iOS內(nèi)存管理

<h5>iOS內(nèi)存分區(qū)</h5>
<ul>
<li>棧區(qū)，內(nèi)存管理由系統(tǒng)負責(zé)，一個線程對應(yīng)一個棧區(qū)，服從先進后出原則
</li>
<li>堆區(qū)，內(nèi)存管理由程序員負責(zé)，一個應(yīng)用程序?qū)?yīng)一個堆區(qū)，作為全局資源在整個程序中共享</li>
<li>全局區(qū)/靜態(tài)區(qū)，包括兩個部分，未初始化過、初始化過；也就是說，(全局區(qū)/靜態(tài)區(qū))在內(nèi)存中是放在一起的初始化的全局變量和靜態(tài)變量放在一塊區(qū)域，未初始化的全局、靜態(tài)變量放在另一塊區(qū)域；eg：int a，未初始化的；int a＝10，初始化的</li>
<li>常量區(qū)，用于存儲常量字符串</li>
<li>代碼區(qū)，存放App二進制代碼</li>
</ul>
<h5>堆棧的簡化模型</h5>

stack.gif

<h5>堆與棧的比較</h5>
每個線程對應(yīng)一個棧區(qū)，但是整個應(yīng)用對應(yīng)一個堆區(qū)，

生命周期

棧，與線程綁定，線程創(chuàng)建時分配，線程結(jié)束時回收
堆，應(yīng)用啟動時分配，應(yīng)用退出時回收

所占內(nèi)存空間大小

棧的內(nèi)存大小在線程創(chuàng)建時確定；堆的內(nèi)存大小在應(yīng)用程序啟動時確定，但是可以根據(jù)需求增長

性能

棧的內(nèi)存塊通過棧頂指針移動（或數(shù)值改變）來進行分配和回收，同一塊內(nèi)存的重復(fù)使用率極高，故而棧的創(chuàng)建速度遠高于堆；另外，堆作為全局資源需要考慮多線程安全的問題，堆內(nèi)存的分配與銷毀需要與多個heap access同步

對象的創(chuàng)建

棧對象的創(chuàng)建，只要棧的剩余空間大于棧對象申請的空間，操作系統(tǒng)將為程序提供這段空間，否則報棧溢出異常；堆對象的創(chuàng)建，操作系統(tǒng)有一個用于記錄空閑內(nèi)存地址的鏈表，當(dāng)收到程序的申請時，會遍歷鏈表，尋找一個空間大于所申請的堆對象的節(jié)點，然后將此節(jié)點從空閑鏈表中刪除，并將空間分配給程序。

對象的存儲

int、float、struct等基本數(shù)據(jù)類型（值類型）存儲在棧中，依次緊密排列，占用一塊連續(xù)的內(nèi)存空間；繼承自NSObject的所有OC對象（引用類型）存儲在堆中，對象和對象之間留有不確定大小的空白，因此會產(chǎn)生很多內(nèi)存碎片

內(nèi)存管理

棧區(qū)是線程的暫存空間，函數(shù)調(diào)用時，一個內(nèi)存塊會被壓入棧頂，用于存儲局部變量和一些bookkeeping data（參數(shù)？）；函數(shù)返回時，內(nèi)存塊被回收，等待下一次的函數(shù)調(diào)用；堆區(qū)用于動態(tài)內(nèi)存分配，不存在嚴格的內(nèi)存塊分配與回收機制，內(nèi)存的分配或者回收可以發(fā)生在任意時刻
故而我們常說棧的內(nèi)存分配由系統(tǒng)負責(zé)，堆的內(nèi)存分配由程序猿來管理

為什么Objective-C對象要放在堆中？

有一些博客為了引導(dǎo)讀者更好地理解棧與堆的相互關(guān)系，會有如下寫法：棧存儲局部變量，堆用于存儲全局變量；這其實是一種錯誤的說法，所有的Objective-C對象都存儲在堆中，但是我們不能直接訪問這些變量，而是通過存儲在棧中的指針變量訪問它們
下圖可以幫助你很好的理解棧和堆的關(guān)系

demostration.png

為什么要這么存儲呢？因為棧遵循先進后出的原則，當(dāng)存入數(shù)據(jù)量過大時，存入棧會明顯的降低性能；因此將大量的數(shù)據(jù)放入堆中，然后在棧中存放堆的地址，當(dāng)須要調(diào)用數(shù)據(jù)時，可以快速地通過棧內(nèi)的地址找到堆中的數(shù)據(jù)

