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iOS中的内存管理注意点

Posted by sunzhongliang on July 1, 2019

物理内存&虚拟内存

  • 物理内存
    • 在进程运行时，为操作系统及进程提供临时存储空间，需要借助物理存储器进行存储
  • 虚拟内存
    • Virtual Memory，是计算机内存管理的技术之一，为每个进程提供一个连续并私有的地址空间，从而保护每个进程的地址空间不被其它进程损坏，降低了开发的复杂度，也确保了程序执行的安全性

内存分页

为了方便虚拟内存和物理内存的映射及管理，目前大部分计算机的内存都采用了分页管理，将虚拟内存和物理内存分别分割成大小相同的单位。iOS下每个进程空间先分段，每个段内再分页，所以物理地址由 段号 + 段内页号 + 页内地址 组成，目前 64 位系统每页为 16KB。

内存分页的最大意义在于支持了物理内存的离散使用，连续的虚拟内存页实际映射的物理内存页可以是任意存放的，方便了操作系统对物理内存的管理，也能最大化利用物理内存，减少内存空间的浪费。

虚拟寻址

CPU 访问虚拟地址，经过 MMU（Memory Management Unit）翻译成物理地址访问内存，虽然效率相对于物理 寻址有所下降，但如之前所说，CPU 的效率是远远高于其对内存的读写，所以影响不大

缺页处理

当进程访问一个虚拟内存Page而对应的物理内存却不存在时，会触发一次缺页中断（Page Fault），然后去分配物理内存，有需要的话会从磁盘mmap读入数据。

内存交换机制（Swap In/Out ）

通常磁盘中都会有一个区域作为内存交换空间（Swap Space），内存管理单元（MMU）会将内存中暂时不用的内容写到交换空间中，该过程即为 Swap Out；
当需要使用访问时，在从内存交换空间中读取，即 Swap In；这两种操作都是比较耗时的，频繁使用对性能影响较大，通常在物理内存不足以供程序使用时，操作系统会自动进行 Swap 操作。
iOS 不支持该机制，由于手机使用的都是闪存，频繁读写对其影响较大，并且闪存的空间也较小，目前最高配置为 512 GB，跟电脑相比还是有不小差距，因此 iOS 采用的是内存压缩机制（Compressed memoryy）

内存压缩机制

当物理内存不够用时，iOS 会按照 LRU（Least Recently Used）最近最少使用原则，将部分物理内存的内容压缩，在需要读写时再解压，从而达到节约内存的效果。
在其他操作系统下（非 iOS），还可以用压缩的内存进行内存和磁盘数据交换，提升交换效率。将交换后的压缩内容放在内存里，发生 page fault 时再解压缩出来，那么从时间上，将只有CPU的压缩和解压缩的开销，而没有耗时多的 I/O 传输的开销。当然代价就是，从空间上，需要占用一部分的内存资源。

iOS程序的内存布局

iOS程序当中，内存布局分为保留区、代码段、数据段、堆区、栈区以及内核区 如：

// 已初始化的全局变量
int a = 10;

// 未初始化的全局变量
int b;

int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // 已初始化的静态变量
        static int c = 20;
        
        // 未初始化的静态变量
        static int d;
        
        // 未初始化的局部变量
        int e;
        
        // 已初始化的局部变量
        int f = 20;

        // 字符串常量，分配在数据段，内存地址最低
        NSString *str = @"123";
        
        // 堆区，通过alloc、malloc、calloc分配的空间，分配的地址越来越大
        NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];
        
        NSLog(@"\n&a=%p\n&b=%p\n&c=%p\n&d=%p\n&e=%p\n&f=%p\nstr=%p\nobj=%p\n",
            &a, &b, &c, &d, &e, &f, str, obj);
        
        return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));
    }
}

输出结果：

使用CADisplayLink、NSTimer有什么注意点？

CADisplayLink、NSTimer会对target产生强引用，如果target又对它们产生强引用，那么就会引发循环引用
比如:

//在viewcontroller中持有timer，而timer的target又对viewcontroller产生强引用
self.timer = [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:1.0
                                              target:self 
                                            selector:@selector(timerTest) 
                                            userInfo:nil repeats:YES];

解决方案：

1.使用block

__weak typeof(self) weakSelf = self;
[NSTimer timerWithTimeInterval:3.0 repeats:YES block:^(NSTimer * _Nonnull timer) {
    [weakSelf dosomething];
}];

2.使用中间人消息转发机制

/*---------ProxyTarget.h 文件---------*/
// 继承自NSProxy而不是NSObject，可以使消息转发时效率更高，

// 因为没有在类对象、元类对象中查找实例方法、类方法等

@interface ProxyTarget : NSProxy
+ (instancetype)proxyWithTarget:(id)target;
// weak指向传递过来的target

@property (weak, nonatomic) id target;
@end


/*---------ProxyTarget.m 文件---------*/
#import "ProxyTarget.h"

@implementation ProxyTarget

+ (instancetype)proxyWithTarget:(id)target
{
    // NSProxy对象不需要调用init，因为它本来就没有init方法

    ProxyTarget *proxy = [ProxyTarget alloc];
    proxy.target = target;
    return proxy;
}

- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)sel
{
    return [self.target methodSignatureForSelector:sel];
}

// 将消息转发给目标target

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)invocation
{
    [invocation invokeWithTarget:self.target];
}
@end

viewcontroller调用方式

self.timer = [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:1.0 target:[MJProxy proxyWithTarget:self] selector:@selector(timerTest) userInfo:nil repeats:YES];
// 在viewcontroller内保留timerTest实现方法，消息中间人会将方法转发过来

