OC底层知识点之 - 内存管理（上）

时间  2021-08-13
标签 html c++ 面试 数组 安全 markdown app ide 函数 oop 栏目 HTML 繁體版
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系列文章：OC底层原理系列，OC基础知识系列html

前言

以前在使用clang将.m文件转成.cpp文件，查看里面的内容，发现属性上的编译也颇有意思，因此本篇探究下iOS内存管理顺便探究下属性，成员变量，实例变量c++

ARC & MRC

iOS中的内存管理方案，大体能够分为两类：MRC（手动内存管理）和ARC（自动内存管理）面试

  • MRC
    • 在MRC时代，系统是经过对象的引用计数来判断一个是否销毁，有如下规则
    • 对象被建立时引用计数都为1
    • 当对象被其余指针引用时，须要手动调用[objc retain]，使对象的引用计数+1
    • 当指针变量再也不使用对象时，须要手动调用[objc release]来释放对象，使对象的引用计数-1
    • 当一个对象的引用计数为0时，系统就会销毁这个对象

【总结】：在MRC模式下，必须遵照：谁建立，谁释放，谁引用，谁管理数组

  • ARC
    • ARC模式是在WWDC2011和iOS5引入的自动管理机制，即自动引用计数，是编译器的一种特性
    • 规则与MRC一致，区别在于，ARC模式下不须要手动retain、release、autorelease。编译器会在适当的位置插入release和autorelease。

内存布局

以前在OC基础知识点之-内存管理初识（内存分区）介绍了内存的五大区，其实除了五大区还有内核区和保留区，以4G手机为例，以下图所示：系统将其中的3GB给了五大区+保留区，剩余的1GB给内核区使用 安全

  • 内核区：系统用来进行内核处理操做的区域
  • 保留区：预留给系统处理nil等

【说明】：之因此最后的内存地址是从0x00400000开始的，是由于0x00000000表示nil，不能直接用nil表示一个段，因此单独给一段内存用于处理nil等状况markdown

内存管理方案

内存管理方案除了前文说起的MRC和ARC，还有如下三种app

  • 1.Tagged Pointer：专门用来处理小对象，例如NSNumber、NSDate、小NSString等
  • 2.Nonpointer_isa：非指针类型的isa，主要是用来优化64位地址。这个在OC底层原理之-OC对象（下）isa指针结构分析对isa进行了介绍
  • 3.SideTables：散列表，在散列表中主要有两个表，分别是引用计数表、弱引用表

这里主要介绍Tagged Pointer和SideTableside

Tagged Pointer

咱们经过一个面试题来引入Tagged Pointer 上面代码运行有没有问题，为何？函数

运行上面的代码咱们发现taggedPointerDemo是正常的，可是在touchesBegan方法出现了崩溃（taggedPointerDemo执行在viewDidLoad方法中） oop

崩溃缘由是多条线程对同一个对象进行释放，致使对象过分释放，因此才会崩溃。

【思考】：taggedPointerDemo和touchesBegan内部实现基本同样，惟一的区别就是nameStr不同，可是一个没有任何问题，一个却崩溃了，是否是由于nameStr形成的呢？

验证

咱们先看下nameStr有什么不同的地方，在NSLog处打断点，运行代码，分别打印nameStr 咱们发现他们的类型不一样，taggedPointerDemo中的nameStr的类型是NSTaggedPointerString类型，而touchesBegan中的类型是__NSCFString类型。

  • 1.NSTaggedPointerString类型的小对象，存储在常量区，由于nameStr在alloc本来分配是在堆区，可是因为taggedPointerDemo的nameStr较小，通过iOS优化，就成了NSTaggedPointerString类型，存在常量区
  • 2.touchesBegan方法中的nameStr类型是NSCFString类型，存储在堆区上

NSString的内存管理

咱们能够经过NSString初始化的两种方式，来测试NSString的内存管理

  • 1.经过withString+@""方式初始化
  • 2.经过WithFormat方式初始化

运行结果： 经过打印咱们能够看到NSString的`内存管理``主要分为3种

  • 1.NSTaggedPointerString：标签指针，是苹果在64位环境下对NSString、NSNumber等对象作的优化。对于NSString对象来讲
    • 当字符串是由数字、英文字母组合且长度小于等于9时，会自动成为NSTaggedPointerString类型，存储在常量区
    • 当有中文或者其余特殊符号时，会直接成为__NSCFString类型，存储在堆区
  • 2.__NSCFString：是在运行时建立的NSString子类，建立后引用计数会加1，存储在堆上
  • 3.__NSCFConstantString：字符串常量，是一种编译时常量，retainCount值很大，对其操做，不会引发引用计数变化，存储在字符串常量区

agged Pointer 小对象底层原理

上面咱们经过面试题引出了Tagged Pointer，那么我下面就来探究下Tagged Pointer底层实现，看看为何Tagged Pointer类型不会存在过分释放问题，咱们进入objc源码中查看

