【iOS】内存五大分区

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OC语言是C语言的超集，所以先了解C语言的内存模型的内存管理会有很大帮助。C语言的内存模型分为5个区：栈区、堆区、全局/静态区、常量区、代码区

一般情况下程序存放在ROM（只读内存，比如硬盘）或Flash中，运行时需要拷到RAM（随机存储器RAM）中执行，RAM会分别存储不同的信息，如下图所示：

RAM(random access memory)：运行内存，CPU可以直接访问，读写速度快，但是不能掉电存储。它又分为：

• 动态DRAM，速度慢一点，需要定期的刷新(充电)，常说的内存条就是指它，价格会稍低一点，手机中的运行内存也是指它
• 静态SRAM，速度快，我们常说的一级缓存，二级缓存就是指它，价格高一点

ROM(read only memory)：存储性内存，可以掉电存储，eg:SD卡、Flash(机械磁盘也可以简单的理解为ROM)。用的多的：NandFlash(空间大，便宜)，还有NorFlash(直接运行程序，读取速度快)
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由于RAM类型不具备掉电存储能力（即一停止供电数据全没了，从新上电后全是乱码，所以需要初始化），所以app程序一般存放于ROM中。RAM的访问速度要远高于ROM，价格也要高
由于RAM不能掉电存储，所以我们的APP程序，刷机包，下载的文件等等，都是在ROM里面存储的

手机里面使用的ROM基本都是NandFlash，CPU是不能直接访问的，而是需要文件系统/驱动程序(嵌入式中的EMC)将其读到RAM里CPU才可以访问

下面先了解一下堆是怎么存放和操作数据的

堆（Heap）是什么

堆是计算机科学中一类特殊的数据结构的统称。在队列中，调度程序反复提取队列中第一个作业并运行，因为实际情况中某些时间较短的任务将等待很长时间才能结束，或者某些不短小，但具有重要性的作业，同样应当具有优先权。堆即为解决此类问题设计的一种数据结构
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堆(Heap)又被为优先队列(priority queue)。尽管名为优先队列，但堆并不是队列。在堆中，我们不是按照元素进入队列的先后顺序取出元素的，而是按照元素的优先级取出元素

这就好像候机的时候，无论谁先到达候机厅，总是头等舱的乘客先登机，然后是商务舱的乘客，最后是经济舱的乘客。每个乘客都有头等舱、商务舱、经济舱三种个键值(key)中的一个。头等舱->商务舱->经济舱依次享有从高到低的优先级

总的来说，堆是一种数据结构，数据的插入和删除是根据优先级定的，他有几个特性：

• 任意节点的优先级≥它的子节点
• 每个节点值都≤它的子节点
• 主要操作是插入和删除最小元素(元素值本身为优先级键值，小元素享有高优先级)

举个例子，就像叠罗汉，体重大(优先级低、值大)的站在最下面，体重小的站在最上面(优先级高，值小)。 为了让堆稳固，我们每次都让最上面的参与者退出堆，也就是每次取出优先级最高的元素

五大分区

栈区

• 栈是一块连续的内存区域从高地址向低地址进行存储，遵循先进后出（FILO）原则

• 栈区由操作系统在运行时自动分配，声明的变量过了作用域范围后内存便会自动释放，静态分配由编译器完成（自动变量auto），动态分配由alloc函数完成

• 函数内部定义的局部变量、方法参数（方法中的默认参数：self、_cmd），都存放在栈区

• 优缺点

  • 优点：栈是由系统自动分配并释放的，不会产生内存碎片，所以快速高效（栈使用的是一级缓存， 他们通常都是被调用时处于存储空间中，调用完毕立即释放）
  • 缺点：查看官方文档，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

• 栈的地址空间在iOS中是以0x7/0x16开头

  - (void)testStack {int a = 7777777;NSLog(@"a == %p, size == %lu", &a, sizeof(a));NSLog(@"方法参数self：%p", &self);NSLog(@"方法参数cmd：%p", &_cmd);
  }
  

堆区

• 堆是不连续的内存区域从从低地址向高地址进行存储，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

• 开发者需要关注变量的生命周期，如果不及时释放，会造成内存泄漏，只有等程序结束时由操作系统统一回收

• 存放的是OC中运行时使用alloc、new创建的对象，C/C++中使用malloc、calloc以及realloc分配的空间，需要free释放

• 优缺点

  • 优点：获得空间灵活，分配内存较大
  • 缺点：需手动管理，频繁的new/delete势必会造成内存空间的不连续性，速度慢、容易产生内存碎片（堆则是存放在二级缓存中，生命周期由虚拟机的垃圾回收算法来决定，并不是一旦成为孤儿对象就能被回收）

• 堆的地址空间在iOS中是以0x6开头

  - (void)testHeap {NSObject* object1 = [[NSObject alloc] init];NSObject* object2 = [[NSObject alloc] init];NSLog(@"object1 = %@", object1);NSLog(@"object2 = %@", object2);
  }
  

全局/静态区

• 该区是编译时分配的内存空间，在程序运行过程中，此内存中的数据一直存在，全局变量和静态变量的存储是放在一起的，初始化的全局变量和静态变量存放在一块区域，未初始化的全局变量和静态变量在相邻的另一块区域，程序结束后由系统释放

• 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）

• 全局区的空间地址在iOS中一般以0x1开头

  int bssA;
  static double dataB = 7.0;- (void)testExOrSt {NSLog(@"bssA == %p", &bssA);NSLog(@"dataB == %p", &dataB);
  }
  

常量区（即.rodata）

• 该区是编译时分配的内存空间，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
• 存放的是整型、字符型、浮点、常量字符串等常量
• 常量只读

代码区（.text）

• 该区是编译时分配的内存空间，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
• 程序运行时的代码会被编译成二进制，存进内存的代码区域
• 只读，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

函数栈

函数栈：又称为栈区，在内存中从高地址往底地址分配，与堆区相对。
栈帧：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

以下是ARM的栈帧布局方式：

• 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

堆和栈的区别和联系

1. 各自的优缺点？

• 栈：由编译器自动分配并释放，速度较快，不会产生内存碎片。优点是快速高效，缺点时有限制，数据不灵活
• 堆：由程序员分配和释放，速度比较慢，而且容易产生内存碎片，不过用起来最方便。优点是灵活方便，数据适应面广泛，但是效率有一定降低

2. 申请后的系统如何响应？

• 栈：存储每一个函数在执行的时候都会向操作系统索要资源，栈区就是函数运行时的内存，栈区中的变量由编译器负责分配和释放，内存随着函数的运行分配，随着函数的结束而释放，由系统自动完成。只要栈的剩余空间大于所申请空间，系统将为程序提供内存，否则将报异常提示栈溢出。
• 堆：操作系统有一个记录空闲内存地址的链表。当系统收到程序的申请时，会遍历该链表，寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点，然后将该结点从空闲结点链表中删除，并将该结点的空间分配给程序。由于找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大小，系统会自动的将多余的那部分重新放入空闲链表中

3. 申请大小的限制？

• 栈：栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存的区域。是栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的，栈的大小是2M（也有的说是1M，总之是一个编译时就确定的常数 ) ，如果申请的空间超过栈的剩余空间时，将提示overflow。因此，能从栈获得的空间较小
• 堆：堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储的空闲内存地址的，自然是不连续的，而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可见，堆获得的空间比较灵活，也比较大

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