是：一般由程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时可能由操作系统回收。所以需要我们手动去管理其内存。

1.3 Objective-C的内存管理，也就是引用计数(Reference Count)。

当我们新创建一个对象时，这个对象的引用计数为1，当有一个新的指针指向这个对象时，其引用计数器加1，当某个指针不在指向这个对象时，其引用计数器减1，当对象的引用计数为0时，这个时候我们就可以将对象销毁，回收内存。MRC模式下需要我们手动管理（retain、release）对象的引用计数。但是在iOS5之后推出了ARC，使得我们在ARC模式下不需要手动管理对象的引用计数，把内存管理交由编译器来管理。

内存管理的思考方式：

自己生成的对象，自己所持有。

非自己生成的对象，自己也能持有。

不在需要自己持有的对象时释放。

非自己持有的对象无法释放。



这些有关Objective-C内存管理的方法，实际上不包含在该语言中，而是包含在Cocoa框架中用于OSX、iOS应用开发。Cocoa框架中Foundation框架类库的NSObject类担负内存管理的职责。



1.4 iOS中是如何管理引用计数的呢？

先说结论：在iOS中是使用散列表（引用计数表）来管理引用计数，key为内存块地址的散列值。为了验证这一点，接下来要看一大波代码。

在讲

iOS

中是如何管理引用计数之前先看一下iOS中是如何初始化一个对象的。我们可以通过查看NSObject.mm找到相关的代码。

1.4.1 alloc

我们先来看一下

NSObject

类的

alloc

类方法，查看源码可以发现

alloc

类方法很简单只是调用了一个简单的函数，代码如下

+ (id)alloc {
return _objc_rootAlloc(self);
}

alloc

类方法只是简单的调用了

_objc_rootAlloc()

函数，这个函数需要一个类型为

Class

的参数。

Class

又是个什么鬼呢? 苹果官方给出的解释：

An opaque type that represents an Objective-C class.

（一个不透明的类型，代表着一个

Objective-C

的对象。）

typedef struct objc_class *Class,

就是一个指向

objc_class

结构体的指针。在这里就不对

Class

具体是什么做延伸了，想要了解更多可以查阅苹果的

Object.mm

文件。接下来看一下

_objc_rootAlloc()

函数是怎么实现的。

id
_objc_rootAlloc(Class cls)
{
return callAlloc(cls, false/*checkNil*/, true/*allocWithZone*/);
}

可以看到这个函数也是简单的调用了

callAlloc

函数，这个函数需要三个参数,接下来看一下这个函数的具体实现

static ALWAYS_INLINE id
callAlloc(Class cls, bool checkNil, bool allocWithZone=false)
{
//如果checkNil=true,并且cls为空 直接retutn nil;
if (slowpath(checkNil && !cls)) return nil;

//如果是Objc2.0
#if __OBJC2__
if (fastpath(!cls->ISA()->hasCustomAWZ())) {
// No alloc/allocWithZone implementation. Go straight to the allocator.
// fixme store hasCustomAWZ in the non-meta class and
// add it to canAllocFast's summary
if (fastpath(cls->canAllocFast())) {
// No ctors, raw isa, etc. Go straight to the metal.
bool dtor = cls->hasCxxDtor();
id obj = (id)calloc(1, cls->bits.fastInstanceSize());
if (slowpath(!obj)) return callBadAllocHandler(cls);
obj->initInstanceIsa(cls, dtor);
return obj;
}
else {
// Has ctor or raw isa or something. Use the slower path.
id obj = class_createInstance(cls, 0);
if (slowpath(!obj)) return callBadAllocHandler(cls);
return obj;
}
}
#endif

// No shortcuts available.
if (allocWithZone) return [cls allocWithZone:nil];
return [cls alloc];
}

对以上代码进行分析后发现关键代码就在

id obj = class_createInstance(cls, 0)

这一句。这个函数需要两个参数，第一个参数为

Class

类型，第二个参数是这个对象在初始化时额外的字节。通过查看

objc-runtime-new.mm

文件可以找到此函数的实现。

id
class_createInstance(Class cls, size_t extraBytes)
{
return _class_createInstanceFromZone(cls, extraBytes, nil);
}

该函数又调用了

_class_createInstanceFromZone

函数，接着往下找

static __attribute__((always_inline))
id
_class_createInstanceFromZone(Class cls, size_t extraBytes, void *zone,
bool cxxConstruct = true,
size_t *outAllocatedSize = nil)
{
if (!cls) return nil;

assert(cls->isRealized());

// Read class's info bits all at once for performance
bool hasCxxCtor = cls->hasCxxCtor();
bool hasCxxDtor = cls->hasCxxDtor();
bool fast = cls->canAllocNonpointer();

size_t size = cls->instanceSize(extraBytes);
if (outAllocatedSize) *outAllocatedSize = size;

id obj;
if (!zone  &&  fast) {
obj = (id)calloc(1, size);
if (!obj) return nil;
obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor);
}
else {
if (zone) {
obj = (id)malloc_zone_calloc ((malloc_zone_t *)zone, 1, size);
} else {
obj = (id)calloc(1, size);
}
if (!obj) return nil;

