iOS 進階—— iOS 內存管理 & Block
第一篇 iOS 內存管理
1 似乎每個人在學習 iOS 過程中都考慮過的問題
- alloc retain release delloc 做了什么?
- autoreleasepool 是怎樣實現的?
- __unsafe_unretained 是什么?
- Block 是怎樣實現的
- 什么時候會引起循環引用,什么時候不會引起循環引用?
所以我將在本篇博文中詳細的從 ARC 解釋到 iOS 的內存管理,以及 Block 相關的原理、源碼。
2 從 ARC 說起
說 iOS 的內存管理,就不得不從 ARC(Automatic Reference Counting / 自動引用計數) 說起, ARC 是 WWDC2011 和 iOS5 引入的變化。ARC 是 LLVM 3.0 編譯器的特性,用來自動管理內存。
與 Java 中 GC 不同,ARC 是編譯器特性,而不是基于運行時的,所以 ARC 其實是在編譯階段自動幫開發者插入了管理內存的代碼,而不是實時監控與回收內存。
ARC 的內存管理規則可以簡述為:
- 每個對象都有一個『被引用計數』
- 對象被持有,『被引用計數』+1
- 對象被放棄持有,『被引用計數』-1
- 『引用計數』=0,釋放對象
3 你需要知道
- 包含 NSObject 類的 Foundation 框架并沒有公開
- Core Foundation 框架源代碼,以及通過 NSObject 進行內存管理的部分源代碼是公開的。
- GNUstep 是 Foundation 框架的互換框架
GNUstep 也是 GNU 計劃之一。將 Cocoa Objective-C 軟件庫以自由軟件方式重新實現
某種意義上,GNUstep 和 Foundation 框架的實現是相似的
通過 GNUstep 的源碼來分析 Foundation 的內存管理
4 alloc retain release dealloc 的實現
4.1 GNU – alloc
查看 GNUStep 中的 alloc 函數。
GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m alloc:
+ (id) alloc
{
return [selfallocWithZone: NSDefaultMallocZone()];
}
+ (id)allocWithZone: (NSZone*)z
{
return NSAllocateObject (self, 0, z);
}
GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m NSAllocateObject:
struct obj_layout {
NSUInteger retained;
};
NSAllocateObject(Class aClass, NSUInteger extraBytes, NSZone *zone)
{
int size = 計算容納對象所需內存大小;
id new = NSZoneCalloc(zone, 1, size);
memset (new, 0, size);
new = (id)&((obj)new)[1];
}
NSAllocateObject 函數通過調用 NSZoneCalloc 函數來分配存放對象所需的空間,之后將該內存空間置為 nil,最后返回作為對象而使用的指針。
我們將上面的代碼做簡化整理:
GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m alloc 簡化版本:
struct obj_layout {
NSUInteger retained;
};
+ (id) alloc
{
int size = sizeof(struct obj_layout) + 對象大小;
struct obj_layout*p = (struct obj_layout*)calloc(1, size);
return (id)(p+1)
return [selfallocWithZone: NSDefaultMallocZone()];
}
alloc 類方法用 struct obj_layout 中的 retained 整數來保存引用計數,并將其寫入對象的內存頭部,該對象內存塊全部置為 0 后返回。
一個對象的表示便如下圖:
4.2 GNU – retain
GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m retainCount:
- (NSUInteger) retainCount
{
return NSExtraRefCount(self) + 1;
}
inline NSUInteger
NSExtraRefCount(id anObject)
{
return ((obj_layout)anObject)[-1].retained;
}
GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m retain:
- (id) retain
{
NSIncrementExtraRefCount(self);
return self;
}
inline void
NSIncrementExtraRefCount(id anObject)
{
if (((obj)anObject)[-1].retained == UINT_MAX - 1)
[NSExceptionraise: NSInternalInconsistencyException
format: @"NSIncrementExtraRefCount() askedtoincrementtoofar”];
((obj_layout)anObject)[-1].retained++;
