iOS底层原理:内存五大区

在iOS中,内存主要分为栈区、堆区、全局区、常量区、代码区五大区域。如下图所示

内存五大区域

栈区(Stack)

定义
  • 栈是系统数据结构,其对应的进程或者线程是唯一

  • 栈是由高地址向低地址扩展的数据结构

  • 栈是一块连续的内存区域,遵循先进后出(FILO)原则

  • 栈的地址空间在iOS中是以0x7开头

  • 栈区的内存一般在运行时分配

存储

栈区是由编译器自动分配并释放的,主要用来存储

  • 局部变量

  • 函数的参数,例如函数的隐藏参数(id self,SEL _cmd)

优缺点
  • 优点:因为栈是由编译器自动分配并释放的,不会产生内存碎片,所以快速高效

  • 缺点:栈的内存大小有限制数据不灵活

    • iOS主线程栈大小是1MB

    • 其他线程是512KB

    • MAC只有8M

以上内存大小的说明,在Threading Programming Guide中有相关说明

官方文档说明

堆区(Heap)

定义
  • 堆是由低地址向高地址扩展的数据结构

  • 堆是不连续的内存区域,类似于链表结构(便于增删,不便于查询),遵循先进先出(FIFO)原则

  • 堆的地址空间在iOS中是以0x6开头,其空间的分配总是动态

  • 堆区内存的分配一般是在运行时分配

存储

堆区是由程序员动态分配和释放的,如果程序员不释放,程序结束后,可能由操作系统回收,主要用于存放

  • OC中使用alloc或者 使用new开辟空间创建对象

  • C语言中使用malloccallocrealloc分配的空间,需要free释放

优缺点
  • 优点:灵活方便,数据适应面广泛

  • 缺点:需手动管理,速度慢、容易产生内存碎片

当需要访问堆中内存时,一般需要先通过对象读取到栈区的指针地址,然后通过指针地址访问堆区

全局区(静态区,即.bss & .data)

全局区是编译时分配的内存空间,在iOS中一般以0x1开头,在程序运行过程中,此内存中的数据一直存在,程序结束后由系统释放,主要存放

  • 未初始化全局变量静态变量,即BSS区(.bss)

  • 已初始化全局变量静态变量,即数据区(.data)

其中,全局变量是指变量值可以在运行时被动态修改,而静态变量是static修饰的变量,包含静态局部变量和静态全局变量

常量区(即.rodata)

常量区是编译时分配的内存空间,在程序结束后由系统释放,主要存放

  • 已经使用了的,且没有指向的字符串常量

字符串常量因为可能在程序中被多次使用,所以在程序运行之前就会提前分配内存

代码区(即.text)

代码区是编译时分配主要用于存放程序运行时的代码,代码会被编译成二进制存进内存

验证内存五大区域

运行下面一段代码,看看变量在内存中是如何分配的

- (void)test{
    
    NSInteger i = 123;
    NSLog(@"i的内存地址:%p", &i);
    
    NSString *string = @"CJL";
    NSLog(@"string的内存地址:%p", string);
    NSLog(@"&string的内存地址:%p", &string);
    
    NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];
    NSLog(@"obj的内存地址:%p", obj);
    NSLog(@"&obj的内存地址:%p", &obj);  
}

打印结果如下所示

2020-11-03 21:48:46.846481+0800 demo[3786:131132] i的内存地址:0x7ffeefbff498
2020-11-03 21:48:46.846554+0800 demo[3786:131132] string的内存地址:0x100004050
2020-11-03 21:48:46.846600+0800 demo[3786:131132] &string的内存地址:0x7ffeefbff490
2020-11-03 21:48:46.846648+0800 demo[3786:131132] obj的内存地址:0x100434b00
2020-11-03 21:48:46.846689+0800 demo[3786:131132] &obj的内存地址:0x7ffeefbff488
  • 对于局部变量i,从地址可以看出是0x7开头,所以i存放在栈区

  • 对于字符串对象string,分别打印了string的对象地址string对象的指针地址

    • string的对象地址以0x1开头,说明是存放在常量区

    • string对象的指针地址以0x7开头,说明是存放在栈区

  • 对于alloc创建的对象obj,分别打印了obj的对象地址obj对象的指针地址

    • obj的对象地址以0x6开头,说明是存放在堆区

    • obj对象的指针地址以0x7开头,说明是存放在栈区

函数栈

  • 函数栈又称为栈区,在内存中从高地址往低地址分配,与堆区相对,具体图示请查看文章最开始的图示

  • 栈帧是指函数(运行中且未完成)占用的一块独立的连续内存区域

  • 应用中新创建的每个线程都有专用的栈空间,栈可以在线程期间自由使用。而线程中有千千万万的函数调用,这些函数共享进程的这个栈空间每个函数所使用的栈空间是一个栈帧,所有的栈帧就组成了这个线程完整的栈

  • 函数调用是发生在栈上的,每个函数的相关信息(例如局部变量、调用记录等)都存储在一个栈帧中,每执行一次函数调用,就会生成一个与其相关的栈帧,然后将其栈帧压入函数栈,而当函数执行结束,则将此函数对应的栈帧出栈并释放掉

如下图所示,是经典图 - ARM的栈帧布局方式

ARM的栈帧布局方式
  • 其中main stack frame调用函数的栈帧

  • func1 stack frame当前函数(被调用者)的栈帧

  • 栈底地址,栈向下增长。

  • FP就是栈基址,它指向函数的栈帧起始地址

  • SP则是函数的栈指针,它指向栈顶的位置

  • ARM压栈顺序很是规矩(也比较容易被黑客攻破么),依次为当前函数指针PC返回指针LR栈指针SP栈基址FP传入参数个数及指针本地变量临时变量。如果函数准备调用另一个函数,跳转之前临时变量区先要保存另一个函数的参数。

  • ARM也可以用栈基址和栈指针明确标示栈帧的位置,栈指针SP一直移动,ARM的特点是,两个栈空间内的地址(SP+FP)前面,必然有两个代码地址(PC+LR)明确标示着调用函数位置内的某个地址。

堆栈溢出

一般情况下应用程序是不需要考虑堆和栈的大小的,但是事实上堆和栈都不是无上限的,过多的递归会导致栈溢出,过多的alloc变量会导致堆溢出。

所以预防堆栈溢出的方法:

  • 避免层次过深递归调用

  • 不要使用过多的局部变量,控制局部变量的大小

  • 避免分配占用空间太大的对象,并及时释放

  • 实在不行,适当的情景下调用系统API修改线程的堆栈大小

栈帧示例

栈帧程序示例

int Add(int x,int y) {
    int z = 0;
    z = x + y;
    return z;
}

int main() {
    int a = 10;
    int b = 20;
    int ret = Add(a, b);
}

程序执行时栈区中栈帧的变化如下图所示

栈帧的变化
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