ios内存数据结构 ios内存分配深度解析

一、iOS 应用程序使用的计算机内存不是统一分配空间，运行代码使用的空间在几个不同的内存区域 

1. 代码区

代码区是用来存放函数的二进制代码（存放App代码），它是可执行程序在内存中的镜像。代码段需要防止在运行时被非法修改，所以只允许读取操作，而不允许写入操作。

2. 全局（静态）区

• 数据区：数据段用来存放可执行文件中已经初始化的全局变量，也就是用来存放静态分配的变量和全局变量。
• BSS区：BSS段包含了程序中未初始化的全局变量

包括两个部分：未初始化过 、初始化过； 也就是说，（全局区／静态区）在内存中是放在一起的，初始化的全局变量和静态变量在一块区域， 未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域； eg：int a;未初始化的。int a = 10;已初始化的。

3. 常量区

常量存储区，这是一块比较特殊的存储区，他们里面存放的是常量。

4. 堆（heap）区

堆是由程序员分配和释放(若程序员不释放，则可能会引起内存泄漏)，用于存放进程运行中被动态分配的内存段。它大小不固定，可动态扩张和缩减。

• 堆区的内存分配使用的是alloc；
• ARC的内存的管理，是编译器在编译的时候自动添加 retain、release、autorelease；
• 堆区的地址是从低到高

5. 栈（stack）区

栈是由编译器自动分配释放来管理内存。用户存放程序临时创建的变量、存放函数的参数值、局部变量等。由于栈的先进后出特点，所以特别适合用来做保存/恢复现场的操作。从这个意义上，我们可以把栈看做一个临时寄存、交换的内存区。

上述几种内存区域中，数据段、BSS、堆通常都是被连续存储的-内存位置上的连续（并不是堆链式存储的内存区域）。而代码段和栈往往会被独立存放。

栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存区域。堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。

二、内存模型 Heap、Stack 

2.1、堆 Heap

寄存器(栈)只能存放少量的数据，大多数时候， CPU 还要指挥寄存器直接跟内存交换数据，所以除了寄存器，还必须了解内存怎么存储数据。

程序运行的时候，操作系统会给它分配一块内存，用来存储程序和运行产生的数据，比如从 0x1000 到 0x8000，起始地址是较小的那个地址，结束地址是较大的那个地址。

程序运行过程中，对于动态的内存占用请求（比如新建对象），系统就会从预先分配好的那段内存中，划出一部分给用户，具体规则是从起始地址开始划分（实际上，起始地址会有一段静态数据，这里忽略）。举例来说，用户要求得到10个字节内存，那么从起始地址 0x1000 开始给他分配，一直分配到 0x100A，如果在要求得到 22 个字节，那么就分配到 0x1020。

这种因为用户主动请求而划分出来的内存区域，叫做 Heap(堆)。它由起始位置开始，从低位（地址）向高位（地址）增长。 Heap 的一个重要特点就是不会自动消失，必须手动释放，或者由垃圾回收机制来回收。

动态内存区域，使用alloc或new申请的内存；为了访问你创建在heap 中的数据，需要一个保存在stack中的指针，因为要通过stack中的指针访问heap 中的数据。

可以认为stack 中的一个指针仅仅是一个整型变量，保存了heap 中特定内存地址的数据。简而言之，操作系统使用stack 段中的指针值访问heap 段中的对象。如果stack 对象的指针没有了，则heap 中的对象就不能访问。这也是内存泄露的原因。

 2.2、 栈 Stack

除了 Heap 外，其他的内存占用叫做 Stack(栈)。简单来说，Stack 是由于函数运行而临时占用的内存区域。

int main() {
    int a = 2;
    int b = 3;
}

上面代码中，系统开始执行 main 函数时，会为它在内存里面建立一个 帧（frame），所有的 main 的内部变量（比如 a 和 b）都保存在这个 帧 里面。main 函数执行结束后，该帧就会被回收，释放所有的内部变量，不再占用空间。

