所以我将在本篇博文中详细的从 ARC 解释到 iOS 的内存管理,以及 Block 相关的原理、源码。
说 iOS 的内存管理,就不得不从 ARC(Automatic Reference Counting / 自动引用计数) 说起, ARC 是 WWDC2011 和 iOS5 引入的变化。ARC 是 LLVM 3.0 编译器的特性,用来自动管理内存。
与 Java 中 GC 不同,ARC 是编译器特性,而不是基于运行时的,所以 ARC 其实是在编译阶段自动帮开发者插入了管理内存的代码,而不是实时监控与回收内存。
ARC 的内存管理规则可以简述为:
GNUstep 也是 GNU 计划之一。将 Cocoa Objective-C 软件库以自由软件方式重新实现
某种意义上,GNUstep 和 Foundation 框架的实现是相似的
通过 GNUstep 的源码来分析 Foundation 的内存管理
查看 GNUStep 中的 alloc 函数。
+ (id) alloc { return [self allocWithZone: NSDefaultMallocZone()]; } + (id) allocWithZone: (NSZone*)z { return NSAllocateObject (self, 0, z); }
struct obj_layout { NSUInteger retained; }; NSAllocateObject(Class aClass, NSUInteger extraBytes, NSZone *zone) { int size = 计算容纳对象所需内存大小; id new = NSZoneCalloc(zone, 1, size); memset (new, 0, size); new = (id)&((obj)new)[1]; }
NSAllocateObject
函数通过调用 NSZoneCalloc
函数来分配存放对象所需的空间,之后将该内存空间置为 nil,最后返回作为对象而使用的指针。
我们将上面的代码做简化整理:
struct obj_layout { NSUInteger retained; }; + (id) alloc { int size = sizeof(struct obj_layout) + 对象大小; struct obj_layout *p = (struct obj_layout *)calloc(1, size); return (id)(p+1) return [self allocWithZone: NSDefaultMallocZone()]; }
alloc 类方法用 struct obj_layout 中的 retained
整数来保存引用计数,并将其写入对象的内存头部,该对象内存块全部置为 0 后返回。
一个对象的表示便如下图:
- (NSUInteger) retainCount { return NSExtraRefCount(self) + 1; } inline NSUInteger NSExtraRefCount(id anObject) { return ((obj_layout)anObject)[-1].retained; }
- (id) retain { NSIncrementExtraRefCount(self); return self; } inline void NSIncrementExtraRefCount(id anObject) { if (((obj)anObject)[-1].retained == UINT_MAX - 1) [NSException raise: NSInternalInconsistencyException format: @"NSIncrementExtraRefCount() asked to increment too far”]; ((obj_layout)anObject)[-1].retained++; }
以上代码中, NSIncrementExtraRefCount
方法首先写入了当 retained
变量超出最大值时发生异常的代码(因为 retained
是 NSUInteger 变量),然后进行 retain ++
代码。
和 retain 相应的,release 方法做的就是 retain --
。
- (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; }
dealloc 将会对对象进行释放。
- (void) dealloc { NSDeallocateObject (self); } inline void NSDeallocateObject(id anObject) { obj_layout o = &((obj_layout)anObject)[-1]; free(o); }
在 Xcode 中 设置 Debug
-> Debug Workflow
-> Always Show Disassenbly
打开。这样在打断点后,可以看到更详细的方法调用。
通过在 NSObject 类的 alloc 等方法上设置断点追踪可以看到几个方法内部分别调用了:
__CFdoExternRefOperation
CFBasicHashGetCountOfKey
__CFdoExternRefOperation
CFBasicHashAddValue
__CFdoExternRefOperation
CFBasicHashRemoveValue
可以看到他们都调用了一个共同的 __CFdoExternRefOperation
方法。
该方法从前缀可以看到是包含在 Core Foundation,在 CFRuntime.c 中可以找到,做简化后列出源码:
int __CFDoExternRefOperation(uintptr_t op, id obj) { CFBasicHashRef table = 取得对象的散列表(obj); int count; switch (op) { case OPERATION_retainCount: count = CFBasicHashGetCountOfKey(table, obj); return count; break; case OPERATION_retain: count = CFBasicHashAddValue(table, obj); return obj; case OPERATION_release: count = CFBasicHashRemoveValue(table, obj); return 0 == count; } }
所以 __CFDoExternRefOperation
是针对不同的操作,进行具体的方法调用,如果 op 是 OPERATION_retain
,就去掉用具体实现 retain 的方法。
从 BasicHash
这样的方法名可以看出,其实引用计数表就是散列表。
key 为 hash(对象的地址) value 为 引用计数。
下图是 Apple 和 GNU 的实现对比:
