iOS 進階—— iOS內存管理
1 似乎每個人在學習 iOS 過程中都考慮過的問題
- alloc retain release delloc 做了什么?
- autoreleasepool 是怎樣實現的?
- __unsafe_unretained 是什么?
- Block 是怎樣實現的
- 什么時候會引起循環引用，什么時候不會引起循環引用?
所以我將在本篇博文中詳細的從 ARC 解釋到 iOS 的內存管理，以及 Block 相關的原理、源碼。
2 從 ARC 說起
說 iOS 的內存管理，就不得不從 ARC(Automatic Reference Counting / 自動引用計數) 說起， ARC 是 WWDC2011 和 iOS5 引入的變化。ARC 是 LLVM 3.0 編譯器的特性，用來自動管理內存。
與 Java 中 GC 不同，ARC 是編譯器特性，而不是基于運行時的，所以 ARC 其實是在編譯階段自動幫開發者插入了管理內存的代碼，而不是實時監控與回收內存。
ARC 的內存管理規則可以簡述為：
- 每個對象都有一個『被引用計數』
- 對象被持有，『被引用計數』+1
- 對象被放棄持有，『被引用計數』-1
- 『引用計數』=0，釋放對象
3 你需要知道
- 包含 NSObject 類的 Foundation 框架并沒有公開
- Core Foundation 框架源代碼，以及通過 NSObject 進行內存管理的部分源代碼是公開的。
- GNUstep 是 Foundation 框架的互換框架
GNUstep 也是 GNU 計劃之一。將 Cocoa Objective-C 軟件庫以自由軟件方式重新實現
某種意義上，GNUstep 和 Foundation 框架的實現是相似的
通過 GNUstep 的源碼來分析 Foundation 的內存管理
4 alloc retain release dealloc 的實現
4.1 GNU – alloc
查看 GNUStep 中的 alloc 函數。
GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m alloc:
- + (id) alloc
- {
- return [self allocWithZone: NSDefaultMallocZone()];
- }
- + (id) allocWithZone: (NSZone*)z
- {
- return NSAllocateObject (self, 0, z);
- }
GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m NSAllocateObject:
- struct obj_layout {
- NSUInteger retained;
- };
- NSAllocateObject(Class aClass, NSUInteger extraBytes, NSZone *zone)
- {
- int size = 計算容納對象所需內存大小;
- id new = NSZoneCalloc(zone, 1, size);
- memset (new, 0, size);
- new = (id)&((obj)new)[1];
- }
NSAllocateObject 函數通過調用 NSZoneCalloc 函數來分配存放對象所需的空間，之后將該內存空間置為 nil，***返回作為對象而使用的指針。
我們將上面的代碼做簡化整理：
GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m alloc 簡化版本:
- struct obj_layout {
- NSUInteger retained;
- };
- + (id) alloc
- {
- int size = sizeof(struct obj_layout) + 對象大小;
- struct obj_layout *p = (struct obj_layout *)calloc(1, size);
- return (id)(p+1)
- return [self allocWithZone: NSDefaultMallocZone()];
- }
alloc 類方法用 struct obj_layout 中的 retained 整數來保存引用計數，并將其寫入對象的內存頭部，該對象內存塊全部置為 0 后返回。
一個對象的表示便如下圖：
4.2 GNU – retain
GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m retainCount:
- - (NSUInteger) retainCount
- {
- return NSExtraRefCount(self) + 1;
- }
- inline NSUInteger
- NSExtraRefCount(id anObject)
- {
- return ((obj_layout)anObject)[-1].retained;
- }
GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m retain:
- - (id) retain
- {
- NSIncrementExtraRefCount(self);
- return self;
- }
- inline void
- NSIncrementExtraRefCount(id anObject)
- {
- if (((obj)anObject)[-1].retained == UINT_MAX - 1)
- [NSException raise: NSInternalInconsistencyException
- format: @"NSIncrementExtraRefCount() asked to increment too far”];
- ((obj_layout)anObject)[-1].retained++;
- }