小对象的引用计数处理分析

查看reallySetProperty源码，后面咱们会仔细将reallySetProperty方法

看到不过不是copy修饰就会经过objc_retain赋新值，objc_release释放旧值，再看objc_retain，objc_release底层实现

经过源码咱们能够看到，在objc_retain，objc_release中都对agged Pointer进行了判断，若是小对象，就直接返回。由此咱们能够得出一个结论：小对象是不会进行retain和release操做的

小对象的地址分析

咱们继续以NSString为例，对于NSString来讲

  • 通常的NSString对象指针，都是string值 + 指针地址，二者是分开的
  • 对于Tagged Pointer指针，其指针+值，都能在小对象中体现。因此Tagged Pointer 既包含指针，也包含值

在以前的文章OC底层原理之-类的加载过程-上（ _objc_init实现原理）中讲类加载时，其中_read_images源码有一个方法对小对象进行了处理，即initializeTaggedPointerObfuscator方法，下面咱们查看下initializeTaggedPointerObfuscator方法实现 在iOS12后，Tagged Pointer采用了混淆处理，咱们能够设置OBJC_DISABLE_TAG_OBFUSCATION为YES来关闭Tagged Pointer的混淆 咱们能够经过源码中objc_debug_taggedpointer_obfuscator查找taggedPointer的编码和解码，来查看底层是如何混淆处理的 上面咱们知道编码_objc_encodeTaggedPointer是经过objc_debug_taggedpointer_obfuscator异或传入值，解码_objc_decodeTaggedPointer也是经过objc_debug_taggedpointer_obfuscator异或传入值，至关因而两层异或。下面咱们举例说明：传入值1010 0100，mask值0101 0010

1010 0100
^0101 0010 mask （编码）
 1111 0110
^0101 0010 mask （解码）
 1010 0100
复制代码

咱们看下解码后的小对象地址，其中61表示a的ASCII码，63表示c的ASCII码，咱们再以NSNumber为例 咱们看到地址确实存储值了。可是小对象后面的0xa，0xb又是什么含义呢？最后咱们在判断是否为小对象的判断里找到了答案 因此0xa、0xb主要是用于判断是不是小对象TaggedPointer，判断第64位上是否有为1（taggedpointer指针地址即表示指针地址，也表示值）

  • 0xa转换成二进制为1 010（64为为1，63~61后三位表示tagType类型-2），表示NSString类型
  • 0xb转换为二进制为1 011（64为为1，63~61后三位表示tagType类型-3），表示NSNumber类型，这里须要注意一点，若是NSNumber的值是-1，其地址中的值是用补码表示的

这里能够经过_objc_makeTaggedPointer方法的参数tag类型objc_tag_index_t进入其枚举，其中2表示NSString，3表示NSNumber 验证下：咱们能够定义一个NSDate对象，来验证其tagType是否为6。 经过打印结果，其地址高位是0xe，转换为二进制为1 110，排除64位的1，剩余的3位正好转换为十进制是6，符合上面的枚举值

Tagged Pointer 总结

  • 1.Tagged Pointer小对象类型（用于存储NSNumber、NSDate、小NSString），小对象指针再也不是简单的地址，而是地址 + 值，即真正的值，因此，实际上它再也不是一个对象了，它只是一个披着对象外衣的普通变量而以。因此能够直接进行读取。优势是占用空间小，节省内存
  • 2.Tagged Pointer小对象，不会进入retain和release，而是直接返回了，意味着不须要ARC进行管理，因此能够直接被系统自主的释放和回收
  • 3.Tagged Pointer的内存并不存储在堆区中，而是在常量区中，也不须要malloc和free，因此能够直接读取，相比存储在堆区的数据读取，效率上快了3倍左右。建立的效率相比堆区快了近100倍左右。taggedPointer的内存管理方案，比常规的内存管理，要快不少
  • 4.Tagged Pointer的64位地址中，前4位表明类型，后4位主要适用于系统作一些处理，中间56位用于存储值
  • 5.优化内存建议：对于NSString来讲，当字符串较小时，建议直接经过@""初始化，由于存储在常量区，能够直接进行读取。会比WithFormat初始化方式更加快速