}
以上代碼中, NSIncrementExtraRefCount 方法首先寫入了當 retained 變量超出最大值時發生異常的代碼(因為 retained 是 NSUInteger 變量),然后進行 retain ++ 代碼。
4.3 GNU – release
和 retain 相應的,release 方法做的就是 retain -- 。
GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m release
- (oneway void) release
{
if (NSDecrementExtraRefCountWasZero(self))
{
[self dealloc];
}
}
BOOL
NSDecrementExtraRefCountWasZero(id anObject)
{
if (((obj)anObject)[-1].retained == 0)
{
return YES;
}
((obj)anObject)[-1].retained--;
return NO;
}
4.4 GNU – dealloc
dealloc 將會對對象進行釋放。
GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m dealloc:
- (void) dealloc
{
NSDeallocateObject (self);
}
inline void
NSDeallocateObject(id anObject)
{
obj_layout o = &((obj_layout)anObject)[-1];
free(o);
}
4.5 Apple 實現
在 Xcode 中 設置 Debug -> Debug Workflow -> Always Show Disassenbly 打開。這樣在打斷點后,可以看到更詳細的方法調用。
通過在 NSObject 類的 alloc 等方法上設置斷點追蹤可以看到幾個方法內部分別調用了:
retainCount
__CFdoExternRefOperation
CFBasicHashGetCountOfKey
retain
__CFdoExternRefOperation
CFBasicHashAddValue
release
__CFdoExternRefOperation
CFBasicHashRemoveValue
可以看到他們都調用了一個共同的 __CFdoExternRefOperation 方法。
該方法從前綴可以看到是包含在 Core Foundation,在 CFRuntime.c 中可以找到,做簡化后列出源碼:
CFRuntime.c __CFDoExternRefOperation:
int __CFDoExternRefOperation(uintptr_top, id obj) {
CFBasicHashRef table = 取得對象的散列表(obj);
int count;
switch (op) {
caseOPERATION_retainCount:
count = CFBasicHashGetCountOfKey(table, obj);
return count;
break;
caseOPERATION_retain:
count = CFBasicHashAddValue(table, obj);
return obj;
caseOPERATION_release:
count = CFBasicHashRemoveValue(table, obj);
return 0 == count;
}
}
所以 __CFDoExternRefOperation 是針對不同的操作,進行具體的方法調用,如果 op 是 OPERATION_retain ,就去掉用具體實現 retain 的方法。
從 BasicHash 這樣的方法名可以看出,其實引用計數表就是散列表。
key 為 hash(對象的地址) value 為 引用計數。
下圖是 Apple 和 GNU 的實現對比:
5 autorelease 和 autorelaesepool
在蘋果對于 NSAutoreleasePool 的 文檔 中表示:
每個線程(包括主線程),都維護了一個管理 NSAutoreleasePool 的棧。當創先新的 Pool 時,他們會被添加到棧頂。當 Pool 被銷毀時,他們會被從棧中移除。
autorelease 的對象會被添加到當前線程的棧頂的 Pool 中。當 Pool 被銷毀,其中的對象也會被釋放。
當線程結束時,所有的 Pool 被銷毀釋放。
對 NSAutoreleasePool 類方法和 autorelease 方法打斷點,查看其運行過程,可以看到調用了以下函數:
NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc]init];
// 等同于 objc_autoreleasePoolPush
id obj = [[NSObject alloc]init];
[objautorelease];
// 等同于 objc_autorelease(obj)
[NSAutoreleasePool showPools];
// 查看 NSAutoreleasePool 狀況
[pooldrain];
// 等同于 objc_autoreleasePoolPop(pool)
[NSAutoreleasePool showPools] 可以看到當前線程所有 pool 的情況:
objc[21536]: ##############
objc[21536]: AUTORELEASEPOOLSfor thread 0x10011e3c0
objc[21536]: 2 releasespending.