以上代碼中， NSIncrementExtraRefCount 方法首先寫入了當 retained 變量超出***值時發生異常的代碼(因為 retained 是 NSUInteger 變量)，然后進行 retain ++ 代碼。
4.3 GNU – release
和 retain 相應的，release 方法做的就是 retain --。
GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m release
- - (oneway void) release
- {
- if (NSDecrementExtraRefCountWasZero(self))
- {
- [self dealloc];
- }
- }
- BOOL
- NSDecrementExtraRefCountWasZero(id anObject)
- {
- if (((obj)anObject)[-1].retained == 0)
- {
- return YES;
- }
- ((obj)anObject)[-1].retained--;
- return NO;
- }
4.4 GNU – dealloc
dealloc 將會對對象進行釋放。
GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m dealloc:
- - (void) dealloc
- {
- NSDeallocateObject (self);
- }
- inline void
- NSDeallocateObject(id anObject)
- {
- obj_layout o = &((obj_layout)anObject)[-1];
- free(o);
- }
4.***pple 實現
在 Xcode 中 設置 Debug -> Debug Workflow -> Always Show Disassenbly 打開。這樣在打斷點后，可以看到更詳細的方法調用。
通過在 NSObject 類的 alloc 等方法上設置斷點追蹤可以看到幾個方法內部分別調用了：
retainCount
- __CFdoExternRefOperation
- CFBasicHashGetCountOfKey
retain
- __CFdoExternRefOperation
- CFBasicHashAddValue
release
- __CFdoExternRefOperation
- CFBasicHashRemoveValue
可以看到他們都調用了一個共同的 __CFdoExternRefOperation 方法。
該方法從前綴可以看到是包含在 Core Foundation，在 CFRuntime.c 中可以找到，做簡化后列出源碼：
CFRuntime.c __CFDoExternRefOperation:
- int __CFDoExternRefOperation(uintptr_t op, id obj) {
- CFBasicHashRef table = 取得對象的散列表(obj);
- int count;
- switch (op) {
- case OPERATION_retainCount:
- count = CFBasicHashGetCountOfKey(table, obj);
- return count;
- break;
- case OPERATION_retain:
- count = CFBasicHashAddValue(table, obj);
- return obj;
- case OPERATION_release:
- count = CFBasicHashRemoveValue(table, obj);
- return 0 == count;
- }
- }
所以 __CFDoExternRefOperation 是針對不同的操作，進行具體的方法調用，如果 op 是 OPERATION_retain，就去掉用具體實現 retain 的方法。
從 BasicHash 這樣的方法名可以看出，其實引用計數表就是散列表。
key 為 hash(對象的地址) value 為 引用計數。
下圖是 Apple 和 GNU 的實現對比：
5 autorelease 和 autorelaesepool
在蘋果對于 NSAutoreleasePool 的文檔中表示：
每個線程(包括主線程)，都維護了一個管理 NSAutoreleasePool 的棧。當創先新的 Pool 時，他們會被添加到棧頂。當 Pool 被銷毀時，他們會被從棧中移除。
autorelease 的對象會被添加到當前線程的棧頂的 Pool 中。當 Pool 被銷毀，其中的對象也會被釋放。
當線程結束時，所有的 Pool 被銷毀釋放。
對 NSAutoreleasePool 類方法和 autorelease 方法打斷點，查看其運行過程，可以看到調用了以下函數：
- NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
- // 等同于 objc_autoreleasePoolPush
- id obj = [[NSObject alloc] init];
- [obj autorelease];
- // 等同于 objc_autorelease(obj)
- [NSAutoreleasePool showPools];
- // 查看 NSAutoreleasePool 狀況
- [pool drain];
- // 等同于 objc_autoreleasePoolPop(pool)
[NSAutoreleasePool showPools] 可以看到當前線程所有 pool 的情況：
- objc[21536]: ##############
- objc[21536]: AUTORELEASE POOLS for thread 0x10011e3c0
- objc[21536]: 2 releases pending.