在苹果对于 NSAutoreleasePool 的 文档 中表示:
每个线程(包括主线程),都维护了一个管理 NSAutoreleasePool 的栈。当创先新的 Pool 时,他们会被添加到栈顶。当 Pool 被销毁时,他们会被从栈中移除。
autorelease 的对象会被添加到当前线程的栈顶的 Pool 中。当 Pool 被销毁,其中的对象也会被释放。
当线程结束时,所有的 Pool 被销毁释放。
对 NSAutoreleasePool 类方法和 autorelease 方法打断点,查看其运行过程,可以看到调用了以下函数:
NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init]; // 等同于 objc_autoreleasePoolPush id obj = [[NSObject alloc] init]; [obj autorelease]; // 等同于 objc_autorelease(obj) [NSAutoreleasePool showPools]; // 查看 NSAutoreleasePool 状况 [pool drain]; // 等同于 objc_autoreleasePoolPop(pool)
[NSAutoreleasePool showPools]
可以看到当前线程所有 pool 的情况:
objc[21536]: ############## objc[21536]: AUTORELEASE POOLS for thread 0x10011e3c0 objc[21536]: 2 releases pending. objc[21536]: [0x101802000] ................ PAGE (hot) (cold) objc[21536]: [0x101802038] ################ POOL 0x101802038 objc[21536]: [0x101802040] 0x1003062e0 NSObject objc[21536]: ############## Program ended with exit code: 0
在 objc4 中可以查看到 AutoreleasePoolPage:
objc4/NSObject.mm AutoreleasePoolPage class AutoreleasePoolPage { static inline void *push() { 生成或者持有 NSAutoreleasePool 类对象 } static inline void pop(void *token) { 废弃 NSAutoreleasePool 类对象 releaseAll(); } static inline id autorelease(id obj) { 相当于 NSAutoreleasePool 类的 addObject 类方法 AutoreleasePoolPage *page = 取得正在使用的 AutoreleasePoolPage 实例; } id *add(id obj) { 将对象追加到内部数组 } void releaseAll() { 调用内部数组中对象的 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 以双向链表的形式组合而成(分别对应结构中的 parent 指针和 child 指针)。
thread 指针指向当前线程。
每个 AutoreleasePoolPage 对象会开辟4096字节内存(也就是虚拟内存一页的大小),除了上面的实例变量所占空间,剩下的空间全部用来储存autorelease对象的地址。
next 指针指向下一个 add 进来的 autorelease 的对象即将存放的位置。
一个 Page 的空间被占满时,会新建一个 AutoreleasePoolPage 对象,连接链表。
有时候我们除了 __weak
和 __strong
之外也会用到 __unsafe_unretained
这个修饰符,那么我们对 __unsafe_unretained
了解多少?
__unsafe_unretained
是不安全的所有权修饰符,尽管 ARC 的内存管理是编译器的工作,但附有 __unsafe_unretained
修饰符的变量不属于编译器的内存管理对象。 赋值时即不获得强引用也不获得弱引用 。
来运行一段代码:
id __unsafe_unretained obj1 = nil; { id __strong obj0 = [[NSObject alloc] init]; obj1 = obj0; NSLog(@"A: %@", obj1); } NSLog(@"B: %@", obj1);
运行结果:
2017-01-12 19:24:47.245220 __unsafe_unretained[55726:4408416] A: <NSObject: 0x100304800> 2017-01-12 19:24:47.246670 __unsafe_unretained[55726:4408416] B: <NSObject: 0x100304800> Program ended with exit code: 0
对代码进行详细分析:
id __unsafe_unretained obj1 = nil; { // 自己生成并持有对象 id __strong obj0 = [[NSObject alloc] init]; // 因为 obj0 变量为强引用, // 所以自己持有对象 obj1 = obj0; // 虽然 obj0 变量赋值给 obj1 // 但是 obj1 变量既不持有对象的强引用,也不持有对象的弱引用 NSLog(@"A: %@", obj1); // 输出 obj1 变量所表示的对象 } NSLog(@"B: %@", obj1); // 输出 obj1 变量所表示的对象 // obj1 变量表示的对象已经被废弃 // 所以此时获得的是悬垂指针 // 错误访问
所以,最后的 NSLog 只是碰巧正常运行,如果错误访问,会造成 crash
在使用 __unsafe_unretained
修饰符时,赋值给附有 __strong
修饰符变量时,要确保对象确实存在
花几分钟时间看下面三个小题目,写下你的答案。
这个三个小题目,我在整理此片博文之前给了三位朋友去解答,最后的结果,除了一位朋友 3 题全部正确,其他两个朋友均只答中 1 题。
说明还是有很多 iOS 的朋友对于 Block 并没有透彻理解。本篇博文会对 Block 进行详细的解说。
先了解简单规则,再去分析原理和实现:
Block 中,Block 表达式截获 所使用的自动变量的值,即保存该自动变量的 瞬间值 。
修饰为 __block
的变量,在捕获时,获取的 不再是瞬间值 。
至于 Why,后面将会继续说。
Block 是带有自动变量(局部变量)的匿名函数。
Block 表达式很简单,总体可以描述为:『 ^ 返回值类型 参数列表 表达式
』。
但是 Block 并不是 Objective-C 中才有的语法,这是怎么一回事?
