概述: 結(jié)合內(nèi)存分配和使用內(nèi)存訪問再談內(nèi)存管理(不適合內(nèi)存管理小白)

一.為什么要管理內(nèi)存?

• 1.1 answer:

系統(tǒng)不幫我們管理,我們就自己管理啊!!!,聽起來很對啊,可是系統(tǒng)為什么要提我們管理呢? 當(dāng)然是為了以最優(yōu)方式最大化利用有限的內(nèi)存資源了!,那就有必要先來了解下內(nèi)存分配算法了.

• 1.2內(nèi)存分配算法

  (不想看的直接看后面總結(jié))

• 首次適應(yīng)算法

  使用該算法進(jìn)行內(nèi)存分配時(shí)，從空閑分區(qū)鏈?zhǔn)组_始查找，直至找到一個(gè)能滿足其大小需求的空閑分區(qū)為止。然后再按照作業(yè)的大小，從該分區(qū)中劃出一塊內(nèi)存分配給請求者，余下的空閑分區(qū)仍留在空閑分區(qū)鏈中。
  　　該算法傾向于使用內(nèi)存中低地址部分的空閑分區(qū)，在高地址部分的空閑分區(qū)非常少被利用，從而保留了高地址部分的大空閑區(qū)。顯然為以后到達(dá)的大作業(yè)分配大的內(nèi)存空間創(chuàng)造了條件。缺點(diǎn)在于低址部分不斷被劃分，留下許多難以利用、非常小的空閑區(qū)，而每次查找又都從低址部分開始，這無疑會(huì)增加查找的開銷。

• 循環(huán)首次適應(yīng)算法

  該算法是由首次適應(yīng)算法演變而成的。在為進(jìn)程分配內(nèi)存空間時(shí)，不再每次從鏈?zhǔn)组_始查找，而是從上次找到的空閑分區(qū)開始查找，直至找到一個(gè)能滿足需求的空閑分區(qū)，并從中劃出一塊來分給作業(yè)。該算法能使空閑中的內(nèi)存分區(qū)分布得更加均勻，但將會(huì)缺乏大的空閑分區(qū)。

• 最佳適應(yīng)算法

  該算法總是把既能滿足需求，又是最小的空閑分區(qū)分配給作業(yè)。為了加速查找，該算法需求將所有的空閑區(qū)按其大小排序后，以遞增順序形成一個(gè)空白鏈。這樣每次找到的第一個(gè)滿足需求的空閑區(qū)，必然是最優(yōu)的。孤立地看，該算法似乎是最優(yōu)的，但事實(shí)上并不一定。因?yàn)槊看畏峙浜笫Ｓ嗟目臻g一定是最小的，在存儲(chǔ)器中將留下許多難以利用的小空閑區(qū)。同時(shí)每次分配后必須重新排序，這也帶來了一定的開銷。

• 最差適應(yīng)算法

  最差適應(yīng)算法中，該算法按大小遞減的順序形成空閑區(qū)鏈，分配時(shí)直接從空閑區(qū)鏈的第一個(gè)空閑分區(qū)中分配（不能滿足需要?jiǎng)t不分配）。非常顯然，如果第一個(gè)空閑分區(qū)不能滿足，那么再?zèng)]有空閑分區(qū)能滿足需要。這種分配方法初看起來不太合理，但他也有非常強(qiáng)的直觀吸引力：在大空閑區(qū)中放入程式后，剩下的空閑區(qū)常常也非常大，于是還能裝下一個(gè)較大的新程式。
  　　最壞適應(yīng)算法和最佳適應(yīng)算法的排序正好相反，他的隊(duì)列指針總是指向最大的空閑區(qū)，在進(jìn)行分配時(shí)，總是從最大的空閑區(qū)開始查尋。
  　　該算法克服了最佳適應(yīng)算法留下的許多小的碎片的不足，但保留大的空閑區(qū)的可能性減小了，而且空閑區(qū)回收也和最佳適應(yīng)算法相同復(fù)雜。

總結(jié):綜合以上四種常見的內(nèi)存分配算法,我們不看看出,要解決最大的問題就是如何最大化最快捷的利用內(nèi)存,也就是我們內(nèi)存管理的終極目的;

二. 內(nèi)存訪問方式:

簡單說,CPU 就是通過內(nèi)存的物理地址來確定數(shù)據(jù)所在的準(zhǔn)確位置,然后進(jìn)行讀寫操作;

(下面一段內(nèi)容可直接跳過,主要是對上述訪問過程的詳細(xì)分析)

• 2.1底層的訪問流程如下:

1. CPU 通過地址總線 確認(rèn)要訪問的內(nèi)存單元號和具體的數(shù)據(jù)地址;
2. CPU 通過控制總線告訴內(nèi)存要進(jìn)行的操作,read , write or other;
3. CPU與內(nèi)存通過數(shù)據(jù)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;
   以上所有的數(shù)據(jù)傳輸,皆是以高(1)低(0)電平的形式進(jìn)行,是不是已經(jīng)很接近機(jī)器語言了?(很久沒看硬件層的東西了,若有錯(cuò)誤還望指正)