MRR&ARC

部分博客將MRR叫做MRC(Manual Reference Count)，我在此處采用蘋果官方的開發(fā)者文檔的說法——MRR(Manual Retain Relase)；其實兩種說法都可以體現(xiàn)內(nèi)存管理的實質(zhì)。
Objective-C采用引用計數(shù)(Reference Counting)管理對象的生命周期，當(dāng)對象被持有時，它的引用計數(shù)加1；當(dāng)持有者不再持有這個對象時，引用計數(shù)減1；對象的引用計數(shù)為0時，意味著它可以被銷毀，過程如圖：

reference-counting.png

上文中采用較為書面化的“持有”一詞可能會讓讀者有些困惑，對象的持有在MRR和ARC中有不同的表述方法，筆者認為MRR更有助于理解內(nèi)存管理的實質(zhì)，所以在下文中重點介紹MRR。
NSObject Protocol中定義了一系列方法，來幫助程序猿手動管理Objective-C對象的引用計數(shù)：

<p>??alloc??創(chuàng)建一個新對象，引用計數(shù)為1
</p>
<p>??retain??持有該對象，引用計數(shù)為加1
</p>
<p>??copy??復(fù)制當(dāng)前對象，新對象的引用計數(shù)為1
</p>
<p>??release??放棄持有，對象的引用計數(shù)減1
</p>
<p>??autorelease??放棄持有，但是延遲對象的銷毀
</p>
在前文可以看到，我們通過棧中指向?qū)ο蟮刂返闹羔樧兞縼碓L問存儲在堆中的Objective-C對象；而棧區(qū)的數(shù)據(jù)具有一定的生命周期，當(dāng)函數(shù)返回時，函數(shù)中定義的所有局部變量(local variable)和形參都會被銷毀；這意味著，如果我們沒在函數(shù)結(jié)束之前release這些指針變量指向的對象的話，存放在堆中的對象將永遠不會銷毀，而且我們不知道怎么訪問這些不會被銷毀的對象，因為存放其地址的指針已經(jīng)被銷毀掉了。
不再適用的對象未被釋放，即是內(nèi)存泄漏；小的內(nèi)存泄漏可能影響不大，但是隨著內(nèi)存占用的增加，你的程序最終會崩潰。
所以在MRR時代，程序員們這樣寫代碼：

// main.m
#import <Foundation/Foundation.h>

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSMutableArray *array = [[NSMutableArray alloc] init];
        [array addObject:@"Jimmy C"];
        NSLog(@"%@", array);
        [array release];
    }  
    return 0;
}

alloc方法在創(chuàng)建array對象的同時，使其引用計數(shù)為1；由于此段代碼中局部變量array是指向array對象的唯一指針，所以我們必須在函數(shù)返回之前將其釋放。
那么問題來了，實例變量應(yīng)該在什么時候釋放呢？以下代碼中，ViewController類定義了一個實例變量_array


// ViewController.m
#import "ViewController.h"

@implementation ViewController {
    NSMutableArray *_array;
}
//省略代碼
@end

（類中的property本質(zhì)是對實例變量的封裝，在此我們不將其單獨拿出來討論）
類被創(chuàng)建以后，實質(zhì)上是一個OC對象，當(dāng)這個對象即將被銷毀時，runtime會調(diào)用NSObject中定義的dealloc方法。
如果ViewController對象被銷毀，則其實例變量_array也一并被銷毀，這樣_array指向的對象則永遠不可能被釋放；所以程序員們需要重寫dealloc方法，釋放成員變量：

// ViewController.m
- (void)dealloc {
    [_array release];
    [super dealloc];
}

