iOS 的内存管理

面试的时候几乎都会被问, 是个比较大的问题. 整理了一些可以聊的点.

引用计数器, ARC 和 MRC

引用计数器: 通过引用计数决定一个引用是否需要释放.
ARC: 由编译器帮忙完成引用计数的增减.
MRC: 由开发者手动完成引用计数的增减.

Tagged Pointer

由于64位 CPU 的出现, 部分类型如 Int 型的内存占用会翻倍(值大小翻倍), 而一个存储了 Int 型数据的 NSNumber 对象则从原来的8字节增加到16字节. (指针位数翻倍).
Tagged Pointer 的出现就是为了针对这类情况, 对指针的内存占用进行压缩.(比如一个 NSNumber 存储了一个值为1024的 Int 型, Tagged Pointer的内存地址值会完整包含1024, 而不需要额外的内存去存储1024这个数据).

NONPOINTER_ISA

64位系统下的优化指针, 携带内容除了 对象内存地址, 还有 是否优化指针标记/引用计数/是否有弱引用指向/是否正在释放等信息

NONPOINTER_ISA和散列表

AutoReleasePool

干预 ARC 环境下引用对象的 release 时机, 使它在运行语句离开AutoReleasePool后执行.

引用表SideTables(强/弱引用)

弱引用不会对指向对象造成retain, runtime 维护了一个被称为 SideTables 的 HashMap 用于管理内存地址的引用计数和弱引用, 这个 HashMap 的 Key 就是引用的地址了, 而 Value 就是一个用于管理这个内存地址对应的引用的类SideTable.

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
    static void lockTwo(SideTable *lock1, SideTable *lock2);
    template
    static void unlockTwo(SideTable *lock1, SideTable *lock2);
};

SideTable结构中有:

• 自旋锁 spinlock_t, 在操作 SideTable 的时候上锁.(为了可以同时对多个地址进行操作, 使用分离锁)
• 表 RefcountMap, 管理内存地址的引用计数.
• 表 weak_table_t, 管理内存地址的弱引用.

对象的内存管理操作

1. 当声明一个强引用ref指向对象instance的时候:

• 会在SideTables中找到对应 instance内存地址的SideTable, 操作RefcountMap, 根据情况(是否已经到达上限)增加引用计数.

2. 当声明一个弱引用weak_ref指向某个对象instance的时候:

• 会生成一个新的引用weak_ref, 指向这个对象的地址, 引用weak_ref会被放进SideTables里对应instance内存地址的弱引用表weak_table_t中. 这个过程中, 对象weak_ref的引用计数器不会增加.
• 操作对应 instance 的 RefcountMap, 标记为有弱引用指向.

3. 当一个强引用ref 不再指向对象 instance 的时候:

• 查找对应 instance 的 RefcountMap , 根据情况(是否正在释放)减少引用计数.
• 如果instance引用计数已经为0, 则开始对instance进行释放.

4. 当对象instance要被释放的时候:

• 操作对应的RefcountMap, 标记目标地址正在被释放.
• 根据情况(是否标记为有弱引用指向)在引用表weak_table_t中找到指向instance的所有弱引用, 把这些引用设置成nil.

内存对齐

iOS 中数据结构的内存占用遵循以下规则

1. 数据成员对⻬规则:结构(struct)(或联合(union))的数据成员，第
   一个数据成员放在offset为0的地方，以后每个数据成员存储的起始位置要
   从该成员大小或者成员的子成员大小(只要该成员有子成员，比如说是数组，
   结构体等)的整数倍开始(比如int为4字节,则要从4的整数倍地址开始存
   储。
2. 结构体作为成员:如果一个结构里有某些结构体成员,则结构体成员要从
   其内部最大元素大小的整数倍地址开始存储.(struct a里存有struct b,b
   里有char,int ,double等元素,那b应该从8的整数倍开始存储.)
3. 收尾工作:结构体的总大小,也就是sizeof的结果,.必须是其内部最大
   成员的整数倍.不足的要补⻬。

值类型和引用类型

值类型: 拷贝数据, 不需要考虑多线程操作冲突.
引用型: 拷贝指针地址, 需要考虑内存释放.

堆和栈

堆的容量大, 存放引用类型, 内存由开发者自己申请/释放, 速度相对于栈更慢.
栈的容量有限, 存放值类型, 内存由系统管理, 操作速度快.

深拷贝和浅拷贝

深拷贝: 开辟新的内存空间, 创建一个内容和被拷贝对象一样的新对象.
浅拷贝: 只是拷贝一份被拷贝对象的内存地址, 相当于创建一个指向被拷贝对象的指针.

函数派发

函数派发有3种:

1. 静态派发

• 编译期间调用的函数必须已经实现.
• 在编译时就决定了调用哪个函数, 运行时不可更改.
• 调用性能最好(编译时可以针对优化).

2. 函数表派发

• 内存里, 对每一个 class 建立一个函数表, 用于存储这个类的函数所在内存位置.
• 子类函数表中包含:
  1. 所有从父类中继承的函数, 函数的内存地址和父类中相同函数的地址相同.
  2. 子类新增的函数.
• 在子类的函数表里, 子类重写的函数会替换父类的函数(使用新的内存地址).
• 调用性能弱于静态派发方式(需要操作指针在表中查找函数内存地址).

3. 消息派发

• 一个消息发送给一个对象的时候, runtime 会针对这个对象构建一个树.
• 树的每一层包含:
  1. 该类自己实现的函数.
  2. 该类上一层父类的指针(如果存在).
• runtime 从树的根部开始查找消息名称对应的函数, 如果找不到当层就往下一层查找.
• 如果到树的末端依然找不到对应的函数, 也没有实现消息重定向, 就会报错导致程序崩溃.
• 在调用之前仍可以不确定(不实现)具体执行函数, 但是调用的时候必须确定.
• 在运行期间, 函数可以更换.
• 调用性能较差(每次调用都需要重新确定).

Swift静态派发场景:

1. 值类型的所有函数
2. static 或者 final 修饰的函数
3. extension 内声明的非 @objc或dynamic修饰函数

Swift函数表派发场景:

1. class 内声明非 @objc或dynamic修饰的函数
2. protocol 内声明非 @objc或dynamic修饰的函数

Swift消息派发场景:

1. @objc 修饰的函数
2. dynamic 修饰的函数

weak, __weak, __block, unowned

copy on write

参考:
Swift进阶之内存模型和方法调度
iOS weak的底层实现
iOS-内存对齐
iOS管理对象内存的数据结构以及操作算法
Method Dispatch in Swift
深入理解Tagged Pointer
NONPOINTER_ISA和散列表