// Use raw pointer isa on the assumption that they might be
// doing something weird with the zone or RR.
obj->initIsa(cls);
}

if (cxxConstruct && hasCxxCtor) {
obj = _objc_constructOrFree(obj, cls);
}

return obj;
}

这段代码主要就是计算出这个

cls

所需要的字节大小（

size_t size = cls->instanceSize(extraBytes)

），然后调用

calloc

函数分配内存空间。

calloc()

函数有两个参数,分别为元素的数目和每个元素的大小,这两个参数的乘积就是要分配的内存空间的大小。

1.4.2 init

NSObject

的

init

方法只是调用了

_objc_rootInit

并返回了当前对象。

- (id)init {
return _objc_rootInit(self);
}

id
_objc_rootInit(id obj)
{
// In practice, it will be hard to rely on this function.
// Many classes do not properly chain -init calls.
return obj;
}

上面完成了一个对象的初始化操作，但是怎么没有发现

retainCount

在哪里有初始化？

下面看看

reatin

,

release

,

retainCount

就明白了

1.4.3 retainCount、reatin、release

retainCount

- (NSUInteger)retainCount {
return ((id)self)->rootRetainCount();
}

inline uintptr_t
objc_object::rootRetainCount()
{
if (isTaggedPointer()) return (uintptr_t)this;
return sidetable_retainCount();
}

uintptr_t
objc_object::sidetable_retainCount()
{
SideTable& table = SideTables()[this];

size_t refcnt_result = 1;

table.lock();
RefcountMap::iterator it = table.refcnts.find(this);
if (it != table.refcnts.end()) {
// this is valid for SIDE_TABLE_RC_PINNED too
refcnt_result += it->second >> SIDE_TABLE_RC_SHIFT;
}
table.unlock();
return refcnt_result;
}

通过查看源码发现苹果使用了

SideTable

散列表来管理一个对象的引用计数。散列表的

key

就是这个对象的指针。首先把

refcnt_result

初始化为1，然后在1的基础上加

it->second >> SIDE_TABLE_RC_SHIFT

的偏移值，得到一个对象最终的

retainCount

。

SideTable散列表

struct SideTable {
spinlock_t slock;
RefcountMap refcnts;
weak_table_t weak_table;

SideTable() {
memset(&weak_table, 0, sizeof(weak_table));
}

~SideTable() {
_objc_fatal("Do not delete SideTable.");
}

void lock() { slock.lock(); }
void unlock() { slock.unlock(); }

// Address-ordered lock discipline for a pair of side tables.

template<bool HaveOld, bool HaveNew>
static void lockTwo(SideTable *lock1, SideTable *lock2);
template<bool HaveOld, bool HaveNew>
static void unlockTwo(SideTable *lock1, SideTable *lock2);
};

retain

- (id)retain {
return ((id)self)->rootRetain();
}

inline id
objc_object::rootRetain()
{
if (isTaggedPointer()) return (id)this;
return sidetable_retain();
}

id
objc_object::sidetable_retain()
{
#if SUPPORT_NONPOINTER_ISA
assert(!isa.nonpointer);
#endif
SideTable& table = SideTables()[this];

table.lock();
size_t& refcntStorage = table.refcnts[this];
if (! (refcntStorage & SIDE_TABLE_RC_PINNED)) {
refcntStorage += SIDE_TABLE_RC_ONE;
}
table.unlock();

return (id)this;
}

调用

retain

就是先取得

SideTable

，然后

refcntStorage += SIDE_TABLE_RC_ONE

,最终在使用对象的指针作为key保存这个

refcntStorage

。

release

- (oneway void)release {
((id)self)->rootRelease();
}

inline bool
objc_object::rootRelease()
{
if (isTaggedPointer()) return false;
return sidetable_release(true);
}

uintptr_t
objc_object::sidetable_release(bool performDealloc)
{
#if SUPPORT_NONPOINTER_ISA
assert(!isa.nonpointer);
#endif
SideTable& table = SideTables()[this];

bool do_dealloc = false;

table.lock();
RefcountMap::iterator it = table.refcnts.find(this);
if (it == table.refcnts.end()) {
do_dealloc = true;
table.refcnts[this] = SIDE_TABLE_DEALLOCATING;
} else if (it->second < SIDE_TABLE_DEALLOCATING) {
// SIDE_TABLE_WEAKLY_REFERENCED may be set. Don't change it.
do_dealloc = true;
it->second |= SIDE_TABLE_DEALLOCATING;
} else if (! (it->second & SIDE_TABLE_RC_PINNED)) {
it->second -= SIDE_TABLE_RC_ONE;
}
table.unlock();
if (do_dealloc  &&  performDealloc) {
((void(*)(objc_object *, SEL))objc_msgSend)(this, SEL_dealloc);
}
return do_dealloc;
}