• 2.2為什么要引入物理地址

  物理地址怎么來的呢?當(dāng)然是邏輯地址映射而來的,為什么要引入邏輯地址?直接使用物理地址不是更好的節(jié)約CPU開銷嗎?下面來解釋為什么:

  假設(shè)一臺(tái)設(shè)備有2G內(nèi)存,還要跑多個(gè)程序，還要接受消耗很大內(nèi)存的程序,他是怎么做到的?搞計(jì)算機(jī)的人都是很聰明的(請?jiān)试S我講一個(gè)事實(shí))，在操作系統(tǒng)層面做了物理地址和邏輯地址之間的映射轉(zhuǎn)換，當(dāng)然處理器硬件上也做了支持。一個(gè)程序在運(yùn)行時(shí)，實(shí)際要用到的指令和數(shù)據(jù)都是很有限的，不可能從頭到尾同時(shí)用。那么對于一個(gè)程序來說，假裝自己有非常大的空間，實(shí)際上只要有條理的把暫時(shí)要用到的部分放進(jìn)物理內(nèi)存供CPU訪問就好。那既然每個(gè)程序（進(jìn)程）只用一小塊，那整個(gè)物理內(nèi)存就可以分給多個(gè)程序（進(jìn)程）用了。當(dāng)然，這樣做的前提是，數(shù)據(jù)和指令的動(dòng)態(tài)進(jìn)出，用完了的暫時(shí)不用的踢出內(nèi)存，需要用的及時(shí)加載進(jìn)來。很多實(shí)現(xiàn)方式是在外存中開了個(gè)交換區(qū)供換入換出，但iOS可略有不同.

• 2.3 iOS 是如何應(yīng)對內(nèi)存不足的的

  首先，iOS和其它系統(tǒng)一樣，內(nèi)存分頁，每頁4K。多個(gè)頁構(gòu)成一個(gè)region統(tǒng)一管理，負(fù)責(zé)管理的對象是VM object，其中包含了pager、size、resident pages等諸多屬性。
  但是 iOS的操作系統(tǒng)引入了沙盒機(jī)制,更是拋棄了不必要的復(fù)雜,在系統(tǒng)層面不支持App內(nèi)存頁換出。當(dāng)內(nèi)存吃緊時(shí)，對于可以重新載入的只讀數(shù)據(jù)來說，直接清理掉，而對于可寫的數(shù)據(jù)，只能通過App自己去管理維護(hù)。內(nèi)存緊張時(shí)，iOS會(huì)向App發(fā)起memory warning，不配合釋放足夠內(nèi)存者，殺！所以,iOS 始終保持著系統(tǒng)自我運(yùn)行環(huán)境良好,并不十分關(guān)心具體應(yīng)用哦;

開發(fā)中注意點(diǎn)1:memory warning 處理不當(dāng), APP 存在被被系統(tǒng)強(qiáng)制殺死的可能性

三. 內(nèi)存分布:

想要管理內(nèi)存,總得知道你要管理的數(shù)據(jù)在哪吧?看一個(gè)經(jīng)典的C 內(nèi)存分布:

內(nèi)存分布.png

最簡單來說分為兩大部分：指令+數(shù)據(jù)。再細(xì)分一點(diǎn)，五部分：代碼（機(jī)器碼,看構(gòu)造應(yīng)該是ARM 指令集），初始化數(shù)據(jù)區(qū)，未初始化數(shù)據(jù)區(qū)，堆，棧。

• 代碼:（指令即機(jī)器碼,看構(gòu)造應(yīng)該是ARM 指令集）就不用說了，最靜態(tài)的，就是只讀的東西；
• 初始化數(shù)據(jù)，簡單理解就是有初始值的變量、常量；
• 未初始化數(shù)據(jù)，只聲明未給值的變量，運(yùn)行前統(tǒng)統(tǒng)為0，之所以單獨(dú)分出來，估計(jì)是性能考慮;
• 棧: 程序運(yùn)行記錄，每個(gè)線程，也就是每個(gè)執(zhí)行序列各有一個(gè)（看crash log最容易理解），都是編譯的時(shí)候能確定好的，還有一個(gè)特點(diǎn)就是這里面的數(shù)據(jù)可以不用指針，也不會(huì)丟；
• 堆: 最靈活的內(nèi)存區(qū)，用途多多，動(dòng)態(tài)分配和釋放，編譯時(shí)不能提前確定，我們的Objective-C對象都是這么來的，都存在這里，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(dú)屬于某個(gè)線程，堆也是對復(fù)雜的運(yùn)行時(shí)處理的基礎(chǔ)支持;

MRC 所說的“誰分配誰釋放”說的都是堆上對象的管理；

總結(jié): 通過內(nèi)存分布,不難發(fā)現(xiàn)我們所要管理的基本就是堆 和 棧了!

