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說說iOS與內存管理(上)

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說說iOS與內存管理(上)

說起內存管理,看似老生常談,而真正掌握內存管理的核心其實並不簡單。ARC/MRR以及“誰分配誰就負責釋放”這種基本原則是很重要的,但不是本文要討論的重點。之前本人還沒在小站發過相關的文章,本篇文章中,我本人是想結合實際開發和調試中遇到的一些細節問題,來談談iOS的內存管理內在機制和調試方法。

上一篇文章已經是4月份的了,時間飛快又過去了好久,小站5月份沒有文章更新,罪過罪過。最近小站的站長我又轉換到新團隊新崗位,在支付寶做客戶端開發感受頗多,不過身在一個技術流團隊,工作很有挑戰,自己感覺很充實、很“幸福”。iOS開發當中的內存管理,可深可淺,一般應用程序開發過程當中可能並不需要關注太多,如果不是來到支付寶,也許就不會有這麼多心得來整理此文。

關於內存,我准備分為內存管理的基本原則、原理和調試方法、實際問題幾部分整理。那麼接下來我就和大家一起復習和稍微深入一下iOS的內存管理的原理和原則。

0. 概述

內存,簡單來說就是內部存儲,復雜來說要從馮·諾依曼計算機結構說起。馮·諾依曼結構,也稱做普林斯頓結構,目前和哈佛結構相對,指出了計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入和輸出設備幾大部件組成。如今我們個人用的機器估計都是這個套路,而且運算器和控制器都合在一起,就是CPU,中央處理器。那麼內存就是CPU能直接讀寫訪問數據的地方(寄存器是在CPU內的,不算哈),有些朋友說誰誰誰的iPhone內存16G、64G,我只能說這個理解方法僅限於存儲部件放在手機裡(內)了,嚴格來講這算“外存”,我們要討論的不是這個。

馮·諾依曼結構還說了,內存是用來存啥的呢?指令+數據!(哈佛的恐怕就不一樣了)對於我們開發者來說,指令基本就是代碼邏輯,至於數據麼變量常量肯定都算是的了。

內存有多大?不大,現今主流的個人機器也就幾G的樣子。iPhone?  統統1G。

我們操作系統都是運行在內存之上的,1G好像不算大,所以為了支持多進程,也為了支持大程序,抽象的虛擬存儲的概念誕生了。

簡要的概念先陳述到這,下面詳細說。哦,對了,ARC和MRR我還是得提一下,這個要是真不知道還真的自己先去了解一下去。

1. 通用內存基本原理

說iOS的內存,有必要先看看一般的計算機都是怎麼干的,iPhone也是計算機,通用的道理一樣要遵循。這裡提兩方面:虛存的概念,內存內容的大致分布。

虛擬存儲系統。剛剛提到了,物理內存就那麼大點,但是還要跑多個程序,還要接受消耗很大內存的程序,這怎麼辦?涼拌。搞計算機的人都是很聰明的,在操作系統層面做了物理地址和邏輯地址之間的映射轉換,當然處理器硬件上也做了支持。一個程序在運行時,實際要用到的指令和數據都是很有限的,不可能從頭到尾同時用。那麼對於一個程序來說,假裝自己有非常大的空間,實際上只要有條理的把暫時要用到的部分放進物理內存供CPU訪問就好,這樣第二個問題解決了。那既然每個程序(進程)只用一小塊,那整個物理內存就可以分給多個程序(進程)用了,第一個問題也迎刃而解。當然,這樣做的前提是,數據和指令的動態進出,用完了的暫時不用的踢出內存,需要用的及時加載進來。這個具體的實現方式就多種多樣了,很多實現方式是在外存中開了個交換區供換入換出,但iOS可略有不同。

內存的大致分布。不久以前,我發了一篇文章整理了Mach-O文件的格式分析,裡面很復雜地放了好多東西,包括我們Build打包時的代碼和數據。而Mach-O文件正是我們開發內容的一個靜態展現形式,要想在運行的時候看樣子,就得看這文件裡包含的東西是怎麼放進內存的。Objective-C是基於C的,不放看下C程序進程的內存分布:

