iOS中內(nèi)存管理機(jī)制是開發(fā)中一項(xiàng)很重要的知識(shí)舔哪，了解iOS中內(nèi)存管理的規(guī)則不管是在開發(fā)中還是在學(xué)習(xí)中都能很大程度的幫助我們提升效率珠漂。下面我就根據(jù)自己的理解铡羡，詳細(xì)梳理一下內(nèi)存管理相關(guān)的知識(shí)痹筛。

關(guān)于內(nèi)存：

在說內(nèi)存管理之前葱椭，我們首先要了解什么內(nèi)存开泽。首先了解一些計(jì)算機(jī)的基本知識(shí)牡拇。

1. 硬件內(nèi)存區(qū)分：

我們的手機(jī)、電腦、或者智能設(shè)備都有RAM（運(yùn)行內(nèi)存）和ROM（硬盤）惠呼。
RAM是內(nèi)部存儲(chǔ)导俘，ROM是外部存儲(chǔ)。我們的CPU直接訪問的是RAM剔蹋，如果想訪問外部存儲(chǔ)旅薄，則數(shù)據(jù)須先放到RAM中才能被CPU訪問。CPU不能直接從內(nèi)存卡里面讀取指令(需要Flash驅(qū)動(dòng)等等)泣崩。

2. RAM和ROM的特點(diǎn)和區(qū)別：

• RAM：運(yùn)行內(nèi)存少梁，CPU可以直接訪問，訪問速度快矫付，價(jià)格高凯沪，不能夠掉電存儲(chǔ)-斷電會(huì)失去數(shù)據(jù)-不穩(wěn)定。
• ROM：存儲(chǔ)型內(nèi)存买优，CPU不可以直接訪問妨马，訪問速度慢，價(jià)格低杀赢，可以掉電存儲(chǔ)-穩(wěn)定烘跺。

3. RAM和ROM的協(xié)同工作：

由于 RAM 不支持掉電存儲(chǔ)，所以 App 程序一般存儲(chǔ)在 ROM 中脂崔。
手機(jī)里面使用的 ROM 基本都是 NandFlash（閃存）滤淳，CPU 是不能直接訪問的，而是需要文件系統(tǒng)/驅(qū)動(dòng)程序(嵌入式中的EMC)將其讀到 RAM 里面脱篙，CPU 才可以訪問娇钱。另外，RAM 的速度也比 NandFlash 快绊困。

4文搂、內(nèi)存分區(qū)：

說到內(nèi)存分區(qū)，內(nèi)存即指的是RAM秤朗。一塊內(nèi)存條煤蹭，是一個(gè)從下至上地址依次遞增的結(jié)構(gòu)，內(nèi)存條中主要分為幾大類：棧區(qū)(stack)取视、堆區(qū)(heap)硝皂、常量區(qū)、代碼區(qū)(.text)作谭、保留區(qū)稽物。常量區(qū)分為未初始化區(qū)域(.bss)和已初始化區(qū)域(.data)

iOS內(nèi)存分區(qū)圖

程序員操作的主要是棧區(qū)與堆區(qū)還有常量區(qū)。

• 棧區(qū)(heap):由系統(tǒng)去管理折欠。地址從高到低分配贝或。先進(jìn)后出吼过。會(huì)存一些局部變量，函數(shù)跳轉(zhuǎn)跳轉(zhuǎn)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)(寄存器值保存于恢復(fù))咪奖，這些系統(tǒng)都會(huì)幫我們自動(dòng)實(shí)現(xiàn)盗忱，無需我們干預(yù)。所以大量的局部變量羊赵，深遞歸趟佃，函數(shù)循環(huán)調(diào)用都可能耗盡棧內(nèi)存而造成程序崩潰 。
• 堆區(qū)(stack)：需要我們自己管理內(nèi)存昧捷，alloc 申請(qǐng)內(nèi)存 release 釋放內(nèi)存闲昭。創(chuàng)建的對(duì)象也都放在這里。 地址是從低到高分配料身。堆是所有程序共享的內(nèi)存汤纸，當(dāng)N個(gè)這樣的內(nèi)存得不到釋放，堆區(qū)會(huì)被擠爆芹血，程序立馬癱瘓贮泞。這就是內(nèi)存泄漏。
• 全局區(qū)/靜態(tài)區(qū)(staic)：全局變量和靜態(tài)變量的存儲(chǔ)是放在一塊的幔烛，初始化的全局變量和靜態(tài)變量在一塊區(qū)域啃擦， 未初始化的全局變量和未初始化的靜態(tài)變量在相鄰的另一塊區(qū)域。程序結(jié)束后有系統(tǒng)釋放饿悬。
• 常量區(qū)：常量字符串就是放在這里的令蛉，還有 const 常量。
• 代碼區(qū)：存放 App 代碼狡恬，App 程序會(huì)拷貝到這里珠叔。