探究strong和copy的内存管理

准备代码

咱们在ViewController.h文件写的有以下属性

@interface ViewController ()
{
    Man *man;
    NSString *workTime;
    NSInteger times;
}
@property (nonatomic, strong)Student *student;
@property (nonatomic, copy)NSString *schoolName;
@property (nonatomic, copy)NSString *name;
@property (nonatomic, assign) NSInteger age;
@property (nonatomic, strong)NSMutableArray *houses;
@end
复制代码

名词解释

属性：有前缀 @property修饰的变量

成员变量：就是{}内的变量，上面咱们写的man，workTime，times都是成员变量

实例变量：若是成员变量的数据类型是个类，能被实例化，那它就是实例变量，上面咱们写的man就是实例变量

经过clang转成.cpp文件。咱们在它的.cpp文件发现属性他们在c++底层是如图（截取部分） 这是属性的get和set方法，发现name的set方法和age，houses有区别（区别用下划线标记出来了）缘由是name1使用的是copy，二age用的assign，houses用的strong。

探究copy

咱们探究下为何会使用objc_setProperty，咱们去先取LLVM源码中找一下objc_setProperty，咱们找到了getOptimizedSetPropertyFn放发，看下图： 经过图咱们看到对属性使用不一样的修饰词，对象的set方法修饰也不一样

  • 若是使用natomic和copy修饰：objc_setProperty_atomic_copy
  • 若是使用natomic和非copy修饰：objc_setProperty_atomic
  • 若是使用非natomic和copy修饰：objc_setProperty_nonatomic_copy
  • 若是使用非natomic和非copy修饰：objc_setProperty_nonatomic

咱们的name是非natomic和copy修饰，因此应该是objc_setProperty_nonatomic_copy 下面咱们再去源码中查看下objc_setProperty_nonatomic_copy如何实现。 上图就是咱们找到的源码实现，咱们注意到方法reallySetProperty，去这个方法看看 上图咱们知道若是是copy就是调用copyWithZone方法，因为不是atomic，因此会走90，91这里就是取出以前的值，将新值赋给*slot，最后将旧值释放。 下面咱们代码验证下

@interface Person : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Person *p  = [Person alloc];
        p.name = @"小明";
        p.name = @"小张";
        NSLog(@"--->");
        NSString *nameStr = [p.name copy];
    }
    return 0;
}
复制代码

运行代码，打断点 打印由于小明是第一次赋值，因此不存在旧值。咱们继续 此次再给name赋值小张，旧值就存在了。最后在100行会将旧值释放掉。 咱们再看下NSString *nameStr = [p.name copy];咱们发现并没有走咱们打断点的reallySetProperty方法，那这个方法会走哪呢？咱们打断点，在断点停留处看看汇编（截取关键部分） 咱们发现后面会调用objc_storeStrong，下面咱们在源码中找一下该方法 打断点，再也不看汇编，继续下一步 但此时的obj是nil，由于以前不存在nameStr，objc_retain(id obj)方法里进行判断，若是存在就返回，不存在就进行建立（经过objc_msgSend的方式发送retain方法）。咱们发现调用objc_retain方法，下面咱们探究下strong属性（objc_retain后面讲）

探究strong

咱们准备下代码：

@interface Person : NSObject
@property (nonatomic, strong) NSString *name;
@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Person *p  = [Person alloc];
        p.name = @"aaa";
    }
    return 0;
}
复制代码

打断点，当来到这里是，咱们查看汇编 咱们发现这个方法和上面讲的nameStr同样，都会走objc_storeStrong 此时咱们打印，发现此时·obj为咱们对name的赋值。接着对obj进行objc_retain。

探究objc_retain

上面咱们知道对属性进行copy，以及属性使用strong修饰，都会走objc_retain，咱们看看objc_retain究竟作了些什么属性使用copy修饰是不走objc_retain。 咱们全局搜objc_retain，发现以下代码

  • 1586：若是obj不存在，就直接返回
  • 1587：若是obj是Tagged Pointer对象也直接返回
  • 1588：上面都不知足调用retain()

下面看下retain()方法

  • 455：判断不是Tagged Pointer对象，这个方法不但愿处理Tagged Pointer
  • 457：经过hasCustomRR函数检查类（包括其父类）中是否含有默认的retain方法
  • 458：若是没有调用rootRetain()。
  • 461：若是有就进行消息转发，去调用自定义的retain方法

