內存管理系列—OC的內存管理方案

內存管理系列文章：

• 內存管理系列—從C語言看OC的內存佈局
• 內存管理系列—OC的內存管理方案
• 內存管理系列—OC的內存管理模式

引言

蘋果設備受歡迎的背後離不開iOS優秀的內存管理，不一樣場景，系統提供了不一樣的內存管理方案來節省內存和提升執行效率，大體有以下三種：

• TaggedPointer （對於一些小對象，好比說NSNumber,NSString等）
• NONPOINTER_ISA （不只僅是指針）
• 散列表SideTables

TaggedPointer

爲了節省內存和提升執行效率，蘋果提出了Tagged Pointer的概念。對於 64 位程序，引入 Tagged Pointer 後，相關邏輯能減小一半的內存佔用，蘋果對於Tagged Pointer特色的介紹：

• Tagged Pointer專門用來存儲小的對象，例如NSNumber和NSDate
• Tagged Pointer指針的值再也不是地址了，而是真正的值。因此，實際上它再也不是一個對象了，它只是一個披着對象皮的普通變量而已。因此，它的內存並不存儲在堆中，也不須要 malloc 和 free。
• 在內存讀取上有着 3 倍的效率，建立時比之前快 106 倍。

爲何會出現TaggedPointer

假設咱們要存儲一個 NSNumber 對象，其值是一個整數。正常狀況下，若是這個整數只是一個 NSInteger 的普通變量，那麼它所佔用的內存是與 CPU 的位數有關，在 32 位 CPU 下佔 4 個字節，在 64 位 CPU 下是佔 8 個字節的。而指針類型的大小一般也是與 CPU 位數相關，一個指針所佔用的內存在 32 位 CPU 下爲 4 個字節，在 64 位 CPU 下也是 8 個字節。

因此一個普通的 iOS 程序，若是沒有Tagged Pointer對象，從 32 位機器遷移到 64 位機器中後，雖然邏輯沒有任何變化，但這種 NSNumber、NSDate 一類的對象所佔用的內存會翻倍。以下圖所示：

爲了存儲和訪問一個 NSNumber 對象，咱們須要在堆上爲其分配內存，另外還要維護它的引用計數，管理它的生命期。這些都給程序增長了額外的邏輯，形成運行效率上的損失，因此須要一種解決方案（TaggedPointer）來節省內存和提升執行效率。

TaggedPointer的原理

爲了改進上面提到的內存佔用和效率問題，蘋果提出了Tagged Pointer對象。因爲 NSNumber、NSDate 一類的變量自己的值須要佔用的內存大小經常不須要 8 個字節，拿整數來講，4 個字節所能表示的有符號整數就能夠達到 20 多億（注：2^31=2147483648，另外 1 位做爲符號位)，對於絕大多數狀況都是能夠處理的。

因此咱們能夠將一個對象的指針拆成兩部分，一部分直接保存數據，另外一部分做爲特殊標記，表示這是一個特別的指針，不指向任何一個地址。因此，引入了Tagged Pointer對象以後，64 位 CPU 下 NSNumber 的內存圖變成了如下這樣：

方案對比： 當NSNumber、NSDate、NSString存值很小的狀況下

• 在沒有使用TaggedPointer以前：

  • NSNumber等對象須要動態分配內存、維護引用計數等，NSNumber指針存儲的是堆中NSNumber對象的地址值（須要建立OC對象）

• 使用TaggedPointer以後：

  • NSNumber指針裏面存儲的數據變成了：Tag + Data，也就是將數據直接存儲在了指針中（不須要建立OC對象）

• 當存值很大，指針不夠存儲數據時（超過64位），纔會使用動態分配內存的方式來存儲數據（建立OC對象）

• 消息調用時，objc_msgSend 能識別TaggedPointer，好比NSNumber的intValue方法，直接從指針提取數據，節省了之前的調用開銷（並且這不是真的OC對象，根本就沒有isa去找方法）