4. App程序在內(nèi)存中的運(yùn)行：

當(dāng)我們點(diǎn)擊手機(jī)icon啟動(dòng)一個(gè)App時(shí)（例如微信）： 拓展：iOS程序生命周期詳解、

• 操作系統(tǒng)會(huì)為微信開辟 4G 的虛擬內(nèi)存空間弟劲。
• 操作系統(tǒng)會(huì)把存儲(chǔ)在 ROM 里面的微信部分代碼 copy 到上一步開辟的 4G 內(nèi)存空間中祷安。
• CPU 可以訪問 RAM 來運(yùn)行微信程序了。

假設(shè)我們下載了一段視頻兔乞，那么會(huì)從 Server 一點(diǎn)點(diǎn)下載到 RAM汇鞭，然后再從RAM寫入到 ROM，這樣保證關(guān)閉微信再次打開時(shí)庸追，視頻還在霍骄。假設(shè)隔一段時(shí)間，我們要看視頻淡溯，程序會(huì)將它從 ROM 讀到 RAM 然后解碼播放读整。數(shù)據(jù)本地化時(shí)候，頻繁進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取咱娶，可能會(huì)涉及到性能優(yōu)化绘沉。

內(nèi)存管理

移動(dòng)設(shè)備的內(nèi)存大小是有限的, 內(nèi)存申請(qǐng)一直不釋放就會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存不足煎楣，所以需要內(nèi)存管理。OC 的對(duì)象在內(nèi)存中是以堆的方式分配空間的车伞，堆內(nèi)存是由我們自己釋放的。非 OC 對(duì)象一般是放在棧中喻喳，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)回收另玖。

1. 引用計(jì)數(shù)

• 引用計(jì)數(shù)（Reference counting）是一個(gè)簡(jiǎn)單有效管理對(duì)象生命周期的方式。

• 當(dāng)我們新建一個(gè)新對(duì)象時(shí)候表伦，它的引用計(jì)數(shù)+1谦去，當(dāng)一個(gè)新指針指向該對(duì)象，將引用計(jì)數(shù)+1蹦哼。當(dāng)指針不再指向這個(gè)對(duì)象時(shí)候鳄哭，引用計(jì)數(shù)-1，當(dāng)引用計(jì)數(shù)為0時(shí)纲熏，說明該對(duì)象不再被任何指針引用妆丘，將對(duì)象銷毀，進(jìn)而回收內(nèi)存局劲。

  
  
  引用計(jì)數(shù)

2. TaggedPointer

對(duì)于一個(gè) NSNumber 對(duì)象勺拣，如果存儲(chǔ) NSInteger 的普通變量，那么它所占用的內(nèi)存是與 CPU 的位數(shù)有關(guān)鱼填，在 32 位 CPU 下占4個(gè)字節(jié)药有。而指針類型的大小通常也是與 CPU 位數(shù)相關(guān)，一個(gè)指針?biāo)加玫膬?nèi)存在32位 CPU 下為4個(gè)字節(jié)苹丸。但是遷移至64位系統(tǒng)中后愤惰，其占用空間達(dá)到了8字節(jié)，以此類推赘理，所有在64位系統(tǒng)中占用空間會(huì)翻倍的對(duì)象宦言，在遷移后會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)存劇增，即時(shí)他們根本用不到這么多的空間感憾。在2013年9月蜡励，蘋果推出了iPhone 5s，該款機(jī)型首次采用64位架構(gòu)的A7雙核處理器阻桅。所以蘋果對(duì)于一些小型數(shù)據(jù)(NSNumber凉倚、NSDate、NSString等)嫂沉，采用了 taggedPointer 這種方式管理內(nèi)存稽寒。

TaggedPointer 是一種為內(nèi)存高效節(jié)省空間的方法,Tagged Pointer是一個(gè)特別的指針，它分為兩部分：

• 一部分直接保存數(shù)據(jù) 趟章；
• 另一部分作為特殊標(biāo)記杏糙，表示這是一個(gè)特別的指針慎王，不指向任何一個(gè)地址；

在一個(gè)程序中運(yùn)行下述代碼宏侍，獲取輸出日志：

NSNumber *number =  @(0);
NSNumber *number1 = @(1);
NSNumber *number2 = @(2);
NSNumber *number3 = @(9999999999999999999);
NSString *string = [[@"a" mutableCopy] copy];
NSIndexPath *indexPath = [NSIndexPath indexPathForRow:0 inSection:0];