四. 堆和棧的分析:

堆棧具體特性,百度大把,不做闡述,下面簡述分配與訪問:

• 4.1 堆

• 分配 : 執(zhí)行時(shí)動(dòng)態(tài)分配和釋放,編譯器不能確定具體值,此特性也奠定了OC 動(dòng)態(tài)語言的基礎(chǔ),內(nèi)存管理的主要區(qū)段;(引用類型存儲(chǔ)區(qū),也就是OC對象)

• 訪問:內(nèi)存的分配原則(init 采用循環(huán)首次適應(yīng)算法),導(dǎo)致了堆內(nèi)有大量的碎片存在,有效數(shù)據(jù)區(qū)并非連續(xù),通常通過棧區(qū)訪問,由棧去的指針指向堆去的數(shù)據(jù)區(qū),從而找到數(shù)據(jù)對應(yīng)的位置;

• 4.2 棧

• 分配: 依次緊密排列,遵循先進(jìn)后出(FILO)的原則,也就決定了其對小數(shù)據(jù)塊讀寫相對較快;一般用作存儲(chǔ)值類型數(shù)據(jù)(基本數(shù)據(jù)類型)

• 訪問: 通過邏輯地址映射為物理地址,由CPU通過總線進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問;

上述分析涉及一個(gè)基本類型和OC對象存儲(chǔ)的問題,基本數(shù)據(jù)類型在棧區(qū),OC對象在堆區(qū),那么如若對數(shù)據(jù)進(jìn)行裝箱和拆箱操作,勢必會(huì)帶來額外的內(nèi)存開銷,所以,不要不關(guān)心數(shù)據(jù)類型!

隨帶引出野指針和內(nèi)存泄露的概念:

• 野指針: 對應(yīng)堆區(qū)數(shù)據(jù)已經(jīng)釋放,但是棧區(qū)指針的指針并未被清空;
• 內(nèi)存泄露: 對應(yīng)棧區(qū)的指針已被清空,但其所指向的堆區(qū)內(nèi)存并未釋放;
• 空指針: 沒有對應(yīng)的堆區(qū),即沒有指向的存儲(chǔ)空間;

五. 內(nèi)存相關(guān)的修飾符

• strong ：強(qiáng)引用，ARC中使用，與MRC中retain類似，使用之后，計(jì)數(shù)器+1。
• weak ：弱引用 ，ARC中使用，如果只想的對象被釋放了，其指向nil，可以有效的避免野指針，其引用計(jì)數(shù)為1。
• readwrite : 可讀可寫特性，需要生成getter方法和setter方法時(shí)使用。
• readonly : 只讀特性，只會(huì)生成getter方法 不會(huì)生成setter方法，不希望屬性在類外改變。
• assign ：賦值特性，不涉及引用計(jì)數(shù)，弱引用，setter方法將傳入?yún)?shù)賦值給實(shí)例變量，僅設(shè)置變量時(shí)使用。
• retain ：表示持有特性，setter方法將傳入?yún)?shù)先保留，再賦值，傳入?yún)?shù)的retaincount會(huì)+1。
• copy ：表示拷貝特性，setter方法將傳入對象復(fù)制一份，需要完全一份新的變量時(shí)。
• nonatomic ：非原子操作，不加同步，多線程訪問可提高性能，但是線程不安全的。決定編譯器生成的setter getter是否是原子操作。
• atomic ：原子操作，同步的，表示多線程安全，與nonatomic相反。(所以,在并發(fā)讀寫的時(shí)候可以考慮直接使用atomic,而不是使用各種鎖/信號量等)

六. 看完內(nèi)存分配算法順便分析一下 alloc 和 new 的區(qū)別:

alloc 和 new 最終都要調(diào)用底層的 malloc 函數(shù)族;
直接上源碼:

• new

+new{
id newObject = (*_alloc)((Class)self, 0);
Class metaClass = self->isa;
if (class_getVersion(metaClass) > 1)
    return ;
else
    return newObject;
}

• alloc

 +alloc
{
return (*_zoneAlloc)((Class)self, 0, malloc_default_zone());
}

很明顯,區(qū)別只在于alloc分配內(nèi)存的時(shí)候使用了zone，這個(gè)zone是個(gè)什么東東呢？它是給對象分配內(nèi)存的時(shí)候，把關(guān)聯(lián)的對象分配到一個(gè)相鄰的 內(nèi)存區(qū)域內(nèi)(循環(huán)首次適應(yīng)算法 )，以便于調(diào)用時(shí)消耗很少的代價(jià)，提升了程序處理速度;

new 和 malloc 區(qū)別:

• new 是c++中的操作符，malloc是c 中的一個(gè)函數(shù)
• new 不止是分配內(nèi)存，而且會(huì)調(diào)用類的構(gòu)造函數(shù)，同理delete會(huì)調(diào)用類的析構(gòu)函數(shù)，而malloc則只分配內(nèi)存，不會(huì)進(jìn)行初始化類成員的工作，同樣free也不會(huì)調(diào)用析構(gòu)函數(shù)
• 內(nèi)存泄漏對于malloc或者new都可以檢查出來的，區(qū)別在于new可以指明是那個(gè)文件的那一行， 而malloc沒有這些信息。

new 和 malloc效率比較

• new可以認(rèn)為是malloc加構(gòu)造函數(shù)的執(zhí)行。
• new出來的指針是直接帶類型信息的。