- (void)timerTest
{
    NSLog(@"%s", __func__);
}

3.使用category方式添加Target-Action

@implementation NSTimer (BlcokTimer)

+ (NSTimer *)bl_scheduledTimerWithTimeInterval:(NSTimeInterval)interval block:(void (^)(void))block repeats:(BOOL)repeats {
    
    return [self scheduledTimerWithTimeInterval:interval target:self selector:@selector(bl_blockSelector:) userInfo:[block copy] repeats:repeats];
}

+ (void)bl_blockSelector:(NSTimer *)timer {
    
    void(^block)(void) = timer.userInfo;
    if (block) {
        block();
    }
}
@end

通过block的方式，获取action，实际的target设置为self，即NSTimer类。这样我们在使用timer时，由于target的改变，就不再有循环引用了

CADisplayLink、NSTimer和GCD定时器特点，哪个更加准时？

CADisplayLink、NSTimer依赖于RunLoop，如果RunLoop执行过程比较繁重，会导致不准时(可能会略大于执行时间)，而GCD是不依赖于RunLoop的，所以执行时间上更加准时

// 创建定时器
dispatch_source_t timer = dispatch_source_create(DISPATCH_SOURCE_TYPE_TIMER, 0, 0, queue);
// 设置时间（start是几秒后开始执行，interval是时间间隔）
dispatch_source_set_timer(timer,
                          dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, start * NSEC_PER_SEC),
                          interval * NSEC_PER_SEC, 0);
// 设置回调
dispatch_source_set_event_handler(timer, ^{
    
});
// 启动定时器
dispatch_resume(timer);

Tagged Pointer

  • 从64bit开始，iOS引入了Tagged Pointer技术，用于优化NSNumber、NSDate、NSString等小对象的存储
  • 在没有使用Tagged Pointer之前， NSNumber等对象需要动态分配内存、维护引用计数等，NSNumber指针存储的是堆中NSNumber对象的地址值
  • 使用Tagged Pointer之后，NSNumber指针里面存储的数据变成了：Tag + Data，也就是将数据直接存储在了指针中
  • 当指针不够存储数据时，才会使用动态分配内存的方式来存储数据
  • 当调用方法时，objc_msgSend能识别Tagged Pointer，比如调用NSNumber的intValue方法，直接从指针提取数据，节省了以前的调用开销
  • 如何判断一个指针是否为Tagged Pointer？iOS平台，最高有效位是1（第64bit）, Mac平台，最低有效位是1

测试代码：

// n1、n2和n3这三种写法最终是等价的，编译器最终会解释成numberWithInt
// 由于存储的是小对象，在内存地址值中的表现会是0xData+Tag形式，
NSNumber *n1 = [NSNumber numberWithInt:10];
NSNumber *n2 = @(10);
NSNumber *n3 = @10;

// 而这个存储的是一个大对象，最终n4的指针存储的是堆中的NSNumber对象的地址值
NSNumber *n4 = @(0xfffffffffffff);

举个例子：

// 对viewcontroller里的name(strong, nonatomic)属性进行set
dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);

//- (void)setName:(NSString *)name
//{
//    if (_name != name) {
//        [_name release];
//        _name = [name retain];
//    }
//}

// 这种会crash，由于对个线程同时对name进行set，
// 而set方法具体表现形式是如果旧值和新值不相等，先将旧值release掉，然后在对旧值赋值并retain

for (int i = 0; i < 1000; i++) {
    dispatch_async(queue, ^{
        self.name = [NSString stringWithFormat:@"abcdefghijk"];
    });
}

// 这种不会crash，由于字符串abc比较小，所以在内存地址中就直接将abc和Tag存储进去了，在运行时就直接从内存地址中获取到abc了
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
    dispatch_async(queue, ^{
        self.name = [NSString stringWithFormat:@"abc"];
    });
}

NSString *str1 = [NSString stringWithFormat:@"abcdefghijk"];
NSString *str2 = [NSString stringWithFormat:@"abc"];
// 打印结果：__NSCFString NSTaggedPointerString
NSLog(@"%@ %@", [str1 class], [str2 class]);

Runtime源码：

copy 和 mutableCopy

拷贝的目的：产生一个副本对象，跟源对象互不影响，修改了源对象不会影响副本对象; 修改了副本对象，不会影响源对象

iOS提供了2个拷贝方法
copy，不可变拷贝，产生不可变副本
NSMutableCopy，可变拷贝，产生可变副本

NSString的copy与mutableCopy

NSString *str1 = [NSString stringWithFormat:@"test"];
NSString *str2 = [str1 copy]; // 返回的是NSString，不可变副本，str2的地址跟str1的地址一样，本质是上将str1进行了retain操作
NSMutableString *str3 = [str1 mutableCopy]; // 返回的是NSMutableString，可变副本，str3的地址跟str1不一样
// 可以调用str3的appendString方法正常拼接字符串(因为mutableCopy返回的是可变副本)，
但如果强行用NSMutableString接收str2，同样进行appendString方法，
运行起来就会报错(因为copy返回的是不可变副本)

NSMutableString的copy与mutableCopy

NSMutableString *str1 = [[NSMutableString alloc] initWithFormat:@"test"];
NSString *str2 = [str1 copy]; // 深拷贝(产生了一个新的不可变的副本对象，str2和str1两个指针地址不一样)
NSMutableString *str3 = [str1 mutableCopy]; // 深拷贝，str3可变

深拷贝和浅拷贝
1.深拷贝：内容拷贝，产生新的对象
2.浅拷贝：指针拷贝，没有产生新的对象

本文首次发布于 孙忠良 Blog, 作者 [@sunzhongliang] , 转载请保留原文链接.

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