iOS-內(nèi)存管理2-內(nèi)存區(qū)域、Tagged Pointer

一. 內(nèi)存區(qū)域

iOS程序的內(nèi)存布局.png

驗(yàn)證上圖，代碼如下：

#import <UIKit/UIKit.h>
#import "AppDelegate.h"

int a = 10;
int b;

int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        static int c = 20;
        
        static int d;
        
        int e;
        int f = 20;

        NSString *str1 = @"123";
        NSString *str2 = @"123";
        
        NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];
        
        NSLog(@"\n&a=%p\n&b=%p\n&c=%p\n&d=%p\n&e=%p\n&f=%p\nstr1=%p\nstr2=%p\nobj=%p\n",
              &a, &b, &c, &d, &e, &f, str1, str2, obj);
        
        return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));
    }
}

運(yùn)行后，整理打?。?/p> 

代碼段：函數(shù)都存放在代碼段，由于函數(shù)地址沒(méi)法直接打印，只能進(jìn)入?yún)R編查看，這里就省略了。

數(shù)據(jù)段：字符串常量
str1=0x10dfa0068
str2=0x10dfa0068

數(shù)據(jù)段：已初始化的全局變量、靜態(tài)變量
&a =0x10dfa0db8
&c =0x10dfa0dbc

數(shù)據(jù)段：未初始化的全局變量、靜態(tài)變量
&d =0x10dfa0e80
&b =0x10dfa0e84

堆：alloc動(dòng)態(tài)分配的空間
obj=0x608000012210

棧：函數(shù)調(diào)用開(kāi)銷(xiāo)，比如局部變量
&f =0x7ffee1c60fe0
&e =0x7ffee1c60fe4

可以發(fā)現(xiàn)：

  1. 上面的內(nèi)存地址從小到大。
  2. 字符串常量一樣的時(shí)候，指針指向的內(nèi)存地址也一樣，說(shuō)明保存在內(nèi)存中只有一份內(nèi)存。
  3. 棧里面內(nèi)存分配的確是從大到小的。先分配e，再分配f，所以e內(nèi)存地址比f(wàn)大。
  4. 堆和棧地址位數(shù)比較多，說(shuō)明系統(tǒng)給堆、棧預(yù)留的空間比較大。

二. Tagged Pointer技術(shù)

1. 關(guān)于Tagged Pointer

  1. 從64bit開(kāi)始，iOS引入了Tagged Pointer技術(shù)，用于優(yōu)化NSNumber、NSDate、NSString等小對(duì)象的存儲(chǔ)，Tagged Pointer技術(shù)是編譯器幫我們做的。
  2. 在沒(méi)有使用Tagged Pointer之前， NSNumber等對(duì)象需要?jiǎng)討B(tài)分配內(nèi)存、維護(hù)引用計(jì)數(shù)等，NSNumber指針存儲(chǔ)的是堆中NSNumber對(duì)象的地址值。
  3. 使用Tagged Pointer之后，NSNumber指針里面存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)變成了：Tag + Data，也就是將數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)在了指針中，其中Tag是標(biāo)記是什么類(lèi)型，比如NSNumber、NSDate、NSString等。
  4. 當(dāng)指針不夠存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，才會(huì)使用動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存的方式來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
  5. objc_msgSend能識(shí)別Tagged Pointer，比如NSNumber的intValue方法，優(yōu)點(diǎn)就是直接從指針提取數(shù)據(jù)，節(jié)省了以前的調(diào)用開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)也會(huì)節(jié)省內(nèi)存。
  6. 如何判斷一個(gè)指針是否為T(mén)agged Pointer？
    iOS平臺(tái)，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制，最高有效位是1（第64bit位）
    Mac平臺(tái)，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制，最低有效位是1（第0bit位）

2. 為什么使用Tagged Pointer？

使用Tagged Pointer，就是直接從指針提取數(shù)據(jù)，節(jié)省了以前的調(diào)用開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)也會(huì)節(jié)省內(nèi)存。