objc[21536]: [0x101802000] ................ PAGE (hot) (cold)
objc[21536]: [0x101802038] ################ POOL 0x101802038
objc[21536]: [0x101802040] 0x1003062e0 NSObject
objc[21536]: ##############
Programendedwithexitcode: 0
在 objc4 中可以查看到 AutoreleasePoolPage:
objc4/NSObject.mmAutoreleasePoolPage
class AutoreleasePoolPage
{
static inlinevoid *push()
{
生成或者持有 NSAutoreleasePool 類對象
}
static inlinevoid pop(void *token)
{
廢棄 NSAutoreleasePool 類對象
releaseAll();
}
static inlineidautorelease(idobj)
{
相當于 NSAutoreleasePool 類的 addObject 類方法
AutoreleasePoolPage *page = 取得正在使用的 AutoreleasePoolPage 實例;
}
id *add(idobj)
{
將對象追加到內部數組
}
void releaseAll()
{
調用內部數組中對象的 release 方法
}
};
void *
objc_autoreleasePoolPush(void)
{
if (UseGC) return nil;
return AutoreleasePoolPage::push();
}
void
objc_autoreleasePoolPop(void *ctxt)
{
if (UseGC) return;
AutoreleasePoolPage::pop(ctxt);
}
AutoreleasePoolPage 以雙向鏈表的形式組合而成(分別對應結構中的 parent 指針和 child 指針)。
thread 指針指向當前線程。
每個 AutoreleasePoolPage 對象會開辟4096字節內存(也就是虛擬內存一頁的大小),除了上面的實例變量所占空間,剩下的空間全部用來儲存autorelease對象的地址。
next 指針指向下一個 add 進來的 autorelease 的對象即將存放的位置。
一個 Page 的空間被占滿時,會新建一個 AutoreleasePoolPage 對象,連接鏈表。
6 __unsafe_unretained
有時候我們除了 __weak 和 __strong 之外也會用到 __unsafe_unretained 這個修飾符,那么我們對 __unsafe_unretained 了解多少?
__unsafe_unretained 是不安全的所有權修飾符,盡管 ARC 的內存管理是編譯器的工作,但附有 __unsafe_unretained 修飾符的變量不屬于編譯器的內存管理對象。 賦值時即不獲得強引用也不獲得弱引用 。
來運行一段代碼:
id __unsafe_unretainedobj1 = nil;
{
id __strongobj0 = [[NSObject alloc]init];
obj1 = obj0;
NSLog(@"A: %@", obj1);
}
NSLog(@"B: %@", obj1);
運行結果:
2017-01-12 19:24:47.245220 __unsafe_unretained[55726:4408416] A:
2017-01-12 19:24:47.246670 __unsafe_unretained[55726:4408416] B:
Programendedwithexitcode: 0
對代碼進行詳細分析:
id __unsafe_unretainedobj1 = nil;
{
// 自己生成并持有對象
id __strongobj0 = [[NSObject alloc]init];
// 因為 obj0 變量為強引用,
// 所以自己持有對象
obj1 = obj0;
// 雖然 obj0 變量賦值給 obj1
// 但是 obj1 變量既不持有對象的強引用,也不持有對象的弱引用
NSLog(@"A: %@", obj1);
// 輸出 obj1 變量所表示的對象
}
NSLog(@"B: %@", obj1);
// 輸出 obj1 變量所表示的對象
// obj1 變量表示的對象已經被廢棄
// 所以此時獲得的是懸垂指針
// 錯誤訪問
所以,最后的 NSLog 只是碰巧正常運行,如果錯誤訪問,會造成 crash
在使用 __unsafe_unretained 修飾符時,賦值給附有 __strong 修飾符變量時,要確保對象確實存在
第二篇 Block
花幾分鐘時間看下面三個小題目,寫下你的答案。
這個三個小題目,我在整理此片博文之前給了三位朋友去解答,最后的結果,除了一位朋友 3 題全部正確,其他兩個朋友均只答中 1 題。
說明還是有很多 iOS 的朋友對于 Block 并沒有透徹理解。本篇博文會對 Block 進行詳細的解說。
1 Block 使用的簡單規則
先了解簡單規則,再去分析原理和實現:
Block 中,Block 表達式截獲 所使用的自動變量的值,即保存該自動變量的 瞬間值 。
修飾為 __block 的變量,在捕獲時,獲取的 不再是瞬間值 。
至于 Why,后面將會繼續說。
2 Block 的實現
Block 是帶有自動變量(局部變量)的匿名函數。
Block 表達式很簡單,總體可以描述為:『 ^ 返回值類型 參數列表 表達式 』。
但是 Block 并不是 Objective-C 中才有的語法,這是怎么一回事?
