【iOS】iOS内存五大分区

iOS内存五大分区

总揽

iOS中，内存主要分为五大区域：栈区，堆区，全局区/静态区，常量区和代码区。总览图如下。

这个图我觉得更好记，因为下面是低地址，上面是高地址，是比较符合日常逻辑的。
由下到上开始背：代码区，常量区，全局/静态区，堆区（向上生长），栈区（向下生长），内核区

如上图所示，代码区是在低地址段存放，而栈区则存放在高地址段，并且各个分区之间不是连续的。

栈区

1.1 介绍

• 栈是从高地址向低地址存储的一块连续的内存区域，特点是先进后出(FILO)
• 栈的地址空间在iOS里面 0X7 / 0X16 开头
• 栈区一般是在 运行时分配内存，内存空间由系统管理, 也就是变量超出了自身的作用范围之后就会被释放
• 包含 函数内部定义的局部变量以及方法参数（方法的默认参数self、cmd）等也都是存放在栈区

1.2优缺点

• 注意，栈区的内存是由系统分配并管理的，所以它会由系统分配并自己释放，不会产生内存碎片，更快更高效。
• 但是栈的内存大小被系统所限制导致其并不是很灵活，iOS主线程栈道大小1MB，其他线程512KB，Mac为8M。
  

- (void)testStack {int a = 10;NSLog(@"a == %p size == %lu",&a,sizeof(a));NSLog(@"方法参数 self：%p",&self);NSLog(@"方法参数 cmd：%p",&_cmd);
}

可以看出，栈内存的分配是连续的参数如栈顺序为，self, _cmd, a。然后地址的大小变化为0x16b8cba28 -> 0x16b8cba20 -> 0x16b8cba1c （可以看出由高地址到低地址，一次递减8字节

堆区

• 堆是从低地址向高地址的不连续的内存区域，和链表的结构很相似（便于增删但不便于查询），特点是先进先出（FIFO）
• 堆地址是以0x6开头，动态的分配空间
• 在堆里面存放的东西需要我们手动的管理和释放，若不及时释放就会造成内存泄漏
• 在OC里面alloc和new都会为对象开辟空间到堆上

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

可以看出，堆内存分配是 不连续的

栈和堆的区别联系

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，缺点是有限制，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，然后将该结点从空间结点链表中删除，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。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（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道剩余空间时，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。

全局/静态区

• 该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。
• 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

int clB;
static int bssB;
int initClB = 10;
static int initBssB = 11;
- (void)testStatic {NSLog(@"clA = %p", &clB);NSLog(@"bssB = %p", &bssB);NSLog(@"initClB = %p", &initClB);NSLog(@"initBssB = %p", &initBssB);
}

结论：
clB 和 bssB都是未初始化，在内存是连续的地址，相差为4。
initClB和 initBssB都是初始化的数据，内存地址也是连续的，也相差4。

常量区

• 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，程序结束后由系统释放。
• 存放常量： 整形、字符型、浮点、字符串等
• 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，就回提前分配内存。

代码区

• 该区时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

面试题

1. 讲一下static关键字的各种情况以及作用

答：

• 对于全局变量来说，static 改变了其作用域。普通全局变量是所有文件都可以用。静态全局变量是只有当前文件可以用。
• 对于局部变量来说，static改变了其存储方式从而改变了生命周期。普通局部变量是动态存储，动态存储决定了其生命周期为变量使用期间。静态局部变量是静态存储，存储在全局静态区，生命周期为从程序开始道结束。
• 因此 static 这个说明符在不同的地方所起的作用是不同的。
• 总结：全局变量、静态全局变量、静态局部变量采用静态存储方式，局部变量采用动态存储方式。