如果函数内部调用其他函数，会发生什么情况呢？

int main() { int a = 2; int b = 3; return add_a_and_b(a,b); }

上面代码中，main 函数调用了 add_a_and_b 函数。执行到这一行的时候，系统也会为 add_a_and_b 新建一个 帧（frame），用来存储它的内部变量。也就是说，此时同时存在两个帧：main 和 add_a_and_b。一般来说，调用栈有多少层，就有多少帧。

等到 add_a_and_b 运行结束，它的帧就会被回收，系统会回到刚才 main 函数中断执行的地方，继续往下执行。通过这种机制，就实现了函数的层层调用，并且每一层都能使用自己的本地变量。

所有的帧都存放在 Stack ，由于帧是一层层叠加的，所以 Stack 叫做 栈。生成新的帧，叫 入栈，英文单词是 push；栈的回收叫 出栈，英文是 pop。Stack 的特点就是，最晚入栈的帧最早出栈（因为最内层的函数调用，最先结束执行），这种叫做 后进先出 的数据结构。每一次函数执行结束，就自动释放一个帧，所有的函数执行结束，整个 Stack 就都释放了。

Stack 是由内存区域的结束地址开始，从高位（地址）向地位（地址）分配。比如，内存区域的结束地址是 0x8000，第一帧假定是 16 字节，那么下一次分配的地址就会从 0x7FF0 开始；第二帧假定需要 64 字节，那么地址就会移到 0x7FB0。

 三、Stack 段和Heap 的区别

stack 对象的优点：

1. 创建速度快
2. 管理简单，它有严格的生命周期

stack 对象的缺点：

不灵活，创建时长度是多大就一直是多大，创建时是哪个函数创建的，它的owner 就一直是它。不像heap 对象那样有多个owner ，其实多个owner 等同于引用计数。只有 heap 对象才是采用“引用计数”方法管理它。

堆空间和栈空间的大小是可变的，堆空间从下往上生长，栈空间从上往下生长。

 Stack 对象的创建

只要栈的剩余空间大于 Stack 对象申请创建的空间，操作系统就会为程序提供这段内存空间，否则将报异常提示栈溢出。

Heap 对象的创建

操作系统对于内存Heap 段是采用链表进行管理的。操作系统有一个记录空闲内存地址的链表，当收到程序的申请时，会遍历链表，寻找第一个空间大于所申请的heap 节点，然后将该节点从空闲节点链表中删除，并将该节点的空间分配给程序。

例如：

NSString 的对象就是 stack 中的对象，NSMutableString 的对象就是heap 中的对象。前者创建时分配的内存长度固定且不可修改；后者是分配内存长度是可变的，可有多个owner, 适用于引用计数管理内存管理模式。

两类对象的创建方法也不同，前者直接创建 NSString * str1=@"welcome"; ，而后者需要先分配再初始化 NSMutableString * mstr1=[[NSMutableString alloc] initWithString:@"welcome"];。

下面就NSString和NSMutableString进行实例演练：

1.copy和mutableCopy

NSString *str1= @"a"; // 常量字符串存放在常量区

NSString *str2= [str1 copy];

NSString *str3 = [str1 mutableCopy];    

NSLog(@"str1 地址= %p", str1);

NSLog(@"str2 地址= %p", str2);

NSLog(@"str3 地址= %p", str3);

2022-08-31 10:18:30.599890+0800 ceshi[68188:2659402] str1 地址= 0x100004018

2022-08-31 10:18:30.600483+0800 ceshi[68188:2659402] str2 地址= 0x100004018

2022-08-31 10:18:30.600544+0800 ceshi[68188:2659402] str3 地址= 0x10307beb0

可以很明显的看出来,我们进行的copy操作为浅拷贝,两个指针(str1和str2)指向的是同一块内存地址,

我们进行的mutableCopy操作为深拷贝,指向的是两块存储相同内容的内存地址.原因是mutableCopy操作是将其从栈拷贝到堆上引用计数加1

 2、NSString

NSString *str1= @"123";

NSString *str2= @"123";

NSLog(@"str1 address= %p", str1);