clang 编译器提供给程序员了解 Objective-C 背后机制的方法,通过 clang 的转换可以看到 Block 的实现原理。
通过 clang -rewrite-objc yourfile.m
clang 将会把 Objective-C 的代码转换成 C 语言的代码。
用 Xcode 创建 Command Line 项目,写如下代码:
int main(int argc, const char * argv[]) { void (^blk)(void) = ^{NSLog(@"Block")}; blk(); return 0; }
用 clang 转换:
以上是转换后的代码,不要方,一段一段看。
可以看到,Block 内部的内容, 被转换成了一个普通的静态函数 __main_func_0
。
再看其他部分:
struct __block_impl { void *isa; int Flags; int Reserved; void *FuncPtr; };
__block_impl
结构体包括了一些标志、今后版本升级 预留的变量 、 函数指针 。
static struct __main_block_desc_0 { size_t reserved; size_t Block_size; } __main_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __main_block_impl_0)};
__main_block_desc_0
结构体包括了今后版本升级预留的变量、block 大小。
struct __main_block_impl_0 { struct __block_impl impl; struct __main_block_desc_0* Desc; __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int flags=0) { impl.isa = &_NSConcreteStackBlock; impl.Flags = flags; impl.FuncPtr = fp; Desc = desc; } };
__main_block_impl_0
结构体含有两个成员变量,分别是 __block_impl
和 __main_block_desc_0
实例变量。
此外,还含有一个构造方法。该构造方法在 main 函数中被如下调用:
void (*blk)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA));
去掉各种强制转换,做简化:
struct __main_block_impl_0 tmp = __main_block_impl_0(__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA); struct __main_block_impl_0 *blk = &tmp;
以上代码即:将 __main_block_impl_0
结构体实例的指针,赋值给 __main_block_impl_0
结构体指针类型的变量 blk
。也就是我们最初的结构体定义:
void (^blk)(void) = ^{NSLog(@"Block");};
另外,main 函数中还有另外一段:
((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)blk)->FuncPtr)((__block_impl *)blk);
去掉各种转换:
(*blk->impl.FuncPtr)(blk);
实际就是最初的:
blk();
本节所有代码在 block_implementation 中
2.1 中对最简单的 无参数 Block 声明、调用 进行了 clang 转换。接下来再看一段『截获自动变量』的代码(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 转换之后:
和 2.1 节中的转换代码对比,可以发现多了一些代码。
首先, __main_block_impl_0
多了一个变量 val
,并在构造函数的参数中加入了 val
的赋值:
struct __main_block_impl_0 { struct __block_impl impl; 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 函数中,对 Block 的声明变为此句:
void (*blk)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, fmt, val));
去掉转换:
struct __main_block_impl_0 tmp = __main_block_impl_0(__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, val); struct __main_block_impl_0 *blk = &tmp;
本节所有代码在 EX05 中
我们知道,Block 中能够读取,但是不能更改一个局部变量,如果去更改,Xcode 会提示你无法在 Block 内部更改变量。
Block 内部只是对局部变量只读,但是 Block 能读写以下几种变量:
也就是说以下代码是没有问题的:
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 内部写局部变量,需要对访问的局部变量增加 __block 修饰。
__block 修饰符其实类似于 C 语言中 static、auto、register 修饰符。用于指定将变量值设置到哪个存储域中。
具体 __block 之后究竟做了哪些变化我们可以写代码测试:
int main(int argc, const char * argv[]) { __block int val = 10; void (^blk)(void) = ^{val = 1;}; return 0; }
clang 转换之后:
跟 2.2 对比,似乎又加了非常代码。发现多了两个结构体。
struct __Block_byref_val_0 { void *__isa; __Block_byref_val_0 *__forwarding; int __flags; int __size; int val; };
很惊奇的发现, block 类型的 val
变成了结构体 ` Block_byref_val_0 的实例。这个实例内,包含了
isa 指针、一个标志位
flags 、一个记录大小的
size 。最最重要的,多了一个
forwarding 指针和
val` 变量。这是怎么回事?
