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「iOS」——内存五大分区

news 2025/7/27 7:31:42

UI学习

iOS-底层原理 24：内存五大区
- - - 总览
  - 一、栈区（Stack）
  - - 1.1 核心特性
    - 1.2 优缺点
    - 1.3函数栈与栈帧
    - 1.3 堆栈溢出风险
  - 二、堆区（Heap）;
  - - 2.1 核心特性
    - 2.2 与栈区对比
  - 三、全局 / 静态区（Global/Static）
  - - 3.1 内存划分
    - 3.2 关键区别
  - 四、常量区（Constant）
  - 五、代码区（Code/Text）
  - 面试问题学习;
  - - 问题 1：`static`关键字的作用
    - 问题 2：堆内存碎片如何产生？
    - 问题3：请简述iOS应用程序的五大内存分区及其主要用途。
    - 问题4：为什么栈内存的分配和释放速度比堆内存快？
    - 问题5：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？有问题
  - 总结：内存分区速查表

iOS-底层原理 24：内存五大区

总览

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。内存布局总览如下：

请添加图片描述

由低地址到高地址依次为 代码区→常量区→全局 / 静态区→堆区→栈区，内核区位于最高地址。

一、栈区（Stack）

1.1 核心特性

存储方向：从高地址向低地址分配，内存连续。
管理方式：系统自动分配 / 释放（函数结束后立即回收）。
典型存储：局部变量、方法参数（如self、_cmd）、函数返回地址。
地址特征：iOS 中以0X7或0X16开头。

示例代码：

- (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);  
}

输出结果：

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地址从0x16fdff2a8（self）→0x16fdff2a0（cmd）→0x16fdff29c（a），由高到低递减，步长 8 字节，验证栈的「后进先出」特性。

1.2 优缺点

优点：速度快（系统自动管理）、无内存碎片。
缺点：空间受限（iOS 主线程栈大小 1MB，其他线程 512KB）。

1.3函数栈与栈帧

栈帧定义：
函数运行时在栈区分配的独立连续内存区域，包含：

局部变量：函数内定义的变量（如int z = x + y;）。
调用记录：返回地址（LR）、当前函数指针（PC）、栈基址（FP）、栈指针（SP）等。
参数传递：函数参数通过栈帧传递（如Add(a, b)中的a和b）。

函数调用流程：

压栈

：调用函数时，系统创建新栈帧，将参数、局部变量、PC/LR 等压入栈区。
- 例：main函数调用Add(a, b)时，先压入a、b，再压入Add函数的栈帧。
执行：函数在栈帧内执行，操作局部变量（如计算z = x + y）。
出栈：函数执行完毕，栈帧出栈，释放内存，程序通过 LR 返回调用处（如从Add返回main）。

- (void)testStackFrame {  int a = 10;  int b = 20;  int sum = [self addWithA:a b:b];  NSLog(@"sum = %d", sum);  
}  - (int)addWithA:(int)a b:(int)b {  return a + b;  
}

栈帧变化：

testStackFrame调用时，栈帧压入a、b、sum等局部变量。
调用addWithA:b:时，新栈帧压入参数a、b，计算后通过 LR 返回结果。
函数结束后，两层栈帧依次出栈，释放内存。

1.3 堆栈溢出风险

栈溢出：
- 原因：递归深度过深（如无限递归）或局部变量过多，超过栈空间限制（如主线程 1MB）。
- 后果：程序崩溃，抛出EXC_BAD_ACCESS异常。
堆溢出：
- 原因：频繁分配大内存（如循环创建未释放的对象），耗尽虚拟内存。
- 后果：内存不足，系统终止进程。

二、堆区（Heap）;

2.1 核心特性

存储方向：从低地址向高地址分配，内存不连续（基于链表管理）。
管理方式：手动分配 / 释放（alloc/free等），需避免内存泄漏。
典型存储：OC 对象（[NSObject new]）、动态分配的数据（malloc）。
地址特征：iOS 中以0x6开头。

示例代码：

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

输出结果：

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地址0x6000029ac070与0x6000029ac080不连续，验证堆的「非连续分配」特性。

2.2 与栈区对比

维度	栈区	堆区
分配方式	系统自动（LIFO）	手动分配（链表遍历）
内存连续性	连续	不连续
生命周期	函数作用域内	手动释放或程序结束
空间大小	受限（1MB/512KB）	受限于虚拟内存
碎片问题	无	易产生

三、全局 / 静态区（Global/Static）

3.1 内存划分

.bss 段：存储未初始化的全局变量和静态变量，程序启动时自动清零。
.data 段：存储已初始化的全局变量和静态变量。

示例代码：

int globalVar;          // 未初始化全局变量（.bss）  
static int staticVar;   // 未初始化静态变量（.bss）  
int initGlobal = 10;    // 已初始化全局变量（.data）  
static int initStatic = 11; // 已初始化静态变量（.data）  - (void)testStatic {  NSLog(@"globalVar = %p", &globalVar);  NSLog(@"staticVar = %p", &staticVar);  NSLog(@"initGlobal = %p", &initGlobal);  NSLog(@"initStatic = %p", &initStatic);  
}

输出结果：

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分析：

.bss段地址连续（0x100008100→0x10008104，相差 4 字节）。
.data段地址连续（0x1000080f8→0x1000080fc，相差 4 字节）。

3.2 关键区别

类型	作用域	初始化时机
全局变量	全程序可见	程序启动时分配
静态全局变量	当前文件可见	程序启动时分配
静态局部变量	函数内可见	第一次调用时分配

四、常量区（Constant）

存储内容：字符串常量（如@"Hello"）、基本类型常量（如123、3.14）。
特性：
- 只读，程序运行时不可修改。
- 编译时分配，程序结束后由系统释放。

五、代码区（Code/Text）

存储内容：编译后的二进制指令（函数体、方法实现）。
特性：
- 只读，防止程序运行中意外修改代码。
- 共享性：相同程序的多个实例共享代码区（如多个 App 进程共享系统库代码）。
- 安全意义：阻止恶意代码注入和篡改，防御缓冲区溢出攻击。

面试问题学习;

问题 1：`static`关键字的作用

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到结束。
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。

问题 2：堆内存碎片如何产生？

原因：频繁分配 / 释放不同大小的内存块，导致空闲内存碎片化（如分配 100 字节→释放→分配 20 字节→释放，留下 80 字节小块无法被大内存请求利用）。

iOS 优化方案：

使用 ARC 自动管理内存，减少手动操作。

对象池技术（如`NSOperationQueue`复用线程）。

避免高频小内存分配（如改用缓存机制）。

问题3：请简述iOS应用程序的五大内存分区及其主要用途。

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。
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。
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。
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。
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。

问题4：为什么栈内存的分配和释放速度比堆内存快？

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。
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。
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。

问题5：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？有问题

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。

总结：内存分区速查表

分区	地址方向	读写权限	管理方式	典型存储
栈区	高→低	可读可写	系统自动	局部变量、函数参数
堆区	低→高	可读可写	手动分配	OC 对象、动态数据
全局 / 静态区	固定	可读可写	编译时分配	全局变量、静态变量
常量区	固定	只读	编译时分配	字符串、数值常量
代码区	固定	只读	编译时分配	可执行指令