调用

retain

就是先取得

SideTable

，然后在判断是否需要调用

dealloc

，如果不需要就把引用计数减去

SIDE_TABLE_RC_ONE

。

1.4.4 dealloc

- (void)dealloc {
_objc_rootDealloc(self);
}

_objc_rootDealloc(id obj)
{
assert(obj);

obj->rootDealloc();
}

inline void
objc_object::rootDealloc()
{
if (isTaggedPointer()) return;
object_dispose((id)this);
}

id
object_dispose(id obj)
{
if (!obj) return nil;

objc_destructInstance(obj);
free(obj);

return nil;
}

void *objc_destructInstance(id obj)
{
if (obj) {
Class isa = obj->getIsa();

if (isa->hasCxxDtor()) {
object_cxxDestruct(obj);
}

if (isa->instancesHaveAssociatedObjects()) {
_object_remove_assocations(obj);
}

objc_clear_deallocating(obj);
}

return obj;
}

上面是一个对象销毁的过程,

dealloc

最终调用的是

objc_destructInstance

函数，这个函数只是销毁一个实例对象，但是并没有释放其所占的内存，需要另外调用

free()

函数来释放内存。

objc_destructInstance

函数的作用是调用

C++ 的destructors

，然后移除关联对象的引用

_object_remove_assocations(常用于category中添加带变量的属性，这也是为什么没必要remove一遍的原因

，然后调用

objc_clear_deallocating()

函数清空引用计数表并清除弱引用表，将所有weak引用指nil。我这里只是简单的提了一下具体的实现细节可以参考sunnyxx大神的博客。

2.ARC规则

上面简单介绍了一下Objective-C的内存管理，下面开始讲述ARC下的内存管理。

ARC下面还是使用引用计数的方式来管理内存，ARC（自动引用计数）只是自动地帮我们处理“引用计数”的部分。

在Xcode上编译可以设置ARC有效（-fobjc-arc）或者无效(-fno-objc-arc)，在一个应用程序中可以使用ARC和MRC混编。

2.1 ARC所有权修饰符

ARC下，对象类型必须附加所有权修饰符。所有权修饰符一共有4中：

__strong修饰符

__weak修饰符

__unsafe_unretained修饰符

__autoreleasing修饰符

__strong修饰符

__strong修饰符是对象类型的默认得所有权修饰符。表示对对象的“强引用”，当一个对象没有任何强引用时，其内存就会被释放。

__weak修饰符



使用__strong会引起有些问题，如“循环引用”，这个时候就得使用__weak修饰符了。__weak修饰符与__strong修饰符相反，提供弱引用，弱引用不能持有对象实例。__weak修饰符还有另外一个特点，在持有某对象的弱引用时，若该对象被废弃，则弱引用自动失效并且处于nil状态。

id __weak weakObj = nil;
{
id __strong obj1 = [[NSObject alloc] init];
weakObj = obj1;
NSLog(@"A:%@",weakObj);
}
NSLog(@"B:%@",weakObj);
//执行结果
A:<NSObject:0x453a122>
B:(null)

__unsafe_unretained修饰符

__unsafe_unretained修饰符不是安全的所有权修饰符，其绝大部分功能和__weak修饰符是一样的，都是提供一种对对象弱引用的状态。不同点是在持有某对象的弱引用时，若该对象被废弃，不会将对象置为nil，造成垂悬指针。

__autoreleasing修饰符

__autoreleasing自动释放修饰符

1.使用__autoreleasing修饰符的指针所指向的内存空间会在自动释放池结束的时候释放掉。

#import "TestObj.h"
@implementation TestObj
- (void)dealloc {
NSLog(@"TestObj的dealloc方法调用了");
}
@end

- (void)test__autoreleasing {
//定义自动释放对象指针
__autoreleasing TestObj *obj;
@autoreleasepool {
obj = [[TestObj alloc] init];
obj.name = @"test";
}//obj对象的dealloc
//野指针 程序crash
NSLog(@"obj_name = %@",obj.name);
}

2.__autoreleasing结合自动释放池会延迟对象的释放。

- (void)testDelay__autoreleasing {
@autoreleasepool {
//定义自动释放对象指针
__autoreleasing TestObj *obj;
{
obj = [[TestObj alloc] init];
obj.name = @"test";
obj = nil;
NSLog(@"把自动释放对象在自动释放池置空，其所指向的内存不会被释放。");
}
NSLog(@"出上面的大括号，只要不出自动释放池是不释放所指内存空间的");
}
}
代码执行结果：
2016-11-30 11:02:30.137 ARC[2515:2574305] 把自动释放对象在自动释放池置空，其所指向的内存不会被释放。
2016-11-30 11:02:30.137 ARC[2515:2574305] 出上面的大括号，只要不出自动释放池是不释放所指内存空间的
2016-11-30 11:02:30.137 ARC[2515:2574305] TestObj的dealloc方法调用了

以上只是简单的讲了一下几个修饰符的作用，想要了解更多详细内容可以在苹果官方文档查看。