Tagged Pointer.png

可以發(fā)現(xiàn)，使用Tagged Pointer之前，如果想要保存10，需要包裝成NSNumber對(duì)象(16字節(jié))，NSNumber對(duì)象里面放著10，然后用number指針(8字節(jié))指向NSNumber對(duì)象，至少需要24字節(jié)。

使用Tagged Pointer之后，number指針(8字節(jié))里面保存的就是16進(jìn)制的10：0xb000a1。其中0x代表16進(jìn)制，b就是標(biāo)記NSNumber類(lèi)型，a是16進(jìn)制的10，1代表使用了Tagged Pointer技術(shù)，這樣，8字節(jié)就能存放NSNumber類(lèi)型的10了。

3. 舉例證明

創(chuàng)建命令行項(xiàng)目(Mac平臺(tái)的)，舉例證明：

#import <Foundation/Foundation.h>
//是否使用了TaggedPointer技術(shù)
BOOL isTaggedPointer(id pointer)
{
    return (long)(__bridge void *)pointer & 1;
}

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
//        //完整寫(xiě)法
//        NSNumber *number = [NSNumber numberWithInt:10];
//        //簡(jiǎn)寫(xiě)
//        NSNumber *number = @10;

        //再簡(jiǎn)寫(xiě)
        NSNumber *number1 = @4;
        NSNumber *number2 = @5;
        NSNumber *number3 = @(0xFFFFFFFFFFFFFFF);//數(shù)字很大，存儲(chǔ)的是對(duì)象
        
        NSLog(@"%p %p %p", number1, number2, number3);
        NSLog(@"%d %d %d", isTaggedPointer(number1), isTaggedPointer(number2), isTaggedPointer(number3));
    }
    return 0;
}

打印結(jié)果為：

0x77f92be9bdbfa067 0x77f92be9bdbfa167 0x100575490
1 1 0

前兩個(gè)數(shù)字比較小，使用了Tagged Pointer技術(shù)，第3個(gè)數(shù)字比較大，被包裝成NSNumber對(duì)象，放在了堆空間。

前兩個(gè)地址，末尾都是7，轉(zhuǎn)成二進(jìn)制就是0b0111，最后末尾是1，說(shuō)明使用了Tagged Pointer技術(shù)，可以使用&1獲取最后一位，根據(jù)最后一位是否為1，判斷是否使用了Tagged Pointer技術(shù)(如上打印)。

第三個(gè)地址，末尾是0，轉(zhuǎn)成二進(jìn)制就是0b0000，被包裝成了NSNumber對(duì)象。因?yàn)镺C對(duì)象有內(nèi)存對(duì)齊的概念，OC對(duì)象的內(nèi)存大小必須是16的倍數(shù)，所以只要是OC對(duì)象，內(nèi)存地址最后一位一定是0。

如果將number1轉(zhuǎn)成int：

[number1 intValue]

其實(shí)就是objc_msgSend(number1, @selector(intValue))，objc_msgSend能識(shí)別Tagged Pointer，number1使用了Tagged Pointer，所以轉(zhuǎn)成int的時(shí)候，是直接取出number1里面的值，節(jié)省了調(diào)用開(kāi)銷(xiāo)。可以發(fā)現(xiàn)，Tagged Pointer不僅僅是內(nèi)存空間的優(yōu)化，還是使用上的優(yōu)化。

4. 補(bǔ)充：查看OC源碼是如何判斷是否使用了Tagged Pointer的？

在objc4里面搜索到如下源碼：

#if TARGET_OS_OSX && __x86_64__
    // 如果是Mac平臺(tái)，設(shè)置為0
#   define OBJC_MSB_TAGGED_POINTERS 0
#else
    // 其他平臺(tái)(iOS平臺(tái))，設(shè)置為1
#   define OBJC_MSB_TAGGED_POINTERS 1
#endif

#if OBJC_MSB_TAGGED_POINTERS //如果是iOS平臺(tái)
#   define _OBJC_TAG_MASK (1UL<<63)  //1左移63位
#else  //如果是Mac平臺(tái)
#   define _OBJC_TAG_MASK 1UL   //1
#endif

static inline bool 
_objc_isTaggedPointer(const void * _Nullable ptr) 
{
    return ((uintptr_t)ptr & _OBJC_TAG_MASK) == _OBJC_TAG_MASK;
}