NSLog(@"number ---- %@, %p", [number class], number);
NSLog(@"number1 --- %@, %p", [number1 class], number1);
NSLog(@"number2 --- %@, %p", [number2 class], number2);
NSLog(@"number3 --- %@, %p", [number3 class], number3);
NSLog(@"NSString -- %@, %p", [string class], string);
NSLog(@"indexPath - %@, %p", indexPath.class,indexPath);

/********************* 輸出日志 *********************
number ---- __NSCFNumber, 0xb000000000000002
number1 --- __NSCFNumber, 0xb000000000000012
number2 --- __NSCFNumber, 0xb000000000000022
number3 --- __NSCFNumber, 0x600003b791c0
NSString -- NSTaggedPointerString, 0xa000000000000611
indexPath - NSIndexPath, 0xc000000000000016
 */

分析日志：

1. NSNumber 存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不大時(shí)赖淤，NSNumber *指針是偽指針Tagged Pointer；
2. NSNumber存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)很大時(shí)谅河，NSNumber * 指針一般指針咱旱，指向NSNumber 實(shí)例的地址，如 number3绷耍；
3. NSTaggedPointerString 經(jīng)常遇見吐限，它就是Tagged Pointer對(duì)象；
   對(duì)于Tagged Pointer褂始，是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的诸典，無需開發(fā)者操心！但是作為開發(fā)者崎苗，也要知道 NSTaggedPointerString 等是什么東西狐粱！

objc_objcet 對(duì)象中 isa 指針分為指針型 isa 與非指針型isa(NONPOINTER_ISA)，運(yùn)用的便是類似這種技術(shù)益缠。下面詳細(xì)解讀一下NONPOINTER_ISA：

在一個(gè)64位的指針內(nèi)存中

• 第0位存儲(chǔ)的是indexed標(biāo)識(shí)符脑奠，它代表一個(gè)指針是否為NONPOINTER型，0代表不是幅慌，1代表是宋欺。
• 第1位 has_assoc，顧名思義胰伍，1代表其指向的實(shí)例變量含有關(guān)聯(lián)對(duì)象齿诞，0則為否。
• 第2位為 has_cxx_dtor骂租，表明該對(duì)象是否包含 C++相關(guān)的內(nèi)容或者該對(duì)象是否使用 ARC 來管理內(nèi)存祷杈，如果含有 C++ 相關(guān)內(nèi)容或者使用了 ARC 來管理對(duì)象，這一塊都表示為 YES渗饮，
• 第3-35位 shiftcls存儲(chǔ)的就是這個(gè)指針的地址但汞。
• 第42位為 weakly_referenced，表明該指針對(duì)象是否有弱引用的指針指向互站。
• 第43位為 deallocing私蕾，表明該對(duì)象是否正在被回收。
• 第44位為 has_sidetable_rc胡桃，顧名思義踩叭，該指針是否引用了 sidetable 散列表。第
• 45-63位 extra_rc 裝的就是這個(gè)實(shí)例變量的引用計(jì)數(shù)，當(dāng)對(duì)象被引用時(shí)容贝，其引用計(jì)數(shù)+1自脯，但少量的引用計(jì)數(shù)是不會(huì)直接存放在 sideTables 表中的，對(duì)象的引用計(jì)數(shù)會(huì)先存在 NONPOINTER_ISA 的指針中的45-63位斤富，當(dāng)其被存滿后膏潮，才會(huì)相應(yīng)存入 sideTables 散列表中。

4. 散列表(sideTables)

散列表在系統(tǒng)中的體現(xiàn)是一個(gè) sideTables的哈希映射表满力，其中所有對(duì)象的引用計(jì)數(shù)（除上述存在 NONPOINTER_ISA 中的外）都存在這個(gè) sideTables 散列表中戏罢，而一個(gè)散列表中又包含眾多 sideTable 結(jié)構(gòu)體。每個(gè) SideTable 中又包含了三個(gè)元素脚囊，spinlock_t 自旋鎖，RefcountMap 引用計(jì)數(shù)表桐磁，weak_table_t 弱引用表悔耘。
它使用對(duì)象的內(nèi)存地址當(dāng)它的 key。管理引用計(jì)數(shù)和 weak 指針就靠它了我擂。