NSLog(@"str2 address= %p", str2);
    
if (str1 == str2) {

    NSLog(@"str1 == str2");

    str1 = @"456";

    NSLog(@"str1 address= %p",str1);

    NSLog(@"str2 address= %p",str2);

    str1 = nil;

    NSLog(@"str2 address= %p",str2);

  }

2022-08-31 10:23:16.105566+0800 ceshi[68242:2662644] str1 address= 0x100004010

2022-08-31 10:23:16.106070+0800 ceshi[68242:2662644] str2 address= 0x100004010

2022-08-31 10:23:16.106148+0800 ceshi[68242:2662644] str1 == str2

2022-08-31 10:23:16.106216+0800 ceshi[68242:2662644] str1 address= 0x100004090

2022-08-31 10:23:16.106257+0800 ceshi[68242:2662644] str2 address= 0x100004010

2022-08-31 10:23:16.106293+0800 ceshi[68242:2662644] str2 address= 0x100004010

指针str1和指针str2指向同一内存地址

当str1改变内容后,创建了新的对象,则str1指向另一块内存地址，所以将str1置为nil,完全不影响str2

3、NSMutableString

NSMutableString *mutableStr1 = [[NSMutableString alloc]initWithString:@"123"];

NSMutableString *mutableStr2 = [[NSMutableString alloc]initWithString:@"123"];

NSLog(@"mutableStr1 address= %p",mutableStr1);

NSLog(@"mutableStr2 address= %p",mutableStr2);

if (mutableStr1 == mutableStr2) {

    NSLog(@"mutableStr1 == mutableStr1");

  } else {

    NSLog(@"mutableStr1 != mutableStr1");

    [mutableStr1 setString:@"456"];

    NSLog(@"mutableStr1 address= %p",mutableStr1);

    NSLog(@"mutableStr2 address= %p",mutableStr2);

 }

2022-08-31 10:30:32.323975+0800 ceshi[68323:2666192] mutableStr1 address= 0x10076aa80

2022-08-31 10:30:32.324494+0800 ceshi[68323:2666192] mutableStr2 address= 0x10076aaf0

2022-08-31 10:30:32.324557+0800 ceshi[68323:2666192] mutableStr1 != mutableStr1

2022-08-31 10:30:32.324606+0800 ceshi[68323:2666192] mutableStr1 address= 0x10076aa80

2022-08-31 10:30:32.324642+0800 ceshi[68323:2666192] mutableStr2 address= 0x10076aaf0

从上图我们可以看到

mutableStr1和mutableStr2虽然内容相同，但指向的是不同的内存地址，改变内容后仍然指向自己的内存地址，所以,NSMutableString为深拷贝

关于NSString存放堆栈的探究：

NSString *str1 = [NSString stringWithFormat:@"小强"];
NSString *str2 = [NSString stringWithFormat:@"1"];
NSString *str3 = [NSString stringWithFormat:@"a"];
NSString *str4 = @"123456789";

• __NSCFConstantString显然是常量字符串，自然就是存储在常量区。
• __NSCFString表示为oc对象，NSString就是封装的CFString，0x6000000315c0地址显示这个字符串对象存储在堆中。
• NSTaggedPointerString这个类表示这是字符串的一种指针Tagged Pointer，0xa636261646362617这个地址为什么如此与众不同呢，接下来我们就简单介绍这钟字符串的存储指针。

NSMutableString *str1= [NSMutableString stringWithFormat:@"123"];
NSMutableString *str2 = str1;
NSLog(@"str1 = %@",str1);
NSLog(@"str2 = %@",str2);
        
[str1 setString:@"456"];
NSLog(@"str1 = %@",str1);
NSLog(@"str2 = %@",str2);

2022-08-31 11:47:05.833767+0800 ceshi[69124:2702123] str1 = 123

2022-08-31 11:47:05.834591+0800 ceshi[69124:2702123] str2 = 123

2022-08-31 11:47:05.834653+0800 ceshi[69124:2702123] str1 = 456

2022-08-31 11:47:05.834692+0800 ceshi[69124:2702123] str2 = 456

Program ended with exit code: 0