demo

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSNumber *num1 = @3;
        NSNumber *num2 = @4;
        NSNumber *num3 = @5;
        // 數值太大，64位不夠放，得alloc生成個對象來保存
        NSNumber *num4 = @(0xFFFFFFFFFFFFFFFF); 
        // 小數值的NSNumber對象，並非alloc出來放在堆中的對象，只是一個單純的指針，目標值是存放在指針的地址值中
        NSLog(@"%p %p %p %p", num1, num2, num3, num4); 
        }
    }
// 打印日誌
2020-03-23 16:10:30.888204+0800 04-內存管理-Tagged Pointer[6079:225288] 0x2027be5cc632c957 0x2027be5cc632ce57 0x2027be5cc632cf57 0x100512050
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說明： 猜想是iOS13以後底層多加了一層掩碼，之前輸出num1, num2, num3地址是0x327 0x427 0x527 ，直接能夠從地址裏面看到NSNumber的值

如何斷定是不是TaggedPointer

斷定規則：將某個對象和1進行位運算

• iOS平臺的斷定位爲最高有效位（第64位）
• Mac平臺的斷定位爲最低有效位（第1位）

斷定爲是【1】就是TaggedPointer，不然這就是分配到堆中的OC對象的內存地址（OC對象在內存中以16對齊，所以有效位確定是0，16 = 0x10 = 0b00010000）。

BOOL isTaggedPointer(id pointer) {
    return (long)(__bridge void *)pointer & (long)1; // Mac平臺是最低有效位（第1位）
 }
int main(int argc, const char * argv[]) {
   @autoreleasepool {
    NSNumber *num3 = @5;
    NSNumber *num4 = @(0xFFFFFFFFFFFFFFFF); 
    NSLog(@"%d %d ", isTaggedPointer(num3), isTaggedPointer(num4));
 }
}
// 打印日誌
2020-03-23 16:10:30.888286+0800 04-內存管理-Tagged Pointer[6079:225288] 1 0
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優勢

TaggedPointer技術的好處：

1. 存值：直接把值存到指針中，不須要再新建一個OC對象來保存（額外多分配至少16個字節）--- 省內存
2. 取值：直接從指針中把目標值抽取出來，不須要像OC對象那樣，先從類對象的方法列表中查找再調用來獲取那麼麻煩 --- 性能好、效率高

NONPOINTER_ISA

在arm64位下iOS操做系統，Objective-C對象的isa區域再也不只是一個指針，在64位架構下的isa指針是64bit位，實際上33位就可以表示類對象（或元類對象）的地址，爲了提供內存的利用率，在剩餘的bit位當中添加了內存管理的數據內容

位域簡介

有些數據在存儲時並不須要佔用一個完整的字節，只須要佔用一個或幾個二進制位就能夠了。

正是基於這種考慮，C語言又提供了一種叫作位域的數據結構。在結構體定義時，咱們能夠指定某個成員變量所佔用的二進制位數（Bit），這就是位域。

上個demo

struct {
        char name : 1;
        char number : 1;
        char sex : 1;
 } Person;
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簡單總結：

• 「:1」表明只佔1位的意思，這裏聲明的這3個成員就各佔1bit，共3bit,因此這個結構體只須要用到3bit的內存，這樣系統只須要分配1個字節就夠用了（內存分配至少也得1個字節）
• 結構體定義的順序，在內存裏面對應的字節順序是從右往左的

// 0b00000 0    0    0
           ↓    ↓    ↓
          sex number name
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共同體union簡介

• union和struct區別

1. 內存佔用方式：與結構體不一樣的是，共用體的全部成員佔用同一段內存，修改一個成員會影響其他成員。可是結構體的各個成員會佔不一樣的內存
2. 內存大小：結構體佔用的內存大於等於全部成員佔用的內存總和（成員之間可能存在縫隙），共用體佔用的內存等於最長的成員佔用的內存

• **union的使用 **

union {
     int  number; // 佔4字節
     float age;  // 佔8字節
   } person; // 以最大的那一個成員的內存來分配，因此共同體佔8字節
    
   test.number = 3;
   test.age = 20;
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猜想下number的結果:

