內存管理

CADisplayLink、NSTimer使用注意

@property (strong, nonatomic) CADisplayLink *link;
@property (strong, nonatomic) NSTimer *timer;

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    // 保證調用頻率和屏幕的刷幀頻率一致，60FPS
    self.link = [CADisplayLink displayLinkWithTarget:self selector:@selector(linkTest)];
    [self.link addToRunLoop:[NSRunLoop mainRunLoop] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
    
    self.timer = [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:1.0 target:self  selector:@selector(timerTest) userInfo:nil repeats:YES];
}

- (void)timerTest
{
    NSLog(@"%s", __func__);
}

- (void)linkTest
{
    NSLog(@"%s", __func__);
}

- (void)dealloc
{
    NSLog(@"%s", __func__);
    [self.link invalidate];
    [self.timer invalidate];
}

CADisplayLink、NSTimer會對target產生強引用，如果target又對它們產生強引用，那么就會引發循環引用, dealloc方法并不會走

解決方案：
Timer用block方案

__weak typeof(self) weakSelf = self;
self.timer = [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:1.0 repeats:YES block:^(NSTimer * _Nonnull timer) {
      [weakSelf timerTest];
}];

timer對block強引用，block對self弱引用

使用代理對象（NSProxy）

self.timer = [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:1.0 target:[NJFProxy proxyWithTarget:self] selector:@selector(timerTest) userInfo:nil repeats:YES];

@interface NJFProxy : NSProxy
+ (instancetype)proxyWithTarget:(id)target;
@property (weak, nonatomic) id target;
@end

@implementation NJFProxy

+ (instancetype)proxyWithTarget:(id)target
{
    // NSProxy對象不需要調用init，因為它本來就沒有init方法
    NJFProxy *proxy = [NJFProxy alloc];
    proxy.target = target;
    return proxy;
}

- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)sel
{
    return [self.target methodSignatureForSelector:sel];
}

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)invocation
{
    [invocation invokeWithTarget:self.target];
}
@end

GCD定時器

NSTimer依賴于RunLoop，如果RunLoop的任務過于繁重，可能會導致NSTimer不準時
GCD定時器不受RunLoop約束

@interface NJFTimer : NSObject

+ (NSString *)execTask:(void(^)(void))task
           start:(NSTimeInterval)start
        interval:(NSTimeInterval)interval
         repeats:(BOOL)repeats
           async:(BOOL)async;

+ (NSString *)execTask:(id)target
              selector:(SEL)selector
                 start:(NSTimeInterval)start
              interval:(NSTimeInterval)interval
               repeats:(BOOL)repeats
                 async:(BOOL)async;

+ (void)cancelTask:(NSString *)name;

@end

@implementation NJFTimer

static NSMutableDictionary *timers_;
dispatch_semaphore_t semaphore_;

+ (void)initialize
{
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        timers_ = [NSMutableDictionary dictionary];
        semaphore_ = dispatch_semaphore_create(1);
    });
}

+ (NSString *)execTask:(void (^)(void))task start:(NSTimeInterval)start interval:(NSTimeInterval)interval repeats:(BOOL)repeats async:(BOOL)async
{
    if (!task || start < 0 || (interval <= 0 && repeats)) return nil;
    // 隊列
    dispatch_queue_t queue = async ? dispatch_get_global_queue(0, 0) : dispatch_get_main_queue();
    // 創建定時器
    dispatch_source_t timer = dispatch_source_create(DISPATCH_SOURCE_TYPE_TIMER, 0, 0, queue);
    // 設置時間
    dispatch_source_set_timer(timer,
                              dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, start * NSEC_PER_SEC),
                              interval * NSEC_PER_SEC, 0);
    dispatch_semaphore_wait(semaphore_, DISPATCH_TIME_FOREVER);
    // 定時器的唯一標識
    NSString *name = [NSString stringWithFormat:@"%zd", timers_.count];
    // 存放到字典中
    timers_[name] = timer;
    dispatch_semaphore_signal(semaphore_);
    // 設置回調
    dispatch_source_set_event_handler(timer, ^{
        task();
        if (!repeats) { // 不重復的任務
            [self cancelTask:name];
        }
    });
    // 啟動定時器
    dispatch_resume(timer);
    return name;
}

+ (NSString *)execTask:(id)target selector:(SEL)selector start:(NSTimeInterval)start interval:(NSTimeInterval)interval repeats:(BOOL)repeats async:(BOOL)async
{
    if (!target || !selector) return nil;
    return [self execTask:^{
        if ([target respondsToSelector:selector]) {
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Warc-performSelector-leaks"
            [target performSelector:selector];
#pragma clang diagnostic pop
        }
    } start:start interval:interval repeats:repeats async:async];
}

