iOS内存管理引用计数示例分析

时间:2023-02-02 山海飞鸟人气:0

内存管理机制

目前流行的内存管理机制主要有GC和RC两种。

GC (Garbage Collection)：垃圾回收机制，定期查找不再使用的对象，释放对象占用的内存。
RC (Reference Counting)：引用计数机制。采用引用计数来管理对象的内存，当需要持有一个对象时，使它的引用计数 +1；当不需要持有一个对象的时候，使它的引用计数 -1；当一个对象的引用计数为 0，该对象就会被销毁。

Objective-C支持三种内存管理机制：ARC、MRC和GC，但Objective-C的GC机制有平台局限性，仅限于MacOS开发中，iOS开发用的是RC机制，从MRC到现在的ARC。

一个新创建的OC对象引用计数默认是1，当引用计数减为0，OC对象就会销毁，释放其占用的内存空间

调用retain会让OC对象的引用计数+1，调用release会让OC对象的引用计数-1

内存管理的经验总结

当调用alloc、new、copy、mutableCopy方法返回了一个对象，在不需要这个对象时，要调用release或者autorelease来释放它
想拥有某个对象，就让它的引用计数+1；不想再拥有某个对象，就让它的引用计数-1
可以通过以下私有函数来查看自动释放池的情况

extern void _objc_autoreleasePoolPrint(void);

以上我们对 “引用计数” 这一概念做了初步了解，Objective-C 中的 “对象” 通过引用计数功能来管理它的内存生命周期。那么，对象的引用计数是如何存储的呢？它存储在哪个数据结构里？

首先，不得不提一下isa。

isa

isa指针用来维护 “对象” 和 “类” 之间的关系，并确保对象和类能够通过isa指针找到对应的方法、实例变量、属性、协议等；
在 arm64 架构之前，isa就是一个普通的指针，直接指向objc_class，存储着Class、Meta-Class对象的内存地址。instance对象的isa指向class对象，class对象的isa指向meta-class对象；
从 arm64 架构开始，对isa进行了优化，用nonpointer表示，变成了一个共用体（union）结构，还使用位域来存储更多的信息。将 64 位的内存数据分开来存储着很多的东西，其中的 33 位才是拿来存储class、meta-class对象的内存地址信息。要通过位运算将isa的值& ISA_MASK掩码，才能得到class、meta-class对象的内存地址。

// objc.h
struct objc_object {
    Class isa;  // 在 arm64 架构之前
};
// objc-private.h
struct objc_object {
private:
    isa_t isa;  // 在 arm64 架构开始
};
union isa_t 
{
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
    Class cls;
    uintptr_t bits;
#if SUPPORT_PACKED_ISA
    // extra_rc must be the MSB-most field (so it matches carry/overflow flags)
    // nonpointer must be the LSB (fixme or get rid of it)
    // shiftcls must occupy the same bits that a real class pointer would
    // bits + RC_ONE is equivalent to extra_rc + 1
    // RC_HALF is the high bit of extra_rc (i.e. half of its range)
    // future expansion:
    // uintptr_t fast_rr : 1;     // no r/r overrides
    // uintptr_t lock : 2;        // lock for atomic property, @synch
    // uintptr_t extraBytes : 1;  // allocated with extra bytes
# if __arm64__  // 在 __arm64__ 架构下
#   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL  // 用来取出 Class、Meta-Class 对象的内存地址
#   define ISA_MAGIC_MASK  0x000003f000000001ULL
#   define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL
    struct {
        uintptr_t nonpointer        : 1;  // 0：代表普通的指针，存储着 Class、Meta-Class 对象的内存地址
                                          // 1：代表优化过，使用位域存储更多的信息
        uintptr_t has_assoc         : 1;  // 是否有设置过关联对象，如果没有，释放时会更快
        uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;  // 是否有C++的析构函数（.cxx_destruct），如果没有，释放时会更快
        uintptr_t shiftcls          : 33; // 存储着 Class、Meta-Class 对象的内存地址信息
        uintptr_t magic             : 6;  // 用于在调试时分辨对象是否未完成初始化
        uintptr_t weakly_referenced : 1;  // 是否有被弱引用指向过，如果没有，释放时会更快
        uintptr_t deallocating      : 1;  // 对象是否正在释放
        uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;  // 如果为1，代表引用计数过大无法存储在 isa 中，那么超出的引用计数会存储在一个叫 SideTable 结构体的 RefCountMap（引用计数表）散列表中
        uintptr_t extra_rc          : 19; // 里面存储的值是对象本身之外的引用计数的数量，retainCount - 1
#       define RC_ONE   (1ULL<<45)
#       define RC_HALF  (1ULL<<18)
    };
......  // 在 __x86_64__ 架构下
};

如果isa非nonpointer，即 arm64 架构之前的isa指针。由于它只是一个普通的指针，存储着Class、Meta-Class对象的内存地址，所以它本身不能存储引用计数，所以以前对象的引用计数都存储在一个叫SideTable结构体的RefCountMap（引用计数表）散列表中。

如果isa是nonpointer，则它本身可以存储一些引用计数。从以上union isa_t的定义中我们可以得知，isa_t中存储了两个引用计数相关的东西：extra_rc和has_sidetable_rc。

extra_rc：里面存储的值是对象本身之外的引用计数的数量，这 19 位如果不够存储，has_sidetable_rc的值就会变为 1；
has_sidetable_rc：如果为 1，代表引用计数过大无法存储在isa中，那么超出的引用计数会存储SideTable的RefCountMap中。

所以，如果isa是nonpointer，则对象的引用计数存储在它的isa_t的extra_rc中以及SideTable的RefCountMap中。

SideTable

// NSObject.mm
struct SideTable {
    spinlock_t slock;        // 自旋锁
    RefcountMap refcnts;     // 引用计数表（散列表）
    weak_table_t weak_table; // 弱引用表（散列表）
    ......
}

SideTable存储在SideTables()中，SideTables()本质也是一个散列表，可以通过对象指针来获取它对应的（引用计数表或者弱引用表）在哪一个SideTable中。在非嵌入式系统下，SideTables()中有 64 个SideTable。以下是SideTables()的定义：

// NSObject.mm
static objc::ExplicitInit<StripedMap<SideTable>> SideTablesMap;
static StripedMap<SideTable>& SideTables() {
    return SideTablesMap.get();
}

所以，查找对象的引用计数表需要经过两次哈希查找：

① 第一次根据当前对象的内存地址，经过哈希查找从SideTables()中取出它所在的SideTable；
② 第二次根据当前对象的内存地址，经过哈希查找从SideTable中的refcnts中取出它的引用计数表。

使用多个SideTable+分离锁技术方案是为了保证线程安全的同时兼顾访问效率

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