了解了這些，我們似乎就可以用alloc、retain和release方法對實例變量和成員變量進行內(nèi)存管理了呢
......
當(dāng)然不可以

Autorelease對象什么時候釋放？

有些方法需要返回對象，故而不能使用release直接釋放對象，而是用autorelease延遲對象的釋放。

// CarStore.m
+ (CarStore *)carStore {
    CarStore *newStore = [[CarStore alloc] init];
    return [newStore autorelease];
}

autorelease對象什么時候釋放呢？它在最近的@autoreleasepool{}結(jié)束時釋放。

AutoreleasePool

AutoreleasePool是幫助管理內(nèi)存對象的好伙伴，它實質(zhì)上是一個由AutoreleasePoolPage對象連接而成的雙向鏈表，每個Page對象會開辟4096字節(jié)內(nèi)存，除了存儲對象的成員變量，剩余的空間全部用來存儲Autorelease對象的地址。
我們通過@autoreleasepool{}來使用AutoreleasePool，編譯器將會把它改寫成下面的樣子：

void *context = objc_autoreleasePoolPush();
// {}中的代碼
objc_autoreleasePoolPop(context);

objc_autoreleasePoolPush()的作用是向當(dāng)前的AutoreleasePoolPage對象add進一個哨兵對象(POOL_SENTINEL)，值為nil；該哨兵對象傳入objc_autoreleasePoolPop方法時，會向AutoreleasePool中的每個autorelease對象發(fā)送release消息，直到遇到第一個哨兵；過程如下圖：

pop_release.png

如圖所示，@autoreleasepool{}是可以嵌套使用的。

整個iOS應(yīng)用都是包含在一個自動釋放池中的，如果你打開項目的main.m文件，會看到如下代碼：

int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));
    }
}

main.m是整個應(yīng)用程序的入口，@autoreleasepool只包含了一行代碼，這行代碼將所有的事件、消息全部交給了UIApplication來處理。
當(dāng)然，僅僅使用一層autoreleasepool是遠遠達不到優(yōu)化內(nèi)存管理的目的的，事實上，系統(tǒng)在每個RunLoop迭代中都加入了自動釋放池push和pop。

AutoreleasePool與runloop

RunLoop是OS X/iOS中用于實現(xiàn)EventLoop的機制，一般來講，線程一次只能執(zhí)行一個任務(wù)，執(zhí)行完成后線程就退出；而RunLoop提供的函數(shù)入口能夠使線程始終處于函數(shù)內(nèi)部的“接受消息－等待－處理”的循環(huán)當(dāng)中。
RunLoop被用于實現(xiàn)事件響應(yīng)、手勢識別、界面更新等功能；主線程的RunLoop在所有回調(diào)之前調(diào)用_objc_autoreleasePoolPush(),在所有回調(diào)之后調(diào)用_objc_autoreleasePoolPop()釋放自動池。
由此可見，AutoreleasePool通過多層嵌套的方式遍布整個應(yīng)用；故而在不特意寫@autoreleasepool{}的情況下，我們也會說Autorelease對象是在當(dāng)前的RunLoop迭代結(jié)束后釋放的。
RunLoop和autoreleasepool都與線程一一對應(yīng)。
RunLoop在AFNetworking中的實際應(yīng)用，為了能在后臺接受NSURLConnection的回調(diào)，AFNetworking單獨創(chuàng)建了一個線程，并在這個線程啟動了一個RunLoop，看源碼可知RunLoop的啟動代碼被放在@autoreleasepool{}中：

+ (void)networkRequestThreadEntryPoint:(id)__unused object {
    @autoreleasepool {
        [[NSThread currentThread] setName:@"AFNetworking"];
        NSRunLoop *runLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];
        [runLoop addPort:[NSMachPort port] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
        [runLoop run];
    }
}
 
+ (NSThread *)networkRequestThread {
    static NSThread *_networkRequestThread = nil;
    static dispatch_once_t oncePredicate;
    dispatch_once(&oncePredicate, ^{
        _networkRequestThread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(networkRequestThreadEntryPoint:) object:nil];
        [_networkRequestThread start];
    });
    return _networkRequestThread;
}

ARC(Automatic Reference Counting)
理解了MRR后，ARC就變得相當(dāng)簡單了；ARC所做的事情是在編譯階段在合適的地方插入retain、release和autorelease，其具體的使用也有很多有趣的地方，讀者可以前往唐巧的博客<a >理解iOS的內(nèi)存管理</a>一文閱讀學(xué)習(xí)。

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