+ (void)cancelTask:(NSString *)name
{
    if (name.length == 0) return;
    
    dispatch_semaphore_wait(semaphore_, DISPATCH_TIME_FOREVER);
    dispatch_source_t timer = timers_[name];
    if (timer) {
        dispatch_source_cancel(timer);
        [timers_ removeObjectForKey:name];
    }
    dispatch_semaphore_signal(semaphore_);
}

@end

iOS程序的內存布局

  • 代碼段：編譯之后的代碼

  • 數據段
    字符串常量：比如NSString *str = @"123"
    已初始化數據：已初始化的全局變量、靜態變量等
    未初始化數據：未初始化的全局變量、靜態變量等

  • 棧：函數調用開銷，比如局部變量,分配的內存空間地址越來越小

  • 堆：通過alloc、malloc、calloc等動態分配的空間，分配的內存空間地址越來越大

Tagged Pointer

  • 從64bit開始，iOS引入了Tagged Pointer技術，用于優化NSNumber、NSDate、NSString等小對象的存儲

  • 在沒有使用Tagged Pointer之前， NSNumber等對象需要動態分配內存、維護引用計數等，NSNumber指針存儲的是堆中NSNumber對象的地址值

  • 使用Tagged Pointer之后，NSNumber指針里面存儲的數據變成了：Tag + Data，也就是將數據直接存儲在了指針中

  • 當指針不夠存儲數據時，才會使用動態分配內存的方式來存儲數據

  • objc_msgSend能識別Tagged Pointer，比如NSNumber的intValue方法，直接從指針提取數據，節省了以前的調用開銷

如何判斷一個指針是否為Tagged Pointer？

static inline bool 
_objc_isTaggedPointer(const void * _Nullable ptr)
{
    return ((uintptr_t)ptr & _OBJC_TAG_MASK) == _OBJC_TAG_MASK;
}

#if (TARGET_OS_OSX || TARGET_OS_IOSMAC) && __x86_64__
    // 64-bit Mac - tag bit is LSB
#   define OBJC_MSB_TAGGED_POINTERS 0
#else
    // Everything else - tag bit is MSB
#   define OBJC_MSB_TAGGED_POINTERS 1
#endif

#if OBJC_MSB_TAGGED_POINTERS
如果是iOS平臺, 最高有效位是1（第64bit, 使用高位優先規則 MSB)
#   define _OBJC_TAG_MASK (1UL<<63)
#else
如果是mac平臺, 最低有效位是1(低位優先規則 LSB)
#   define _OBJC_TAG_MASK 1UL
#endif

面試題

思考以下2段代碼能發生什么事？有什么區別？

dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);
   for (int i = 0; i < 1000; i++) {
       dispatch_async(queue, ^{
           // 加鎖
           self.name = [NSString stringWithFormat:@"abcdefghijk"];
           // 解鎖
       });
}
    
dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
       dispatch_async(queue, ^{
           self.name = [NSString stringWithFormat:@"abc"];
      });
 }

先看如下代碼執行結果(ios項目)

NSString *str1 = [NSString stringWithFormat:@"abcdefghijk"];
NSString *str2 = [NSString stringWithFormat:@"abc"];
NSLog(@"%@ %@", [str1 class], [str2 class]);
NSLog(@"%p %p", str1,str2);

__NSCFString NSTaggedPointerString
0x28129d540 0xf5ad71b08c1d52a1

str1內存地址很明顯不夠64位，高位補0 & 1 = 0，最高位不是1，所以不是Tagged Pointer，是OC對象
str2內存地址從右往左，第16位是f, 換算成二進制就是0b1111,最高位1 & 1 = 1，所以是Tagged Pointer，不是OC對象

self.name會調用如下代碼，由于是異步全局并發隊列，所以會有多條線程執行release操作，會造成EXC_BAD_ACCESS，壞內存訪問

- (void)setName:(NSString *)name
{
    if (_name != name) {
        [_name release];
        _name = [name retain];
    }
}

OC對象的內存管理

  • 在iOS中，使用引用計數來管理OC對象的內存

  • 一個新創建的OC對象引用計數默認是1，當引用計數減為0，OC對象就會銷毀，釋放其占用的內存空間

  • 調用retain會讓OC對象的引用計數+1，調用release會讓OC對象的引用計數-1

  • 內存管理的經驗總結
    當調用alloc、new、copy、mutableCopy方法返回了一個對象，在不需要這個對象時，要調用release或者autorelease來釋放它
    想擁有某個對象，就讓它的引用計數+1；不想再擁有某個對象，就讓它的引用計數-1

