iOS底层-内存五大区

总述

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:


内存五大区图.png

下面分别介绍这五大区

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的

栈是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.png

堆区(Heap)

定义

堆是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的

堆区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malloc、calloc、realloc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

未初始化的全局变量和静态变量,即BSS区(.bss)

已初始化的全局变量和静态变量,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的

内存五大区验证

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);  
}

运行结果如下:


运行结果.png

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 和 string对象的指针地址
string的对象地址是以0x1开头,说明是存放在常量区

string对象的指针地址是以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 和 obj对象的指针地址(可以参考前文的汇总图)
obj的对象地址是以0x6开头,说明是存放在堆区

obj对象的指针地址是以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.png

其中main stack frame为调用函数的栈帧

func1 stack frame为当前函数(被调用者)的栈帧

栈底在高地址,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压栈的顺序很是规矩(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、本地变量和临时变量。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:

(1)避免层次过深的递归调用;

(2)不要使用过多的局部变量,控制局部变量的大小;

(3)避免分配占用空间太大的对象,并及时释放;

(4)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

描述下面代码的栈帧变化

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.png
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