走下来咱们发现只会走461行，不会走458行。这是由于hasCustomRR再检查的时候，会经过isa指针一直向上查找，直到找到NSObject，在NSObject中重写了retain方法 而_objc_rootRetain会调用rootRetain()方法。 下面咱们看下rootRetain()方法 发现调用了rootRetain(false, false)注意传值：false，false，下面咱们看下rootRetain方法。 rootRetain的方法比较多，咱们会挑比较重要的地方进行解释说明

  • 489：若是是Tagged Pointer直接返回
  • 492：transcribeToSideTable用于表示extra_rc是否溢出，默认为false（不抄写到SideTable）
  • 499：经过atomic（原子性）获取isa
  • 501：isa是否是被优化过nonpointer就是isa结构体中的nonpointer，具体看OC底层原理之-OC对象（下）isa指针结构分析
  • 502：若是不是，就清空对象的isa.bits
  • 503：若是是元类，说明是类对象，就直接返回
  • 504：若是tryRetain为false且sideTable被锁，就打开锁（retain必需要为true，若是当前线程锁住了sideTable对象，则须要解锁）。
  • 505：经过判断tryRetain是否为true来肯定retain是否成功，若是成功，就判断sidetable_retain()是否存在，若是存在就返回this，若是不存在就返回nil。若是失败继续往下走调用sidetable_retain()。
  • 515：将newisa的bits进行处理，进行addc操做（注释说对引用计数进行+1，RC_ONE是1想左偏移56位，而isa指针的extra_rc：引用计数，在63-56之间。注：在x86下）
  • 519：有进位，说明溢出了，这时候表示extra_rc已经不能存储在isa指针中了。
  • 520-521：若是不处理溢出状况，在520行对bits进行清空，在521行再次调用rootRetain，此时的handleOverflow的会被rootRetain_overflow置为true。从而直接走下
  • 525-529：525行就是对sideTable进行加锁，528行是将引用计数减半（RC_HALF为1左移7为，extra_rc满为8位，少了一位就是减半），继续存在isa中，529行将has_sidetable_rc设置为true，代表借用了sideTable存储
  • 533：由于上面讲若是溢出了，就会将transcribeToSideTable置为true。因此若是溢出了就会进来。
  • 535：将上面说的引用计数溢出，一半放在isa指针中，另外一半就存在sideTable中。
  • 538：若是tryRetain为false，SideTable锁了，那就解锁。
  • 539：返回

经过上面的解释咱们能够肯定几个问题：1.调用rootRetain会让引用计数+1. 2.当引用计数过大溢出时，会将引用计数一半存在isa的extra_rc中，另外一半存在sideTable中 咱们上面说了，属性直接copy以及strong修饰属性赋值时都会调用rootRetain，说明对对象copy以及strong修饰属性赋值时都会致使引用计数+1。由于strong是强引用，因此+1，而copy修饰属性，只是调用copyWithZone，而不可变对象进行copy时是对内存地址进行copy，也就是此处也指向该内存，因此须要+1。 可看下图 咱们看到内存地址是同样的。

SideTables 散列表

上面咱们说了引用计数存储到必定的值时，就不会存在isa指针中的extra_rc中，而是将一半存到SideTables散列表中，为何是将一半存在SideTables而不是所有呢？

缘由：若是都存储在散列表中，每次对散列表操做都须要开解锁，操做耗时，消耗性能大，因此对半分的操做目的是为了提升性能。 咱们看下sidetable_addExtraRC_nolock源码 发现获取SideTable是从SideTables取的，说明SideTable是有多张的

问题1.为何在内存中有多张？最多可以多少张？**

  • 若是散列表只有一张表，意味着全局全部的对象都会存储在一张表中，操做任意一个对象，都会进行解锁（锁是锁整个表的读写）。当开锁时，其它对象可能也操做这张表，则意味着数据不安全
  • 若是每一个对象都开一个表，会耗费性能，因此也不能有无数个表

咱们看下SideTable结构，SideTables的底层实现

咱们发现sideTable包含互斥锁slock，引用计数表refcnts，以及一个弱引用表weak_table，而SideTables是经过SideTablesMap的get方法获取，而SideTablesMap是经过StripedMap<SideTable>定义的。咱们再看下StripedMap源码

从这里能够看到，同一时间，真机中的散列表最多只能有8张

问题2.为何在用散列表，而不用数组、链表？

  • 数组：特色在于查询方便（即经过下标访问），增删比较麻烦（相似于以前讲过的methodList，经过memcopy、memmove增删，很是麻烦），因此数组的特性是读取快，但存储不方便
  • 链表：特色在于增删方便，查询慢（须要从头节点开始遍历查询），因此链表的特性是存储快，但读取慢
  • 散列表：其本质就是一张哈希表，哈希表集合了数组和链表的长处，增删改查都比较方便，例如拉链哈希表（在以前锁的文章中，讲过的tls的存储结构就是拉链形式的），是最经常使用的链表