更详细文章看这里：
iOS的static修饰符

2. 问题1：请简述iOS应用程序的五大内存分区及其主要用途。

答案：
iOS应用程序的内存分为以下五个主要分区：

1. **栈（Stack）**：- **用途**：用于存储局部变量、函数参数、返回地址等。栈内存是自动分配和释放的，主要用于函数调用和局部变量的管理。- **特点**：内存分配方式为LIFO（后进先出），存取速度快，空间相对较小。2. **堆（Heap）**：- **用途**：用于动态分配内存，存储需要在运行时分配和释放的对象和数据。堆内存由程序员手动管理，通过`malloc`、`free`、  `new`、`delete`等函数进行分配和释放。- **特点**：内存管理灵活，存储空间较大，但分配和释放速度相对较慢，容易产生内存碎片。3. **全局区/静态区（Global/Static）**：- **用途**：存储全局变量和静态变量。全局变量在程序启动时分配，在程序结束时释放；静态变量在第一次使用时分配，程序结束时释放。- **特点**：内存地址固定，生命周期贯穿程序运行的整个周期。4. **常量区（Constant）**：- **用途**：存储常量数据，例如字符串常量、数值常量等。常量区的内容在程序运行时不可修改。- **特点**：只读区域，数据在程序加载时初始化，生命周期贯穿程序运行的整个周期。5. **代码区（Code/Text）**：- **用途**：存储程序的可执行代码，包括函数体和编译后的指令。代码区在程序运行时是只读的，以防止意外修改。- **特点**：只读区域，存储的是编译后的机器指令，生命周期贯穿程序运行的整个周期。

3. 问题2：为什么栈内存的分配和释放速度比堆内存快？

答案：
1. 分配方式：栈内存采用LIFO（后进先出）的分配方式，每次函数调用时，函数的局部变量、参数和返回地址会依次入栈，函数返回时，这些数据会依次出栈。分配和释放只需要移动栈指针，操作简单且高效。

2. **内存管理**：栈内存由系统自动管理，函数调用结束时，系统会自动释放栈内存，无需程序员手动管理。堆内存则需要程序员手动管理，通过`malloc`、`free`等函数进行分配和释放，管理复杂且容易产生内存碎片。3. **空间连续**：栈内存通常是连续的内存块，分配和释放时不需要进行复杂的内存碎片整理，而堆内存由于频繁的分配和释放，容易产生内存碎片，导致分配和释放速度变慢。

4. 问题3：什么是内存碎片？如何在iOS开发中避免内存碎片？

答案：
内存碎片是指由于频繁的内存分配和释放，导致堆内存中出现大量无法使用的小块空闲内存，从而降低内存利用效率和分配速度。

在iOS开发中，避免内存碎片的方法包括：

1. **使用自动内存管理**：iOS使用ARC（Automatic Reference Counting）来自动管理内存，减少手动分配和释放内存的操作，从而降低产生内存碎片的风险。2. **对象池技术**：对于频繁使用的对象，可以使用对象池（Object Pool）技术，将对象复用，而不是每次都创建新的对象，从而减少内存分配和释放的次数。3. **尽量避免频繁的内存分配和释放**：对于需要频繁分配和释放内存的操作，可以考虑优化算法或数据结构，减少内存分配和释放的频率。4. **使用合适的数据结构**：在设计数据结构时，尽量使用内存连续的数据结构，例如数组、链表等，避免过度使用需要频繁分配和释放内存的复杂数据结构。

5. 问题4：全局区和静态区的内存是如何管理的？它们之间有什么区别？

答案：
全局区和静态区的内存管理方式如下：

- **全局区（Global）**：- 管理全局变量，即在程序的整个生命周期内都存在的变量。==这些变量在程序启动时分配内存==，在程序结束时释放内存。- 全局变量在定义时如果未显式初始化，系统会将其初始化为0。- **静态区（Static）**：- 管理静态变量，即在函数或类内部定义并带有`static`关键字的变量。==这些变量在第一次使用时分配内存==，在程序结束时释放内存。- 静态变量在第一次定义时如果未显式初始化，系统也会将其初始化为0。**区别**：
- **生命周期**：全局变量和静态变量的生命周期相似，都是在程序运行期间存在，但全局变量在程序启动时即被初始化，而静态变量在第一次使用时才被初始化。
- **作用域**：全局变量的作用域是整个程序，而静态变量的作用域仅限于其定义的函数或类内部。

6. 问题5：代码区是只读的，这对程序安全性有什么影响？

答案：
代码区是只读的，这对程序的安全性有以下影响：

1. **防止代码篡改**：代码区的只读属性确保了程序在运行时，代码段不能被修改，从而防止恶意代码注入和篡改。这提高了程序的安全性，防止了病毒和恶意软件的攻击。2. **保护执行环境**：由于代码段是只读的，任何对代码区的写操作都会引发异常，从而防止意外或恶意修改代码指令，保证了程序的稳定运行。3. **避免缓冲区溢出攻击**：许多攻击技术，例如缓冲区溢出攻击，试图通过修改程序的执行路径来执行恶意代码。代码区的只读属性可以有效防止这些攻击，因为即使攻击者试图修改代码，系统也会检测到并阻止操作。