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一個運行時進程的典型內存分布

最簡單來說分為兩大部分:指令+數據。再細分一點,五部分:代碼(指令),初始化數據區,未初始化數據區,堆,棧。

  • 代碼(指令,text)就不用說了,最靜態的,就是只讀的東西;
  • 初始化數據,簡單理解就是有初始值的變量、常量;
  • 未初始化數據,只聲明未給值的變量,運行前統統為0,之所以單獨分出來,估計是性能考慮,因為這些東西都是0,沒必要放在程序包裡,也不用copy;
  • 棧,程序運行記錄,每個線程,也就是每個執行序列各有一個(看crash log最容易理解),都是編譯的時候能確定好的,還有一個特點就是這裡面的數據可以不用指針,也不會丟;
  • 堆,最靈活的內存區,用途多多,動態分配和釋放,編譯時不能提前確定,我們的Objective-C對象都是這麼來的,都存在這裡,通常堆中的對象都是以指針來訪問的,指針從線程棧中來,但不獨屬於某個線程,堆也是對復雜的運行時處理的基礎支持,還有就是ARC還是MRR、“誰分配誰釋放”說的都是堆上對象的管理;

其實,這個內存中的布局方式大部分操作系統中的大部分進程都是類似的。Objective-C的程序包對運行時有著復雜的支持和內容劃分,但也都是在這個大的框架下進行的。

2. iOS的內存管理

其實,iOS的內存管理和其它操作系統大同小異。這裡按照蘋果文檔所述,重點對堆內存分配整理下。

首先,iOS和其它系統一樣,內存分頁,每頁4K。多個頁構成一個region統一管理,負責管理的對象是VM object,其中包含了pager、size、resident pages等諸多屬性。

不管是Objective-C的[NSObject alloc],還是C代碼的對內存分配,最終重任都會落到malloc庫上,釋放也是如此,最終都將使用malloc庫中的free()。

malloc庫中有很多malloc的同族函數可以動態分配內存,會結合參數在free pages中進行最適分配。如果分配的內存比較大,可以直接使用vm_allocate,得到一個VM對象(與Linux類似),這個在實際使用前不分配物理內存。malloc的內部實現都是開源的,感興趣的可以去了解去看。

此外,對於malloc,還有一個Zone的概念(貌似與Linux的概念不完全相同),可以簡單理解為一組free page單元,可以統一管理操作。默認情況,在第一次調用malloc時,系統會生成一個default zone,後續的默認分配在此進行。比如,malloc_zone_xxx()函數都是對特定的zone進行分配操作,執行zone->xxx()。

最後強調一下iOS特別需要注意的點:

當前的主流iPhone實際物理內存都不超過1G,可以說不算大。不過和Android機比起來,我不得不為蘋果的設計稱贊,1G空間利用得如此高效,性能不差,也控制了發熱。

那麼在這僅有的1G內存中,iOS的操作系統更是拋棄了不必要的復雜——系統層面不支持App內存頁換出。當內存吃緊時,對於可以重新載入的只讀數據來說,直接清理掉,而對於可寫的數據,只能通過App自己去管理維護。內存緊張時,iOS會向App發起memory warning,不配合釋放足夠內存者,殺!

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App調試時的物理內存情況

上圖是使用Activity Monitor調試時的一個截圖,可以看到在盡量不釋放自身內存的情況下(為了bug調試特意這麼做的),支付寶錢包的內存可以做到502M物理內存占用。再稍微高一點點,系統就會連前台運行的App一起Kill掉。留下一個Unknown的log。

3. 其它

基本的原理就簡要整理到此,如下是一些參考:

  • Memory Layout of C Programs
  • Anatomyof a program in memory
  • What and where are the stack and heap?
  • Memory Usage Performance Guidelines
  • A look at how malloc works on the Mac
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