上面对对象的copy，strong（retain是同样的，都会调用retain()方法，结合上面的小对象。咱们总结下retain()做了什么操做

总结retain做了什么

  • 1.retain在底层首先会判断是不是Nonpointer isa，若是不是，则直接操做散列表 进行+1操做
  • 2.若是是Nonpointer isa，还须要判断是否正在释放，若是正在释放，则执行dealloc流程，释放弱引用表和引用计数表，最后free释放对象内存
  • 3.若是不是正在释放，则对Nonpointer isa进行常规的引用计数+1。这里须要注意一点的是，extra_rc在真机上只有8位用于存储引用计数的值，当存储满了时，须要借助散列表用于存储。须要将满了的extra_rc对半分，一半（即2^7）存储在散列表中。另外一半仍是存储在extra_rc中，用于常规的引用计数的+1或者-1操做，而后再返回

release 源码分析

上面分析了+1操做，下面分析下-1操做：release，看下release底层实现 上面的reallySetProperty最后对旧值进行objc_release，咱们就从objc_release开始，objc_release->release()->rootRelease()->rootRelease()

大体上和上面的rootRetain方法相似，只不过是相反的操做。下面简要分析一下

  • 1.判断是不是Nonpointer isa，若是不是，则直接对散列表进行-1操做
  • 2.若是是Nonpointer isa，则对extra_rc中的引用计数值进行-1操做，并存储此时的extra_rc状态到carry中
  • 3.若是此时的状态carray为0，则走到underflow流程
  • 4.underflow流程有如下几步：
    • 判断散列表中是否存储了一半的引用计数
    • 若是是，则从散列表中取出存储的一半引用计数，进行-1操做，而后存储到extra_rc中
    • 若是此时extra_rc没有值，散列表中也是空的，则直接进行析构，即dealloc操做，属于自动触发

dealloc 源码分析

在retain和release的底层实现中，都说起了dealloc析构函数，下面来分析dealloc的底层的实现，经过delloc->_objc_rootDealloc->rootDealloc

  • 1.根据条件判断是否有isa、cxx、关联对象、弱引用表、引用计数表，若是没有，则直接free释放内存
  • 2.若是有，则进入object_dispose方法

经过上面能够看到，object_dispose方法的目的有一下几个

  • 1.销毁实例，主要有如下操做
    • 1.调用c++析构函数
    • 2.删除关联引用
    • 3.释放散列表
    • 4.清空弱引用表
  • 2.free释放内存

到如今为止，retain -> release -> dealloc就所有串联起来了

retainCount 源码分析

上面提到了retainCount，咱们来看下retainCount底层是如何操做的，咱们先看个面试题 问：打印结果是多少？答案：1，为何？若是回答由于NSObject被alloc了，因此引用计数+1，那么你是说对告终果，可是不知道缘由

咱们在文章对alloc理解中历来没说过allock会对引用计数+1。那为何答案会是1呢，下面咱们来分析下 上面就是retainCount源码，咱们在rootRetainCount打断点，进行调试

答案：alloc建立的对象实际的引用计数为0，其引用计数打印结果为1，是由于在底层rootRetainCount方法中，引用计数默认+1了，可是这里只有对引用计数的读取操做，是没有写入操做的，简单来讲就是：为了防止alloc建立的对象被释放（引用计数为0会被释放），因此在编译阶段，程序底层默认进行了+1操做。实际上在extra_rc中的引用计数仍然为0

总结

  • 1.alloc建立的对象没有retain和release
  • 2.alloc建立对象的引用计数为0，会在编译时期，程序默认加1，因此读取引用计数时为1

扩展

咱们再看上面的.cpp文件发现以下： 咱们看到每一个属性都有一个get方法和set方法

咱们解释下红框部分的意思，红框是签名，以@16@0:8为例，

  • 第一个@是返回值为id类型，
  • 16表示的返回值为16字节，
  • 第二个@表示第一个参数
  • 0表示从0开始，到8（0-8）
  • :是指sel方法编号
  • 8是指8-16

"v24@0:8@16"，v指无返回值

为了方便理解，我附上一张官方解释的图，以及官方链接，你们能够去官方看更详细的解释。 附：Type Encoding-官方文档 ，Property Type String-官方文档

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