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iOS内存管控实战（上）—原理篇

因文章单篇过长，按照 原理、分析工具 和 实战 拆分成上、中、下三部分，点击阅读。

前言

近期有个同事遇到了内存泄露导致卡死的问题，具体原因是：view A监听了某个事件，但viewA本身因为block使用不当，出现了泄露问题，用户多次操作导致viewA泄露了72次。当事件发出通知时，72个被泄露的viewA同时去触发某个操作，导致手机卡死。这个问题挺经典的，平时如果不注意 block weakify/strongify ，内存泄露真出现时，影响颇大。

加上有同事在debug内存泄露时秀了一把 Xcode memory Debug，让我觉得是时候将过去所学的内存管理相关的知识进行一番汇总，本篇文章更多的工作在于汇总和黏连各个优秀的文章，如果您有精力，建议还是阅读文章末尾粘贴的原文链接，在此也感谢前辈们的分享。

本篇文章目录为：

  • 一、iOS内存基础原理
    • （一）iOS系统内存上限
    • （二）内存泄露的三种类型
    • （三）Clean & Dirty & Compressed 内存
  • 二、内存分析工具
    • （一）分析工具一览
    • （二）Xcode memory debugger 和 指令操作
    • （三）Facebook循环引用检测框架：FBRetainCycleDetector
    • （四）轻量级的内存泄露检测框架：MLeaksFinder
  • 三、内存优化实战
    • （一）图片压缩优化

一、iOS内存基础原理

（一）iOS系统内存上限

在 stack overflow 上，有人对单个 App 能够使用的最大内存做了统计：iOS app max memory budget。以 iPhone XS Max 为例，总共的可用内存是 3735 MB（比硬件大小小一些，因为系统本身也会消耗一部分内存），而单个 App 可用内存达到 2039 MB，达到了 55%。当 App 使用的内存超过这个临界值，就会发生 OOM 崩溃。可以看出，单个 App 的可用物理内存实际上还是很大的，要发生 OOM 崩溃，绝大多数情况下都是程序本身出了问题。

OOM常见原因：

  • 内存泄漏：最常见的原因之一就是内存泄漏。
  • UIWebview 缺陷：无论是打开网页，还是执行一段简单的 js 代码，UIWebView 都会占用大量内存，同时旧版本的 css 动画也会导致大量问题，所以最好使用 WKWebView。
  • 大图片、大视图：缩放、绘制分辨率高的大图片，播放 gif 图，以及渲染本身 size 过大的视图（例如超长的 TextView）等，都会占用大量内存，轻则造成卡顿，重则可能在解析、渲染的过程中发生 OOM。

实战说明：最近我在优化图片发表的逻辑，debug发现在选择多张超高清大图进行压缩时，内存占用甚至会飙升到2G，按照 stack overflow 上的说法，2G已经触碰OOM红线了，所以我对图片压缩的逻辑进行了优化，感兴趣的可以到我博客查看最新的一篇文章。

（二）内存泄露的三种类型

先看看 Leaks，从苹果的开发者文档里可以看到，一个 app 的内存分三类：

  • ❎Leaked memory: Memory unreferenced by your application that cannot be used again or freed (also detectable by using the Leaks instrument).
  • ‼️Abandoned memory: Memory still referenced by your application that has no useful purpose.
  • ✅Cached memory: Memory still referenced by your application that might be used again for better performance.

其中 Leaked memory 和 Abandoned memory 都属于应该释放而没释放的内存，都是内存泄露，而 Leaks 工具只负责检测 Leaked memory，而不管 Abandoned memory。在 MRC 时代 Leaked memory 很常见，因为很容易忘了调用 release，但在 ARC 时代更常见的内存泄露是循环引用导致的 Abandoned memory，Leaks 工具查不出这类内存泄露，应用有限。

（三）Clean & Dirty & Compressed 内存

1. Pages Memory

内存是由系统管理，一般以页为单位来划分。在 iOS 上，每一页包含 16KB 的空间。一段数据可能会占用多页内存，所占用页总数乘以每页空间得到的就是这段数据使用的总内存。

内存页按照各自的分配和使用状态，可以被分为 Clean 和 Dirty 两类。

以上面的代码为例，申请一块长度为 80000 字节的内存空间，按照一页 16KB 来计算，就需要 6 页内存来存储。

  • 当这些内存页开辟出来的时候，它们都是 Clean 的
  • 当向处于第一页的内存写入数据时，第一页内存会变成 Dirty
  • 当向处于最后一页的内存写入数据时，这一页也会变成 Dirty