  • 可以通過以下私有函數來查看自動釋放池的情況

extern void _objc_autoreleasePoolPrint(void);

copy和mutableCopy

1、淺拷貝
淺拷貝就是對內存地址的復制，讓目標對象指針和源對象指向同一片內存空間，當內存銷毀的時候，指向這片內存的幾個指針需要重新定義才可以使用，要不然會成為野指針。

image

淺拷貝就是拷貝指向原來對象的指針，使原對象的引用計數+1，可以理解為創建了一個指向原對象的新指針而已，并沒有創建一個全新的對象
2、深拷貝
深拷貝是指拷貝對象的具體內容，而內存地址是自主分配的，拷貝結束之后，兩個對象雖然存的值是相同的，但是內存地址不一樣，兩個對象也互不影響，互不干涉。

image

深拷貝就是拷貝出和原來僅僅是值一樣，但是內存地址完全不一樣的新的對象，創建后和原對象沒有任何關系

深拷貝就是內容拷貝，淺拷貝就是指針拷貝

No1：可變對象的copy和mutableCopy方法都是深拷貝（區別完全深拷貝與單層深拷貝）
No2：不可變對象的copy方法是淺拷貝，mutableCopy方法是深拷貝。
No3：copy方法返回的對象都是不可變對象。

引用計數的存儲

在64bit中，引用計數可以直接存儲在優化過的isa指針中，也可能存儲在SideTable類中

inline uintptr_t 
objc_object::rootRetainCount()
{
    if (isTaggedPointer()) return (uintptr_t)this;
    sidetable_lock();
    isa_t bits = LoadExclusive(&isa.bits);
    ClearExclusive(&isa.bits);
    if (bits.nonpointer) {//優化過的isa
        uintptr_t rc = 1 + bits.extra_rc;
        if (bits.has_sidetable_rc) {//引用計數不是儲存在isa中，而是儲存在sidetable中
            rc += sidetable_getExtraRC_nolock();
        }
        sidetable_unlock();
        return rc;
    }
    sidetable_unlock();
    return sidetable_retainCount();
}


struct SideTable {
    spinlock_t slock;
*******************************
refcnts是一個存放著對象引用計數的散列表
*******************************
    RefcountMap refcnts;
*************************************
弱引用表，當前對象的內存地址作為key，指向該對象的弱引用指針作為value
*************************************
    weak_table_t weak_table;
....
};

dealloc

當一個對象要釋放時，會自動調用dealloc

- (void)dealloc {
    _objc_rootDealloc(self);
}

inline void
objc_object::rootDealloc()
{
    if (isTaggedPointer()) return;  // fixme necessary?
    if (fastpath(isa.nonpointer  &&  
                 !isa.weakly_referenced  &&  
                 !isa.has_assoc  &&  
                 !isa.has_cxx_dtor  &&  
                 !isa.has_sidetable_rc))
    {
        assert(!sidetable_present());
        free(this);
    } 
    else {
        object_dispose((id)this);
    }
}

id 
object_dispose(id obj)
{
    if (!obj) return nil;
    objc_destructInstance(obj);    
    free(obj);
    return nil;
}

void *objc_destructInstance(id obj) 
{
    if (obj) {
        // Read all of the flags at once for performance.
        bool cxx = obj->hasCxxDtor();
        bool assoc = obj->hasAssociatedObjects();
        // This order is important.
        if (cxx) object_cxxDestruct(obj);//清除成員變量
        if (assoc) _object_remove_assocations(obj);//清除關聯對象
*************************************
將指向當前的對象的弱指針置為nil
*************************************
        obj->clearDeallocating();
    }
    return obj;
}

inline void 
objc_object::clearDeallocating()
{
    if (slowpath(!isa.nonpointer)) {
        // Slow path for raw pointer isa.
        sidetable_clearDeallocating();
    }
    else if (slowpath(isa.weakly_referenced  ||  isa.has_sidetable_rc)) {
        // Slow path for non-pointer isa with weak refs and/or side table data.
        clearDeallocating_slow();
    }
    assert(!sidetable_present());
}
......