可以發(fā)現(xiàn)，和我們上面說(shuō)的一樣，如果是iOS平臺(tái)，就看最高有效位是不是1，如果是Mac平臺(tái)，就看最低有效位是不是1。

三. 面試題

思考以下兩段代碼能發(fā)生什么事？有什么區(qū)別？

@property (copy, nonatomic) NSString *name;

dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);

for (int i = 0; i < 1000; i++) {
    dispatch_async(queue, ^{
        self.name = [NSString stringWithFormat:@"abcdefghijk"];
    });
}

for (int i = 0; i < 1000; i++) {
    dispatch_async(queue, ^{
        self.name = [NSString stringWithFormat:@"abc"];
    });
}

運(yùn)行之后，第一段代碼報(bào)錯(cuò)壞內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)，并且崩在objc_release這個(gè)函數(shù)。第二段代碼沒(méi)問(wèn)題。

報(bào)錯(cuò).png

1. 為什么報(bào)壞內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)錯(cuò)誤？

我們知道，上面的setter方法，ARC內(nèi)部實(shí)現(xiàn)是：

- (void)setName:(NSString *)name
{
    _name = name;
}

ARC最終都要轉(zhuǎn)成MRC，MRC內(nèi)部實(shí)現(xiàn)是：

- (void)setName:(NSString *)name
{
    if (_name != name) {
        [_name release]; //先釋放舊的
        _name = [name copy]; //再賦值新的
    }
}

問(wèn)題就出在 [_name release]，當(dāng)多條線(xiàn)程同時(shí)調(diào)用setter方法的時(shí)候，就有可能多個(gè)線(xiàn)程同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)[_name release]，剛開(kāi)始引用計(jì)數(shù)器為1，當(dāng)?shù)诙蝦elease的時(shí)候，_name已經(jīng)釋放了，這時(shí)候再訪(fǎng)問(wèn)_name就會(huì)報(bào)錯(cuò)：壞內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)。

2. 如何解決呢？

  1. 改用atomic修飾，不推薦，具體可參考：加鎖方案2

  2. 調(diào)用setter方法之前加鎖，如下：

// 在這里加鎖
self.name = [NSString stringWithFormat:@"abcdefghijk"];
// 在這里解鎖

具體怎么加鎖可參考：加鎖方案1

3. 為什么第二段代碼不會(huì)崩潰？

首先，運(yùn)行以下代碼：

NSString *str1 = [NSString stringWithFormat:@"abcdefghijk"];
NSString *str2 = [NSString stringWithFormat:@"abc"];
    
NSLog(@"%@ %@", [str1 class], [str2 class]);
NSLog(@"%p %p",str1, str2);

打?。?/p> 

__NSCFString NSTaggedPointerString
0x6000037fa1a0 0xec1baa29b42aee38

根據(jù)上面我們學(xué)的Tagged Pointer技術(shù)，結(jié)合打印的類(lèi)型信息，很容易知道，str1是OC對(duì)象，str2使用了Tagged Pointer技術(shù)，abc的值直接存儲(chǔ)到str2指針里面了。所以，對(duì)于str2，不是OC對(duì)象，不會(huì)調(diào)用setter方法，而是直接從指針里面獲取值，所以不會(huì)出現(xiàn)上面的崩潰。

4. 補(bǔ)充：驗(yàn)證str2使用了Tagged Pointer技術(shù)

由于上面代碼是iOS項(xiàng)目，如果將0xec1baa29b42aee38轉(zhuǎn)成二進(jìn)制，最高位是1，說(shuō)明使用了Tagged Pointer技術(shù)。

將0xec1baa29b42aee38轉(zhuǎn)成二進(jìn)制，如下：

轉(zhuǎn)成二進(jìn)制.png

可以發(fā)現(xiàn)，最高位第64位 (0 - 63)，的確是1，說(shuō)明真的使用了Tagged Pointer技術(shù)。

Demo地址：內(nèi)存區(qū)域、Tagged Pointer技術(shù)

最后編輯于 ：
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