- objc[21536]: [0x101802000] ................ PAGE (hot) (cold)
- objc[21536]: [0x101802038] ################ POOL 0x101802038
- objc[21536]: [0x101802040] 0x1003062e0 NSObject
- objc[21536]: ##############
- Program ended with exit code: 0
在 objc4 中可以查看到 AutoreleasePoolPage：
- objc4/NSObject.mm AutoreleasePoolPage
- class AutoreleasePoolPage
- {
- static inline void *push()
- {
- 生成或者持有 NSAutoreleasePool 類對象
- }
- static inline void pop(void *token)
- {
- 廢棄 NSAutoreleasePool 類對象
- releaseAll();
- }
- static inline id autorelease(id obj)
- {
- 相當于 NSAutoreleasePool 類的 addObject 類方法
- AutoreleasePoolPage *page = 取得正在使用的 AutoreleasePoolPage 實例;
- }
- id *add(id obj)
- {
- 將對象追加到內部數組
- }
- void releaseAll()
- {
- 調用內部數組中對象的 release 方法
- }
- };
- void *
- objc_autoreleasePoolPush(void)
- {
- if (UseGC) return nil;
- return AutoreleasePoolPage::push();
- }
- void
- objc_autoreleasePoolPop(void *ctxt)
- {
- if (UseGC) return;
- AutoreleasePoolPage::pop(ctxt);
- }
AutoreleasePoolPage 以雙向鏈表的形式組合而成(分別對應結構中的 parent 指針和 child 指針)。
thread 指針指向當前線程。
每個 AutoreleasePoolPage 對象會開辟4096字節內存(也就是虛擬內存一頁的大小)，除了上面的實例變量所占空間，剩下的空間全部用來儲存autorelease對象的地址。
next 指針指向下一個 add 進來的 autorelease 的對象即將存放的位置。
一個 Page 的空間被占滿時，會新建一個 AutoreleasePoolPage 對象，連接鏈表。
6 __unsafe_unretained
有時候我們除了 __weak 和 __strong 之外也會用到 __unsafe_unretained 這個修飾符，那么我們對 __unsafe_unretained 了解多少?
__unsafe_unretained 是不安全的所有權修飾符，盡管 ARC 的內存管理是編譯器的工作，但附有 __unsafe_unretained 修飾符的變量不屬于編譯器的內存管理對象。賦值時即不獲得強引用也不獲得弱引用。
來運行一段代碼：
- id __unsafe_unretained obj1 = nil;
- {
- id __strong obj0 = [[NSObject alloc] init];
- obj1 = obj0;
- NSLog(@"A: %@", obj1);
- }
- NSLog(@"B: %@", obj1);
運行結果：
- 2017-01-12 19:24:47.245220 __unsafe_unretained[55726:4408416] A:
- 2017-01-12 19:24:47.246670 __unsafe_unretained[55726:4408416] B:
- Program ended with exit code: 0
對代碼進行詳細分析：
- id __unsafe_unretained obj1 = nil;
- {
- // 自己生成并持有對象
- id __strong obj0 = [[NSObject alloc] init];
- // 因為 obj0 變量為強引用，
- // 所以自己持有對象
- obj1 = obj0;
- // 雖然 obj0 變量賦值給 obj1
- // 但是 obj1 變量既不持有對象的強引用，也不持有對象的弱引用
- NSLog(@"A: %@", obj1);
- // 輸出 obj1 變量所表示的對象
- }
- NSLog(@"B: %@", obj1);
- // 輸出 obj1 變量所表示的對象
- // obj1 變量表示的對象已經被廢棄
- // 所以此時獲得的是懸垂指針
- // 錯誤訪問
所以，***的 NSLog 只是碰巧正常運行，如果錯誤訪問，會造成 crash
在使用 __unsafe_unretained 修飾符時，賦值給附有 __strong 修飾符變量時，要確保對象確實存在