2. 内存映射文件

当 App 访问一个文件时，系统内核会负责调度，将磁盘上的文件加载并映射到内存中。如果这是只读的文件，它所占用到的内存页是 Clean 的。

如下图所示，一个 50KB 的图片被加载到内存中时，需要分配 4 页内存来存储。其中第四页中有 2KB 的空间会被用来存储这个图片的数据，剩余空间可能会被用来存储其它数据。

3. 典型app内存类型

当内存不足的时候，系统会按照一定策略来腾出更多空间供使用，比较常见的做法是将一部分低优先级的数据挪到磁盘上，这个操作称为 Page Out。之后当再次访问到这块数据的时候，系统会负责将它重新搬回内存空间中，这个操作称为 Page In。

然而对于移动设备而言，频繁对磁盘进行IO操作会降低存储设备的寿命。从 iOS7 开始，系统开始采用压缩内存的办法来释放内存空间，被压缩的内存称为 Compressed Memory。下面依次介绍一下 iOS App 通常情况下的三种内存类型：Clean Memory 、Dirty Memory以及Compressed Memory。

4. Clean Memory

Clean Memory 是指那些可以用以 Page Out 的内存，包括已被加载到内存中的文件，或者是 App 所用到的 frameworks。每个 frameworks 都有 _DATA_CONST 段，当 App 在运行时使用到了某个 framework，它所对应的 _DATA_CONST 的内存就会由 Clean 变为 Dirty。

5. Dirty Memory

Dirty Memory 是指那些被 App 写入过数据的内存，包括所有堆区的对象、图像解码缓冲区，同时，类似 Clean memory，也包括 App 所用到的 frameworks。每个 framework 都会有 _DATA 段和 _DATA_DIRTY 段，它们的内存是 Dirty 的。

值得注意的是，在使用 framework 的过程中会产生 Dirty Memory，使用单例或者全局初始化方法是减少 Dirty Memory 不错的方法，因为单例一旦创建就不会销毁，全局初始化方法会在 class 加载时执行。

6. Compressed Memory

当内存吃紧的时候，系统会将不使用的内存进行压缩，直到下一次访问的时候进行解压。

例如，当我们使用 Dictionary 去缓存数据的时候，假设现在已经使用了 3 页内存，当不访问的时候可能会被压缩为 1 页，再次使用到时候又会解压成 3 页。

官方对内存压缩的描述是：

1
With OS X Mavericks, Compressed Memory allows your Mac to free up memory space when you need it most. As your Mac approaches maximum memory capacity, OS X automatically compresses data from inactive apps, making more memory available.

大致上是在内存不够用的时候，把非活跃应用占用的内存进行压缩。可以看出相对于把dirty的内存换出到硬盘而言，这是一种折中的方案，本质上是用CPU时间换硬盘I/O时间。虽然压缩/解压会比换出/换入占用更多的CPU，但花在硬盘I/O上的时间会大大减小。

7. Memory Warnings

并非所有内存警告都是由 App 造成的，例如在内存较小的设备上，当你接听电话的时候也有可能发生内存警告。按照以往的习惯，你可能会在收到内存警告通知的时候去做一些释放内存的事情。然而内存压缩机制会使事情变得复杂。我们来看看这个例子：

假设代码中的 cache 已被压缩过

事实上，当你尝试去再次访问 cache 对象的时候，系统会先解压这块内存

这个过程中内存使用会增加，在内存吃紧的时候，这并不是我们想要的。随后，当我们会执行大量工作去清空 cache，最终得到的内存空间和内存压缩的结果一样

所以，相比以往的缓存手段，更加建议去调整策略，例如减少缓存使用，或者在收到内存警告的时候，将这类事情交由系统去处理。

8. Caching

我们对数据进行缓存的目的是想减少 CPU 的压力，但是过多的缓存又会占用过大的内存。由于内存压缩机制的存在，我们需要根据缓存数据大小以及重算这些数据的成本，在 CPU 和内存之间进行权衡。

在一些需要缓存数据的场景下，可以考虑使用 NSCache 代替 NSDictionary，因为 NSCache 可以自动清理内存，在内存吃紧的时候会更加合理。

9. 小结

通常情况下，我们所说的内存占用是指 Dirty Memory 和 Compressed Memory，Clean Memory 不需要过多关心。

参考文章

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