clang 編譯器提供給程序員了解 Objective-C 背后機制的方法,通過 clang 的轉換可以看到 Block 的實現原理。
通過 clang -rewrite-objc yourfile.m clang 將會把 Objective-C 的代碼轉換成 C 語言的代碼。
2.1 Block 基本實現剖析
用 Xcode 創建 Command Line 項目,寫如下代碼:
int main(int argc, const char * argv[]) {
void (^blk)(void) = ^{NSLog(@"Block")};
blk();
return 0;
}
用 clang 轉換:
以上是轉換后的代碼,不要方,一段一段看。
可以看到,Block 內部的內容, 被轉換成了一個普通的靜態函數 __main_func_0 。
再看其他部分:
main.cpp __block_impl:
struct __block_impl {
void *isa;
int Flags;
int Reserved;
void *FuncPtr;
};
__block_impl 結構體包括了一些標志、今后版本升級 預留的變量 、 函數指針 。
main.cpp __main_block_desc_0:
static struct __main_block_desc_0 {
size_treserved;
size_tBlock_size;
} __main_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __main_block_impl_0)};
__main_block_desc_0 結構體包括了今后版本升級預留的變量、block 大小。
main.cpp __main_block_impl_0:
__main_block_impl_0 結構體含有兩個成員變量,分別是 __block_impl 和 __main_block_desc_0 實例變量。
此外,還含有一個構造方法。該構造方法在 main 函數中被如下調用:
main.cpp __main_block_impl_0 構造函數的調用:
void (*blk)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0,
&__main_block_desc_0_DATA));
去掉各種強制轉換,做簡化:
main.cpp __main_block_impl_0 構造函數的調用 簡化:
struct __main_block_impl_0tmp = __main_block_impl_0(__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA);
struct __main_block_impl_0*blk = &tmp;
以上代碼即:將 __main_block_impl_0 結構體實例的指針,賦值給 __main_block_impl_0 結構體指針類型的變量 blk 。也就是我們最初的結構體定義:
void (^blk)(void) = ^{NSLog(@"Block");};
另外,main 函數中還有另外一段:
((void (*)(__block_impl*))((__block_impl*)blk)->FuncPtr)((__block_impl*)blk);
去掉各種轉換:
(*blk->impl.FuncPtr)(blk);
實際就是最初的:
blk();
2.2 Block 截獲外部變量瞬間值的實現剖析
2.1 中對最簡單的 無參數 Block 聲明、調用 進行了 clang 轉換。接下來再看一段『截獲自動變量』的代碼(可以使用命令 clang -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=macosx-10.7 main.m ):
int main(int argc, const char * argv[]) {
int val = 10;
const char *fmt = "val = %d\n";
void (^blk)(void) = ^{printf(fmt, val);};
val = 2;
fmt = "These values were changed, val = %d\n";
blk();
return 0;
}
clang 轉換之后:
和 2.1 節中的轉換代碼對比,可以發現多了一些代碼。
首先, __main_block_impl_0 多了一個變量 val ,并在構造函數的參數中加入了 val 的賦值:
main.cpp __main_block_impl_0:
struct __main_block_impl_0 {
struct __block_implimpl;
struct __main_block_desc_0* Desc;
const char *fmt;
int val;
__main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0*desc, const char *_fmt, int _val, int flags=0) : fmt(_fmt), val(_val) {
impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
impl.Flags = flags;
impl.FuncPtr = fp;
