iOS 内存布局&内存管理方案

内存布局-五大区

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1. 栈区 0x7
   创建临时变量时由编译器自动分配，在不需要的时候自动清除的变量的存储区。
   里面的变量通常是局部变量、函数参数等。在一个进程中，位于用户虚拟地址空间顶部的是用户栈，编译器用它来实现函数的调用。和堆一样，用户栈在程序执行期间可以动态地扩展和收缩。

2. 堆区 0x6
   那些由 new alloc 创建的对象所分配的内存块，它们的释放系统不会主动去管，由我们的开发者去告诉系统什么时候释放这块内存(一个对象引用计数为0是系统就会回销毁该内存区域对象)。一般一个 new 就要对应一个 release。在ARC下编译器会自动在合适位置为OC对象添加release操作。会在当前线程Runloop退出或休眠时销毁这些对象，MRC则需程序员手动释放。
   堆可以动态地扩展和收缩。

3. 静态区(未初始化数据).bss
   程序运行过程内存的数据一直存在，程序结束后由系统释放

4. 常量区(已初始化数据).data
   专门用于存放常量，程序结束后由系统释放

5. 代码区
   用于存放程序运行时的代码，代码会被编译成二进制存进内存的程序代码区

内存管理方案

TaggedPointer

通常我们创建对象，对象存储在堆中，对象的指针存储在栈中，如果我们要找到这个对象，就需要先在栈中，找到指针地址，然后根据指针地址找到在堆中的对象。
这个过程比较繁琐，当存储的对象只是一个很小的东西，比如一个字符串，一个数字。去走这么一个繁琐的过程，无非是耗费性能的，所以苹果就搞出了TaggedPointer这么一个东西。

1. TaggedPointer是苹果为了解决32位CPU到64位CPU的转变带来的内存占用和效率问题，针对NSNumber、NSDate以及部分NSString的内存优化方案。

2. Tagged Pointer指针的值不再是地址了，而是真正的值。所以，实际上它不再是一个对象了，它只是一个披着对象皮的普通变量而已。所以，它的内存并不存储在堆中，也不需要malloc和free。

3. Tagged Pointer指针中包含了当前对象的地址、类型、具体数值。因此Tagged Pointer指针在内存读取上有着3倍的效率，创建时比普通需要malloc跟free的类型快106倍。

这里有对TaggedPointer进行详细介绍

面试题

为什么第二个for会崩溃？

    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
    dispatch_async(queue, ^{
        for (int i = 0 ; i<1000000; i++) {
            self.str = @"abcd";
        }
    });
    dispatch_async(queue, ^{
        for (int i = 0 ; i<1000000; i++) {
            self.str = [NSString stringWithFormat:@"adfalkdjfldkasjflakjsdkflasf-- %d",I];
        }
    });

答：taggedpointer。
在setproperty函数中，执行了objc_release(id obj)。
由于大量的循环，导致了线程问题，使引用计数<=-1。
但是由于第一个循环中的obj是taggedpointer类型的string，会直接return obj，并不会release。
但是这里release，retain的时候咋办呢，引用计数是一直往上增吗？并不是，在objc_retain(id obj)中，同样判断了obj->isTaggedPointer，如果是true，就直接return obj。

NONPOINTER_ISA

要说isa，得先从对象开始。

NSObject继承关系：

NSObject -> Class -> objc_class -> objc_object -> isa_t

union isa_t {
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }

    Class cls;
    uintptr_t bits;
#if defined(ISA_BITFIELD)
    struct {
        ISA_BITFIELD;  // defined in isa.h
    };
#endif
};

isa_t是联合体，然后重点看ISA_BITFIELD，

image.png

参数解释：

nonpointer:表示是否对 isa 指针开启指针优化 ，
0:纯isa指针，1:不止是类对象地址,isa 中包含了类信息、对象的引用计数等。

has_assoc:关联对象标志位，0没有，1存在。

has_cxx_dtor:该对象是否有 C++ 或者 Objc 的析构器,如果有析构函数,则需要做析构逻辑, 如果没有,则可以更更快的释放对象。

shiftcls:存储类指针的值。开启指针优化的情况下，在 arm64 架构中有 33 位⽤来存储类指针的值。

magic:用于调试器判断当前对象是真的对象还是没有初始化的空间 。

weakly_referenced:标志对象是否被指向或者曾经指向⼀一个 ARC 的弱变量，没有弱引用的对象可以更快释放。

deallocating:标志对象是否正在释放内存。

has_sidetable_rc:是否有用到散列表，当对象引⽤计数大于 10 时，则需要借⽤该变量存储进位。

extra_rc:当表示该对象的引用计数值，实际上是引用计数值减 1。例如，如果对象的引用计数为 10，那么 extra_rc 为 9。
例：在x86_64(mac)的架构下，如果引用计数大于 255，引用计数将会发生溢出。 溢出时，则需要将has_sidetable_rc标记为1，将会将拿出2的7次方(128，就是上面的RC_HALF)放入散列表(sidetable)