大神手繪

既然 SideTables 是一個(gè)哈希映射的表衬以，為什么不用 SideTables 直接包含自旋鎖，引用技術(shù)表和弱引用表呢校摩？因?yàn)樵诒姸嗑€程同時(shí)訪問這個(gè) SideTables 表的時(shí)候看峻，為了保證數(shù)據(jù)安全，需要給其加上自旋鎖衙吩，如果只有一張 SideTable 的表互妓，那么所有數(shù)據(jù)訪問都會(huì)出一個(gè)進(jìn)一個(gè)，單線程進(jìn)行坤塞，非常影響效率冯勉，而且會(huì)帶來不好的用戶體驗(yàn)，針對(duì)這種情況摹芙，將一張 SideTables 分為多張表的 SideTable灼狰，再各自加鎖保證數(shù)據(jù)的安全，這樣就增加了并發(fā)量浮禾，提高了數(shù)據(jù)訪問的效率交胚，所以這就是一張 SideTables 表下涵蓋眾多 SideTable 表的原因。
因?yàn)槭鞘褂脤?duì)象的內(nèi)存地址當(dāng) key 所以 Hash 的分部也很平均盈电。假設(shè) Hash 表有n個(gè)元素蝴簇，則可以將 Hash 的沖突減少到n分之一，支持n路的并發(fā)寫操作挣轨。

自旋鎖

自旋鎖比較適用于鎖使用者保持鎖時(shí)間比較短的情況军熏。正是由于自旋鎖使用者一般保持鎖時(shí)間非常短，因此選擇自旋而不是睡眠是非常必要的卷扮，自旋鎖的效率遠(yuǎn)高于互斥鎖荡澎。信號(hào)量和讀寫信號(hào)量適合于保持時(shí)間較長(zhǎng)的情況均践，它們會(huì)導(dǎo)致調(diào)用者睡眠，因此只能在進(jìn)程上下文使用摩幔，而自旋鎖適合于保持時(shí)間非常短的情況彤委，它可以在任何上下文使用。

對(duì)于引用計(jì)數(shù)的操作其實(shí)是非郴蚝猓快的焦影。所以選擇了雖然不是那么高級(jí)但是確實(shí)效率高的自旋鎖

引用計(jì)數(shù)器(RefcountMap)

對(duì)象具體的引用計(jì)數(shù)數(shù)量是記錄在這里的。
????這里注意RefcountMap其實(shí)是個(gè)C++的Map封断。為什么Hash以后還需要個(gè)Map斯辰？其實(shí)蘋果采用的是分塊化的方法。
????舉個(gè)例子
????假設(shè)現(xiàn)在內(nèi)存中有16個(gè)對(duì)象坡疼。
0x0000彬呻、0x0001、...... 0x000e柄瑰、0x000f
????咱們創(chuàng)建一個(gè)SideTables[8]來存放這16個(gè)對(duì)象闸氮，那么查找的時(shí)候發(fā)生Hash沖突的概率就是八分之一。
????假設(shè)SideTables[0x0000]和SideTables[0x0x000f]沖突,映射到相同的結(jié)果教沾。

SideTables[0x0000] == SideTables[0x0x000f]  ==> 都指向同一個(gè)SideTable

蘋果把兩個(gè)對(duì)象的內(nèi)存管理都放到里同一個(gè)SideTable中蒲跨。你在這個(gè)SideTable中需要再次調(diào)用table.refcnts.find(0x0000)或者table.refcnts.find(0x000f)來找到他們真正的引用計(jì)數(shù)器。
????這里是一個(gè)分流授翻。內(nèi)存中對(duì)象的數(shù)量實(shí)在是太龐大了我們通過第一個(gè)Hash表只是過濾了第一次或悲，然后我們還需要再通過這個(gè)Map才能精確的定位到我們要找的對(duì)象的引用計(jì)數(shù)器死陆。
引用計(jì)數(shù)器的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如下

大神手繪

維護(hù)weak指針的結(jié)構(gòu)體(weak_table_t)

大神手繪

• referent: 被指對(duì)象的地址豁鲤。前面循環(huán)遍歷查找的時(shí)候就是判斷目標(biāo)地址是否和他相等茎杂。
• referrers 可變數(shù)組,里面保存著所有指向這個(gè)對(duì)象的弱引用的地址兜材。當(dāng)這個(gè)對(duì)象被釋放的時(shí)候理澎，referrers里的所有指針都會(huì)被設(shè)置成 nil。
• inline_referrers 只有4個(gè)元素的數(shù)組曙寡，默認(rèn)情況下用它來存儲(chǔ)弱引用的指針糠爬。當(dāng)大于4個(gè)的時(shí)候使用 referrers 來存儲(chǔ)指針。

第二個(gè)元素 num_entries 是用來維護(hù)保證數(shù)組始終有一個(gè)合適的 size举庶。比如數(shù)組中元素的數(shù)量超過3/4的時(shí)候?qū)?shù)組的大小乘以2执隧。