Desc = desc;
}
};
而在 main 函數中,對 Block 的聲明變為此句:
main.cpp __main_block_impl_0 構造函數的調用:
void (*blk)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, fmt, val));
去掉轉換:
main.cpp __main_block_impl_0 構造函數的調用 簡化:
struct __main_block_impl_0tmp = __main_block_impl_0(__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, val);
struct __main_block_impl_0*blk = &tmp;
_所以,在 Block 被聲明時,Block 已經將 val 作為 __main_block_impl_0 的內部變量保存下來了。無論在在聲明之后怎樣更改 val 的值,都不會影響,Block 調用時訪問的內部 val 值。這就是 Block 捕獲變量瞬間值的原理。_
本節所有代碼在 EX05 中
2.3 __block 變量的訪問實現剖析
我們知道,Block 中能夠讀取,但是不能更改一個局部變量,如果去更改,Xcode 會提示你無法在 Block 內部更改變量。
Block 內部只是對局部變量只讀,但是 Block 能讀寫以下幾種變量:
- 靜態變量
- 靜態全局變量
- 全局變量
也就是說以下代碼是沒有問題的:
int global_val = 1;
static int static_global_val = 2;
int main(int argc, const char * argv[]) {
static int static_val = 3;
void (^blk)(void) = ^ {
global_val = 1 * 2;
static_global_val = 2 * 2;
static_val = 3 * 2;
}
return 0;
}
如果想在 Block 內部寫局部變量,需要對訪問的局部變量增加 __block 修飾。
__block 修飾符其實類似于 C 語言中 static、auto、register 修飾符。用于指定將變量值設置到哪個存儲域中。
具體 __block 之后究竟做了哪些變化我們可以寫代碼測試:
EX07:
int main(int argc, const char * argv[]) {
__blockint val = 10;
void (^blk)(void) = ^{val = 1;};
return 0;
}
clang 轉換之后:
跟 2.2 對比,似乎又加了非常代碼。發現多了兩個結構體。
main.cpp __Block_byref_val_0:
struct __Block_byref_val_0 {
void *__isa;
__Block_byref_val_0*__forwarding;
int __flags;
int __size;
int val;
};
很驚奇的發現, block 類型的 val 變成了結構體 Block_byref_val_0 的實例。這個實例內,包含了 isa 指針、一個標志位 flags 、一個記錄大小的 size 。最最重要的,多了一個 forwarding 指針和 val變量。這是怎么回事?
在 main 函數部分,實例化了該結構體:
main.cpp main.m 部分:
__Block_byref_val_0val = {(void*)0,
(__Block_byref_val_0*)&val,
0,
sizeof(__Block_byref_val_0),
10};
我們可以看出該結構體對象初始化時:
- __forwarding 指向了結構體實例本身在內存中的地址
- val = 10
而在 main 函數中, val = 1 這句賦值語句變成了:
main.cpp val = 1; 對應的函數
(val->__forwarding->val) = 1;
這里就可以看出其精髓,val = 1,實際上更改的是 __Block_byref_val_0 結構體實例 val 中的 __forwarding 指針(也就是本身)指向的 val 變量。
而對 val 訪問也是如此。你可以理解為通過取地址改變變量的值,這和 C 語言中取地址改變變量類似。
所以,聲明 block 的變量可以被改變。至于 forwarding的其他巨大作用,會繼續分析。
本節代碼在 EX05 中
3 Block 的存儲域
Block 有三種類型,分別是:
- __NSConcreteStackBlock ————————棧中
- __NSConcreteGlobalBlock ————————數據區域中
- __NSConcreteMallocBlock ————————堆中
__NSConcreteGlobalBlock 出現的地方有:
- 設置全局變量的地方有 Block 語法時
- Block 語法的表達式中不使用任何外部變量時
設置在棧上的 Block,如果所屬的變量作用域結束,Block 就會被廢棄。如果其中用到了 block, block 所屬的變量作用域結束也會被廢棄。
為了解決這個問題,Block 在必要的時候就需要從棧中移到堆中。ARC 有效時,很多情況下,編譯器會幫助完成 Block 的 copy,但很多情況下,我們需要手動 copy Block。