此時再次訪問 test.number 就再也不是3，而是20了，由於這兩個成員共用一塊內存，以前的3被覆蓋了

• union的變體

union {
        char content;
        //【這個結構體純屬擺設】自始至終只操做content，不會用到這個結構體，不影響存儲
        struct {  
             char name : 1;
             char number : 1;
             char sex : 1;
        };
     
    }person
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簡單總結：

1. union中的struct主要是爲了提升可讀性，用來講明content裏面存放的是這3個成員信息，而且每個成員佔1位，描述性做用。
2. 外部操做的是content，不會對struct進行操做

isa結構

• arm64架構以前，isa是一個普通的指針，存儲着Class、MetaClass對象的地址
• 從arm64架構以後，蘋果對isa進行了優化，變成了一個公用體

# 只看arm64狀況下
union isa_t {
    Class cls;
    uintptr_t bits;
    struct {
      uintptr_t nonpointer        : 1;                                       \
      uintptr_t has_assoc         : 1;                                       \
      uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;                                       \
      uintptr_t shiftcls          : 33; /*MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x1000000000*/ \
      uintptr_t magic             : 6;                                       \
      uintptr_t weakly_referenced : 1;                                       \
      uintptr_t deallocating      : 1;                                       \
      uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;                                       \
      uintptr_t extra_rc          : 19
    };
};

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字段含義解釋

1. nonpointer：0，表明普通的指針，存儲着Class、Meta-Class對象的內存地址。 1，表明優化過，使用位域存儲更多的信息
2. has_assoc：是否有設置過關聯對象，若是沒有，釋放時會更快
3. has_cxx_dtor：是否有C++的析構函數（.cxx_destruct），若是沒有，釋放時會更快
4. shiftcls：存儲着Class、Meta-Class對象的內存地址信息
5. magic： 用於在調試時分辨對象是否未完成初始化
6. weakly_referenced：是否有被弱引用指向過，若是沒有，釋放時會更快
7. deallocating：對象是否正在釋放
8. extra_rc：裏面存儲的值是引用計數器減1
9. has_sidetable_rc：引用計數器是否過大沒法存儲在isa中，若是爲1，那麼引用計數會存儲在一個叫SideTable的類的屬性中。

可是若是 extar_rc不夠存儲的話，就須要將引用計數存入一個叫 Side Table 的數據結構中。

散列表(SideTables)

SideTables()實際是一個哈希表，咱們能夠經過對象指針，找到所對應的引用計數表或弱引用表位於哪一個SideTable表中。也就是有多個sideTable表

思考：爲何不是一個大表，而是多個表？

回答：若是隻有一張表，全部對象的引用計數都放到一張表中，則若是在修改某個對象的引用計數的時候，因爲對象可能在不一樣線程中被操做，則須要對錶進行加鎖，這樣一來，效率就會極地。

什麼是哈希表

是根據關鍵碼值(Key value)而直接進行訪問的數據結構。也就是說，它經過把關鍵碼值映射到表中一個位置來訪問記錄，以加快查找的速度，賦值和獲取都避免了遍歷，提升了效率

SideTable結構

底層源碼結構以下：

struct SideTable {
    spinlock_t slock;//自旋鎖
    RefcountMap refcnts;//引用計數表
    weak_table_t weak_table;//弱引用表
   }
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能夠看到SideTable是由三部分組成

Spinlock_t自旋鎖

• 自旋鎖來用來防止操做表結構時可能的競態條件，適用於輕量訪問。好比引用計數的修改
• Spinlock_t是「忙等」的鎖，對SideTable加鎖，避免數據錯誤

引用計數表RefcountMap

引用計數表也是一個hash表，經過hash函數找到指針對應的引用計數的位置。

弱引用表weak_table_t

弱引用表也是一個hash表，經過hash函數找到對象對應的弱引用數組

底層結構：

struct weak_table_t {
    weak_entry_t *weak_entries;
    size_t    num_entries;
};
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參考文章：

• 深刻理解Tagged Pointer
• iOS中內存管理方案