说说iOS与内存管理（上）

http://www.cocoachina.com/ios/20150625/12234.html

说起内存管理，看似老生常谈，而真正掌握内存管理的核心其实并不简单。ARC/MRR以及“谁分配谁就负责释放”这种基本原则是很重要的，但不是本文要讨论的重点。之前本人还没在小站发过相关的文章，本篇文章中，我本人是想结合实际开发和调试中遇到的一些细节问题，来谈谈iOS的内存管理内在机制和调试方法。

上一篇文章已经是4月份的了，时间飞快又过去了好久，小站5月份没有文章更新，罪过罪过。最近小站的站长我又转换到新团队新岗位，在支付宝做客户端开发感受颇多，不过身在一个技术流团队，工作很有挑战，自己感觉很充实、很“幸福”。iOS开发当中的内存管理，可深可浅，一般应用程序开发过程当中可能并不需要关注太多，如果不是来到支付宝，也许就不会有这么多心得来整理此文。

关于内存，我准备分为内存管理的基本原则、原理和调试方法、实际问题几部分整理。那么接下来我就和大家一起复习和稍微深入一下iOS的内存管理的原理和原则。

0. 概述

内存，简单来说就是内部存储，复杂来说要从冯·诺依曼计算机结构说起。冯·诺依曼结构，也称做普林斯顿结构，目前和哈佛结构相对，指出了计算机由运算器、控制器、存储器、输入和输出设备几大部件组成。如今我们个人用的机器估计都是这个套路，而且运算器和控制器都合在一起，就是CPU，中央处理器。那么内存就是CPU能直接读写访问数据的地方（寄存器是在CPU内的，不算哈），有些朋友说谁谁谁的iPhone内存16G、64G，我只能说这个理解方法仅限于存储部件放在手机里（内）了，严格来讲这算“外存”，我们要讨论的不是这个。

冯·诺依曼结构还说了，内存是用来存啥的呢？指令+数据！（哈佛的恐怕就不一样了）对于我们开发者来说，指令基本就是代码逻辑，至于数据么变量常量肯定都算是的了。

内存有多大？不大，现今主流的个人机器也就几G的样子。iPhone?  统统1G。

我们操作系统都是运行在内存之上的，1G好像不算大，所以为了支持多进程，也为了支持大程序，抽象的虚拟存储的概念诞生了。

简要的概念先陈述到这，下面详细说。哦，对了，ARC和MRR我还是得提一下，这个要是真不知道还真的自己先去了解一下去。

1. 通用内存基本原理

说iOS的内存，有必要先看看一般的计算机都是怎么干的，iPhone也是计算机，通用的道理一样要遵循。这里提两方面：虚存的概念，内存内容的大致分布。

虚拟存储系统。刚刚提到了，物理内存就那么大点，但是还要跑多个程序，还要接受消耗很大内存的程序，这怎么办？凉拌。搞计算机的人都是很聪明的，在操作系统层面做了物理地址和逻辑地址之间的映射转换，当然处理器硬件上也做了支持。一个程序在运行时，实际要用到的指令和数据都是很有限的，不可能从头到尾同时用。那么对于一个程序来说，假装自己有非常大的空间，实际上只要有条理的把暂时要用到的部分放进物理内存供CPU访问就好，这样第二个问题解决了。那既然每个程序（进程）只用一小块，那整个物理内存就可以分给多个程序（进程）用了，第一个问题也迎刃而解。当然，这样做的前提是，数据和指令的动态进出，用完了的暂时不用的踢出内存，需要用的及时加载进来。这个具体的实现方式就多种多样了，很多实现方式是在外存中开了个交换区供换入换出，但iOS可略有不同。

内存的大致分布。不久以前，我发了一篇文章整理了Mach-O文件的格式分析，里面很复杂地放了好多东西，包括我们Build打包时的代码和数据。而Mach-O文件正是我们开发内容的一个静态展现形式，要想在运行的时候看样子，就得看这文件里包含的东西是怎么放进内存的。Objective-C是基于C的，不放看下C程序进程的内存分布：

一个运行时进程的典型内存分布

最简单来说分为两大部分：指令+数据。再细分一点，五部分：代码（指令），初始化数据区，未初始化数据区，堆，栈。

• 代码（指令，text）就不用说了，最静态的，就是只读的东西；

• 初始化数据，简单理解就是有初始值的变量、常量；

• 未初始化数据，只声明未给值的变量，运行前统统为0，之所以单独分出来，估计是性能考虑，因为这些东西都是0，没必要放在程序包里，也不用copy；

• 栈，程序运行记录，每个线程，也就是每个执行序列各有一个（看crash log最容易理解），都是编译的时候能确定好的，还有一个特点就是这里面的数据可以不用指针，也不会丢；

• 堆，最灵活的内存区，用途多多，动态分配和释放，编译时不能提前确定，我们的Objective-C对象都是这么来的，都存在这里，通常堆中的对象都是以指针来访问的，指针从线程栈中来，但不独属于某个线程，堆也是对复杂的运行时处理的基础支持，还有就是ARC还是MRR、“谁分配谁释放”说的都是堆上对象的管理；

其实，这个内存中的布局方式大部分操作系统中的大部分进程都是类似的。Objective-C的程序包对运行时有着复杂的支持和内容划分，但也都是在这个大的框架下进行的。

2. iOS的内存管理

其实，iOS的内存管理和其它操作系统大同小异。这里按照苹果文档所述，重点对堆内存分配整理下。

首先，iOS和其它系统一样，内存分页，每页4K。多个页构成一个region统一管理，负责管理的对象是VM object，其中包含了pager、size、resident pages等诸多属性。

不管是Objective-C的[NSObject alloc]，还是C代码的对内存分配，最终重任都会落到malloc库上，释放也是如此，最终都将使用malloc库中的free()。

malloc库中有很多malloc的同族函数可以动态分配内存，会结合参数在free pages中进行最适分配。如果分配的内存比较大，可以直接使用vm_allocate，得到一个VM对象（与Linux类似），这个在实际使用前不分配物理内存。malloc的内部实现都是开源的，感兴趣的可以去了解去看。

此外，对于malloc，还有一个Zone的概念（貌似与Linux的概念不完全相同），可以简单理解为一组free page单元，可以统一管理操作。默认情况，在第一次调用malloc时，系统会生成一个default zone，后续的默认分配在此进行。比如，malloc_zone_xxx()函数都是对特定的zone进行分配操作，执行zone->xxx()。

最后强调一下iOS特别需要注意的点：

当前的主流iPhone实际物理内存都不超过1G，可以说不算大。不过和Android机比起来，我不得不为苹果的设计称赞，1G空间利用得如此高效，性能不差，也控制了发热。

那么在这仅有的1G内存中，iOS的操作系统更是抛弃了不必要的复杂——系统层面不支持App内存页换出。当内存吃紧时，对于可以重新载入的只读数据来说，直接清理掉，而对于可写的数据，只能通过App自己去管理维护。内存紧张时，iOS会向App发起memory warning，不配合释放足够内存者，杀！

App调试时的物理内存情况

上图是使用Activity Monitor调试时的一个截图，可以看到在尽量不释放自身内存的情况下（为了bug调试特意这么做的），支付宝钱包的内存可以做到502M物理内存占用。再稍微高一点点，系统就会连前台运行的App一起Kill掉。留下一个Unknown的log。

3. 其它

基本的原理就简要整理到此，如下是一些参考：

• Memory Layout of C Programs

• Anatomyof a program in memory

• What and where are the stack and heap?

• Memory Usage Performance Guidelines

• A look at how malloc works on the Mac