對不同存儲域的 Block copy 時,影響如下:
copy 時,對訪問到的 __block 類型對象影響如下:
此時可以看出 __forwarding 的巨大作用——無論 Block 此時在堆中還是在棧中,由于 __forwarding 指向局部變量轉換成的結構體實例的真是地址,所以都能確保正確的訪問。
具體的來說:
- 當 block 變量被一個 Block 使用時,Block 從棧復制到堆, block 變量也會被復制到,并被該 Block 持有。
- 在 block 變量被多個 Block 使用時,在任何一個 Block 從棧復制到堆時, block 變量也會被復制到堆,并被該 Block 持有。但由于 __forwarding 指針的存在,無論 block 變量和 Block 在不在同一個存儲域,都可以正確的訪問 block 變量。
- 如果堆上的 Block 被廢棄,那么它所使用的 __block 變量也會被釋放。
前面說到編譯器會幫助完成一些 Block 的 copy,也有手動 copy Block。那么 Block 被復制到堆上的情況有(此段摘自于『Objective-C高級編程 iOS與OS X多線程和內存管理』):
- 調用 Block 的 copy 方法時
- Block 作為返回值時
- 將 Block 賦值給附有 __strong 修飾符的成員變量時(id類型或 Block 類型)時
- 在方法名中含有 usingBlock 的 Cocoa 框架方法或 GCD 的 API 中傳遞 Block 時
4 Block 循環引用
Block 循環引用,是在編程中非常常見的問題,甚至很多時候,我們并不知道發生了循環引用,直到我們突然某一天發現『怎么這個對象沒有調用 delloc』,才意識到有問題存在。
在『Block 存儲域』中也說明了 Block 在 copy 后對 __block 對象會 retain 一次。
那么對于如下情況就會發生循環引用:
block_retain_cycle:
@interfaceMyObject: NSObject
@property (nonatomic, copy) blk_tblk;
@property (nonatomic, strong) NSObject *obj;
@end
@implementation MyObject
- (instancetype)init {
self = [super init];
_blk = ^{NSLog(@"self = %@", self);};
return self;
}
- (void)dealloc {
NSLog(@"%@ dealloc", self.class);
}
@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
id myobj = [[MyObject alloc]init];
NSLog(@"%@", myobj);
return 0;
}
由于 self -> blk,blk -> self,雙方都無法釋放。
但要注意的是,對于以下情況,同樣會發生循環引用:
block_retain_cycle
@interfaceMyObject: NSObject
@property (nonatomic, copy) blk_tblk;
// 下面是多加的一句
@property (nonatomic, strong) NSObject *obj;
@end
@implementation MyObject
- (instancetype)init {
self = [super init];
// 下面是多加的一句
_blk = ^{NSLog(@"self = %@", _obj);};
return self;
}
- (void)dealloc {
NSLog(@"%@ dealloc", self.class);
}
@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
id myobj = [[MyObject alloc]init];
NSLog(@"%@", myobj);
return 0;
}
這是由于 self -> obj,self -> blk,blk -> obj。這種情況是非常容易被忽視的。
5 重審問題
我們再來看看最初的幾個小題目:
- 第一題:
由于 Block 捕獲瞬間值,所以輸出為 in block val = 0
- 第二題:
由于 val 為 __block,外部更改會影響到內部訪問,所以輸出為 in block val = 1
- 第三題:
和第二題類似, val = 1 能影響到 Block 內部訪問,所以先輸出 in block val = 1 ,之后在 Block 內部更改 val 值,再次訪問時輸出 after block val = 2 。
Other
我寫這篇文章是在我閱讀了『Objective-C高級編程 iOS與OS X多線程和內存管理』一書之后,博文中也有很內容源于『Objective-C高級編程 iOS與OS X多線程和內存管理』。
非常向大家推薦此書。這本書里記錄了關于 iOS 內存管理的深入內容。但要注意的是,此書中的多處知識點并不是很詳細,需要你以拓展的心態去學習。在有解釋不詳細的地方,自己主動去探索,去拓展,找更多的資料,最后,你會發現你對 iOS 內存管理有了更多的深入的理解。
來自:http://ios.jobbole.com/92903/