iOS 进阶—— iOS 内存管理

1 似乎每个人在学习 iOS 过程中都考虑过的问题

alloc retain release delloc 做了什么？
autoreleasepool 是怎样实现的？
__unsafe_unretained 是什么？
Block 是怎样实现的
什么时候会引起循环引用，什么时候不会引起循环引用？

所以我将在本篇博文中详细的从 ARC 解释到 iOS 的内存管理，以及 Block 相关的原理、源码。

2 从 ARC 说起

说 iOS 的内存管理，就不得不从 ARC（Automatic Reference Counting / 自动引用计数）说起， ARC 是 WWDC2011 和 iOS5 引入的变化。ARC 是 LLVM 3.0 编译器的特性，用来自动管理内存。

与 Java 中 GC 不同，ARC 是编译器特性，而不是基于运行时的，所以 ARC 其实是在编译阶段自动帮开发者插入了管理内存的代码，而不是实时监控与回收内存。

ARC 的内存管理规则可以简述为：

每个对象都有一个『被引用计数』

对象被持有，『被引用计数』+1

对象被放弃持有，『被引用计数』-1

『引用计数』=0，释放对象

3 你需要知道

包含 NSObject 类的 Foundation 框架并没有公开
Core Foundation 框架源代码，以及通过 NSObject 进行内存管理的部分源代码是公开的。
GNUstep 是 Foundation 框架的互换框架

GNUstep 也是 GNU 计划之一。将 Cocoa Objective-C 软件库以自由软件方式重新实现
某种意义上，GNUstep 和 Foundation 框架的实现是相似的
通过 GNUstep 的源码来分析 Foundation 的内存管理

4 alloc retain release dealloc 的实现

4.1 GNU – alloc

查看 GNUStep 中的 alloc 函数。

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 = 计算容纳对象所需内存大小;

id new = NSZoneCalloc(zone, 1, size);

memset (new, 0, size);

new = (id)&((obj)new)[1];

}

NSAllocateObject 函数通过调用 NSZoneCalloc 函数来分配存放对象所需的空间，之后将该内存空间置为 nil，最后返回作为对象而使用的指针。

我们将上面的代码做简化整理：

GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m alloc 简化版本:

struct obj_layout {

NSUInteger retained;

};

+ (id) alloc

{

int size = sizeof(struct obj_layout) + 对象大小;

struct obj_layout *p = (struct obj_layout *)calloc(1, size);

return (id)(p+1)

return [self allocWithZone: NSDefaultMallocZone()];

}

alloc 类方法用 struct obj_layout 中的 retained 整数来保存引用计数，并将其写入对象的内存头部，该对象内存块全部置为 0 后返回。

一个对象的表示便如下图：

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++;

}

以上代码中， NSIncrementExtraRefCount 方法首先写入了当 retained 变量超出最大值时发生异常的代码（因为 retained 是 NSUInteger 变量），然后进行 retain ++ 代码。

4.3 GNU – release

和 retain 相应的，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 将会对对象进行释放。

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);

}

4.5 Apple 实现

在 Xcode 中设置 Debug -> Debug Workflow -> Always Show Disassenbly 打开。这样在打断点后，可以看到更详细的方法调用。

通过在 NSObject 类的 alloc 等方法上设置断点追踪可以看到几个方法内部分别调用了：

retainCount

__CFdoExternRefOperation
CFBasicHashGetCountOfKey

retain

__CFdoExternRefOperation
CFBasicHashAddValue

release

__CFdoExternRefOperation
CFBasicHashRemoveValue

可以看到他们都调用了一个共同的 __CFdoExternRefOperation 方法。

该方法从前缀可以看到是包含在 Core Foundation，在 CFRuntime.c 中可以找到，做简化后列出源码：

CFRuntime.c __CFDoExternRefOperation:

int __CFDoExternRefOperation(uintptr_t op, id obj) {

CFBasicHashRef table = 取得对象的散列表(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 是针对不同的操作，进行具体的方法调用，如果 op 是 OPERATION_retain，就去掉用具体实现 retain 的方法。

从 BasicHash 这样的方法名可以看出，其实引用计数表就是散列表。

key 为 hash(对象的地址) value 为引用计数。

下图是 Apple 和 GNU 的实现对比：

5 autorelease 和 autorelaesepool

在苹果对于 NSAutoreleasePool 的文档中表示：

每个线程（包括主线程），都维护了一个管理 NSAutoreleasePool 的栈。当创先新的 Pool 时，他们会被添加到栈顶。当 Pool 被销毁时，他们会被从栈中移除。
autorelease 的对象会被添加到当前线程的栈顶的 Pool 中。当 Pool 被销毁，其中的对象也会被释放。
当线程结束时，所有的 Pool 被销毁释放。

对 NSAutoreleasePool 类方法和 autorelease 方法打断点，查看其运行过程，可以看到调用了以下函数：

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 状况

[pool drain];

// 等同于 objc_autoreleasePoolPop(pool)

[NSAutoreleasePool showPools] 可以看到当前线程所有 pool 的情况：

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 类对象

}

static inline void pop(void *token)

{

废弃 NSAutoreleasePool 类对象

releaseAll();

}

static inline id autorelease(id obj)

{

相当于 NSAutoreleasePool 类的 addObject 类方法

AutoreleasePoolPage *page = 取得正在使用的 AutoreleasePoolPage 实例;

}

id *add(id obj)

{

将对象追加到内部数组

}

void releaseAll()

{

调用内部数组中对象的 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 以双向链表的形式组合而成（分别对应结构中的 parent 指针和 child 指针）。

thread 指针指向当前线程。

每个 AutoreleasePoolPage 对象会开辟4096字节内存（也就是虚拟内存一页的大小），除了上面的实例变量所占空间，剩下的空间全部用来储存autorelease对象的地址。

next 指针指向下一个 add 进来的 autorelease 的对象即将存放的位置。

一个 Page 的空间被占满时，会新建一个 AutoreleasePoolPage 对象，连接链表。

6 __unsafe_unretained

有时候我们除了 __weak 和 __strong 之外也会用到 __unsafe_unretained 这个修饰符，那么我们对 __unsafe_unretained 了解多少？

__unsafe_unretained 是不安全的所有权修饰符，尽管 ARC 的内存管理是编译器的工作，但附有 __unsafe_unretained 修饰符的变量不属于编译器的内存管理对象。赋值时即不获得强引用也不获得弱引用。

来运行一段代码：

id __unsafe_unretained obj1 = nil;

{

id __strong obj0 = [[NSObject alloc] init];

obj1 = obj0;

NSLog(@"A: %@", obj1);

}

NSLog(@"B: %@", obj1);

运行结果：

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

对代码进行详细分析：

id __unsafe_unretained obj1 = nil;

{

// 自己生成并持有对象

id __strong obj0 = [[NSObject alloc] init];

// 因为 obj0 变量为强引用，

// 所以自己持有对象

obj1 = obj0;

// 虽然 obj0 变量赋值给 obj1

// 但是 obj1 变量既不持有对象的强引用，也不持有对象的弱引用

NSLog(@"A: %@", obj1);

// 输出 obj1 变量所表示的对象

}

NSLog(@"B: %@", obj1);

// 输出 obj1 变量所表示的对象

// obj1 变量表示的对象已经被废弃

// 所以此时获得的是悬垂指针

// 错误访问

所以，最后的 NSLog 只是碰巧正常运行，如果错误访问，会造成 crash

在使用 __unsafe_unretained 修饰符时，赋值给附有 __strong 修饰符变量时，要确保对象确实存在