在 main 函数部分,实例化了该结构体:
__Block_byref_val_0 val = {(void*)0, (__Block_byref_val_0 *)&val, 0, sizeof(__Block_byref_val_0), 10};
我们可以看出该结构体对象初始化时:
而在 main 函数中, val = 1
这句赋值语句变成了:
val = 1;
对应的函数: (val->__forwarding->val) = 1;
这里就可以看出其精髓,val = 1,实际上更改的是 __Block_byref_val_0
结构体实例 val 中的 __forwarding
指针(也就是本身)指向的 val
变量。
而对 val
访问也是如此。你可以理解为通过取地址改变变量的值,这和 C 语言中取地址改变变量类似。
所以,声明 block 的变量可以被改变。至于 ` forwarding` 的其他巨大作用,会继续分析。
本节代码在 EX05 中
Block 有三种类型,分别是:
设置在栈上的 Block,如果所属的变量作用域结束,Block 就会被废弃。如果其中用到了 block, block 所属的变量作用域结束也会被废弃。
为了解决这个问题,Block 在必要的时候就需要从栈中移到堆中。ARC 有效时,很多情况下,编译器会帮助完成 Block 的 copy,但很多情况下,我们需要手动 copy Block。
对不同存储域的 Block copy 时,影响如下:
copy 时,对访问到的 __block 类型对象影响如下:
此时可以看出 __forwarding
的巨大作用——无论 Block 此时在堆中还是在栈中,由于 __forwarding
指向局部变量转换成的结构体实例的真是地址,所以都能确保正确的访问。
具体的来说:
__forwarding
指针的存在,无论 block 变量和 Block 在不在同一个存储域,都可以正确的访问 block 变量。
前面说到编译器会帮助完成一些 Block 的 copy,也有手动 copy Block。那么 Block 被复制到堆上的情况有(此段摘自于『Objective-C高级编程 iOS与OS X多线程和内存管理』):
__strong
修饰符的成员变量时(id类型或 Block 类型)时 usingBlock
的 Cocoa 框架方法或 GCD 的 API 中传递 Block 时 Block 循环引用,是在编程中非常常见的问题,甚至很多时候,我们并不知道发生了循环引用,直到我们突然某一天发现『怎么这个对象没有调用 delloc』,才意识到有问题存在。
在『Block 存储域』中也说明了 Block 在 copy 后对 __block 对象会 retain 一次。
那么对于如下情况就会发生循环引用:
@interfaceMyObject:NSObject @property (nonatomic, copy) blk_t blk; @property (nonatomic, strong) NSObject *obj; @end @implementationMyObject - (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,双方都无法释放。
但要注意的是,对于以下情况,同样会发生循环引用:
block_retain_cycle @interfaceMyObject:NSObject @property (nonatomic, copy) blk_t blk; // 下面是多加的一句 @property (nonatomic, strong) NSObject *obj; @end @implementationMyObject - (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; }
这是由于 self -> obj,self -> blk,blk -> obj。这种情况是非常容易被忽视的。
我们再来看看最初的几个小题目:
由于 Block 捕获瞬间值,所以输出为 in block val = 0
由于 val
为 __block,外部更改会影响到内部访问,所以输出为 in block val = 1
和第二题类似, val = 1
能影响到 Block 内部访问,所以先输出 in block val = 1
,之后在 Block 内部更改 val
值,再次访问时输出 after block val = 2
。
我写这篇文章是在我阅读了『Objective-C高级编程 iOS与OS X多线程和内存管理』一书之后,博文中也有很内容源于『Objective-C高级编程 iOS与OS X多线程和内存管理』。
非常向大家推荐此书。这本书里记录了关于 iOS 内存管理的深入内容。但要注意的是,此书中的多处知识点并不是很详细,需要你以拓展的心态去学习。在有解释不详细的地方,自己主动去探索,去拓展,找更多的资料,最后,你会发现你对 iOS 内存管理有了更多的深入的理解。
对于文章中的测试代码,全部在 这里 。
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博主是 iOS 妹子一枚。
希望大家一起进步。
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