那么has_sidetable_rc是怎么操作的呢？

SideTables 散列表

散列表.png

SideTables

SideTables是一个数组，里面存着很多SideTable。(注意看有没有s)
这是对象引用计数溢出时，会调用这个方法，将一半的引用计数存入sideTable。

image.png

在这方法里，我们可以看到这个方法，通过SideTables获取一个SideTable

SideTable& table = SideTables()[this];

那么这里要看的就应该是SideTables()

SideTables.png

这里我觉得可以理解成SideTables()就是一个StripedMap，继续看StripedMap

template
class StripedMap {
#if TARGET_OS_IPHONE && !TARGET_OS_SIMULATOR
    enum { StripeCount = 8 };
#else
    enum { StripeCount = 64 };
#endif

    struct PaddedT {
        T value alignas(CacheLineSize);
    };

    PaddedT array[StripeCount];
    
    //指针下标
    static unsigned int indexForPointer(const void *p) {
        //reinterpret_cast是C++里的强制类型转换符。
        //这里是将16进制转成10进制
        uintptr_t addr = reinterpret_cast(p);
        // 这里StripeCount是64，看上面第755行
        return ((addr >> 4) ^ (addr >> 9)) % StripeCount;
    }

 public:
    //重载中括号 ， c++特有
    //要让”[]”内的操作数支持const void类型
    T& operator[] (const void *p) {
        // 调用indexForPointer()，获取sidetable
        return array[indexForPointer(p)].value; 
    }
    const T& operator[] (const void *p) const { 
        return const_cast>(this)[p]; 
    }
    ...
}

看完上面的代码+注释，我们走一波lldb调试，分别打印各个参数

image.png

这里就是一个获取SideTable的过程

<1> SideTable& table = SideTables()[this];传入一个this指针对象
<2> 通过indexForPointer获取当前指针对象所对应的下标
<3> 通过array[indexForPointer(p)].value 返回一个SideTable

初探SideTable

spinlock_t：自旋锁、
RefcountMap：引用计数Map，是个C++的Map

weak_table_t：全局弱引用表

image.png

SideTable操作

这里举个例子
sidetable_addExtraRC_nolock在sideTable中添加RetainCount(RC)

bool 
objc_object::sidetable_addExtraRC_nolock(size_t delta_rc)
{
    assert(isa.nonpointer);
    // 通过SideTables() 获取SideTable
    SideTable& table = SideTables()[this];

    //获取引用计数的size
    size_t& refcntStorage = table.refcnts[this];
    // 赋值给oldRefcnt
    size_t oldRefcnt = refcntStorage;
    // isa-side bits should not be set here
    assert((oldRefcnt & SIDE_TABLE_DEALLOCATING) == 0);
    assert((oldRefcnt & SIDE_TABLE_WEAKLY_REFERENCED) == 0);

    // 如果oldRefcnt & SIDE_TABLE_RC_PINNED = 1
    // 就是 oldRefcnt = 2147483648 （32位情况）
    if (oldRefcnt & SIDE_TABLE_RC_PINNED) return true;
    
    //引用计数也溢出判断参数
    uintptr_t carry;
    
    // 引用计数 add
    //delta_rc左移两位，右边的两位分别是DEALLOCATING(销毁ing） 跟WEAKLY_REFERENCED(弱引用计数)
    size_t newRefcnt = 
        addc(oldRefcnt, delta_rc << SIDE_TABLE_RC_SHIFT, 0, &carry);
    //如果sidetable也溢出了。
    //这里我for了几百万次，也没有溢出，可见sidetable能容纳很多的引用计数
    if (carry) {
        // 如果是32位的情况 SIDE_TABLE_RC_PINNED = 1<< (32-1)
        // int的最大值 SIDE_TABLE_RC_PINNED = 2147483648
        //  SIDE_TABLE_FLAG_MASK = 3
        // refcntStorage = 2147483648 | (oldRefcnt & 3)
        // 如果溢出，直接把refcntStorage 设置成最大值
        refcntStorage =
            SIDE_TABLE_RC_PINNED | (oldRefcnt & SIDE_TABLE_FLAG_MASK);
        return true;
    }
    else {
        refcntStorage = newRefcnt;
        return false;
    }
}

以上，to be continue~