自動釋放池

自動釋放池的主要底層數據結構是：__AtAutoreleasePool、AutoreleasePoolPage
調用了autorelease的對象最終都是通過AutoreleasePoolPage對象來管理的
源碼分析

@autoreleasepool { }

轉為C++底層源碼

__AtAutoreleasePool __autoreleasepool

聲明了一個__AtAutoreleasePool類型的局部變量

struct __AtAutoreleasePool {
  __AtAutoreleasePool() {//構造函數，在創建結構體的時候調用
atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();
}
  ~__AtAutoreleasePool() {//// 析構函數，在結構體銷毀的時候調用
objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);
}
  void * atautoreleasepoolobj;
};

源碼https://opensource.apple.com/tarballs/objc4/

void *
objc_autoreleasePoolPush(void)
{
    return AutoreleasePoolPage::push();
}

void
objc_autoreleasePoolPop(void *ctxt)
{
    AutoreleasePoolPage::pop(ctxt);
}

static inline void *push() 
{
     id *dest;
    //判斷是否是debug 環境
     if (slowpath(DebugPoolAllocation)) {
          // Each autorelease pool starts on a new pool page.
          dest = autoreleaseNewPage(POOL_BOUNDARY);
      } else {
          dest = autoreleaseFast(POOL_BOUNDARY);
      }
      ASSERT(dest == EMPTY_POOL_PLACEHOLDER || *dest == POOL_BOUNDARY);
      return dest;
}

AutoreleasePoolPage的結構

class AutoreleasePoolPage : private AutoreleasePoolPageData{
}

struct AutoreleasePoolPageData
{
    magic_t const magic;     16      檢查結構體完整性
    __unsafe_unretained id *next;    8 next指針，指向最新添加的 autoreleased 對象的下個位置
    pthread_t const thread;   8  指向當前線程  用來取出自動釋放池
    AutoreleasePoolPage * const parent;   8 指向父結點，第一個結點的 parent 值為nil
    AutoreleasePoolPage *child;    8  指向子結點，最后一個結點的 child 值為nil
    uint32_t const depth;  4  深度 鏈表鏈層的深度 從0開始，往后遞增1
    uint32_t hiwat;   4 最大入棧數量
.....
};   56個字節
  • 每個AutoreleasePoolPage對象占用4096字節內存，除了用來存放它內部的成員變量，剩下的空間用來存放autorelease對象的地址
  • 所有的AutoreleasePoolPage對象通過雙向鏈表的形式連接在一起
  • 調用push方法會將一個POOL_BOUNDARY入棧，并且返回其存放的內存地址
  • 調用pop方法時傳入一個POOL_BOUNDARY的內存地址，會從最后一個入棧的對象開始發送release消息，直到遇到這個POOL_BOUNDARY

POOL_BOUNDARY 邊界（哨兵對象），每創建一個@autoreleasepool { } 就會創建一個POOL_BOUNDARY

示例

extern void _objc_autoreleasePoolPrint(void);

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool { //  r1 = push()
        NSObject *obj1 = [[[NSObject alloc] init] autorelease];
        NSObject *obj2 = [[[NSObject alloc] init] autorelease];
        @autoreleasepool { // r2 = push()
            for (int i = 0; i < 3; i++) {
                NSObject *obj3 = [[[NSObject alloc] init] autorelease];
            }
            @autoreleasepool { // r3 = push()
                NSObject *obj4 = [[[NSObject alloc] init] autorelease];
                _objc_autoreleasePoolPrint();
            } // pop(r3)
        } // pop(r2)
    } // pop(r1)
    return 0;
}

objc[1602]: ##############
objc[1602]: AUTORELEASE POOLS for thread 0x1000d2dc0
objc[1602]: 9 releases pending.
objc[1602]: [0x10100b000]  ................  PAGE  (hot) (cold)
objc[1602]: [0x10100b038]  ################  POOL 0x10100b038
objc[1602]: [0x10100b040]       0x10066e1f0  NSObject
objc[1602]: [0x10100b048]       0x10066d5d0  NSObject
objc[1602]: [0x10100b050]  ################  POOL 0x10100b050
objc[1602]: [0x10100b058]       0x10066d140  NSObject
objc[1602]: [0x10100b060]       0x10066c8d0  NSObject
objc[1602]: [0x10100b068]       0x100666de0  NSObject
objc[1602]: [0x10100b070]  ################  POOL 0x10100b070
objc[1602]: [0x10100b078]       0x100665f50  NSObject
objc[1602]: ##############
Program ended with exit code: 0

每頁AutoreleasePoolPage可以容納(4096 - 56)/8 = 505 個對象，第一頁會加入一個特殊的對象邊界。也就是說第一頁可以加 504個自己的對象，之后的都是505個。

Runloop和Autorelease

MRC環境
iOS在主線程的Runloop中注冊了2個Observer
第1個Observer監聽了kCFRunLoopEntry事件，會調用objc_autoreleasePoolPush()
第2個Observer
監聽了kCFRunLoopBeforeWaiting事件，會調用objc_autoreleasePoolPop()、objc_autoreleasePoolPush()
監聽了kCFRunLoopBeforeExit事件，會調用objc_autoreleasePoolPop()
ARC環境
出了方法后，ARC會對方法里的局部對象調用release，對象會被立即釋放

最后編輯于 ：
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