iOS是怎么管理内存的？

Question

虚拟内存

由于要解决多程序多任务同时运行的这些问题，所以增加了一个中间层来间接访问物理内存，这个中间层就是虚拟内存。虚拟内存通过映射，可以将虚拟地址转化成物理地址。

虚拟内存会给每个程序创建一个单独的执行环境，也就是一个独立的虚拟空间，这样每个程序就只能访问自己的地址空间(Address Space)，程序与程序间也就能被安全地隔离开了。

32 位的地址空间是 2^32 = 4294967296 个字节，共 4GB，如果内存没有达到 4GB 时，虚拟内存比实际的物理内存要大，这会让程序感觉自己能够支配更多的内存。如同虚拟内存只供当前程序使用，操作起来和物理内存一样高效。

有了虚拟内存这样一个中间层，极大地节省了物理内存。iOS 的共享库就是利用了这一点，只占用一份物理内存，却能够在不同应用的多份虚拟内存中，去使用同一份共享库的物理内存。

每个程序都有自己的进程，进程的内存布局主要由代码段、数据段、栈、堆组成。程序生成的汇编代码会放在代码段。如果每个进程的内存布局都是连在一起的话，每个进程分配的空间就没法灵活变更，栈和堆没用满时就会有很多没用的空间。如果虚拟地址和物理地址的翻译内存管理单元(Memory Management Unit，MMU) 只是简单地通过进程开始地址加上虚拟地址，来获取物理地址，就会造成很大的内存空间浪费。

分段

分段就是将进程里连在一起的代码段、数据段、栈、堆分开成独立的段，每个段内空间是连续的，段之间不 连续。这样，内存的空间管理 MMU 就可以更加灵活地进行内存管理。

那么，段和进程关系是怎么表示的呢?进程中内存地址会用前两个字节表示对应的段。比如 00 表示代码段，01 标识堆。

段里的进程又是如何管理内存的呢？每个段大小增长的方向 Grows Positive 也需要记录，是否可读写也要记录，为的是能够更有效地管理段增长。每个段的大小不一样，在申请的内存被释放后，容易产生碎片，这样在申请新内存时，很可能就会出现所剩内存空间够用，但是却不连续，于是造成无法申请的情况。这时，就需要暂停运行进程，对段进行修改，然后再将内存拷贝到连续的地址空间中。但是，连续拷贝会耗费较多时间。

那么，怎么才能降低内存的碎片化程度，进而提高性能呢?

分页

App 在运行时，大多数的时间只会使用很小部分的内存，所以我们可以使用比段粒度更小的空间管理技术，也就是分页。

分页就是把地址空间切分成固定大小的单元，这样我们就不用去考虑堆和栈会具体申请多少空间，而只要考虑需要多少页就可以了。这，对于操作系统管理来说也会简单很多，只需要维护一份页表(Page Table) 来记录虚拟页(Virtual Page) 和物理页(Physical Page) 的关系即可。

虚拟页的前两位是 VPN(Virtual Page Number)，根据页表，翻译为物理地址 PFN(Physical Frame Number)。

怎么加速页表翻译速度呢?

我们知道，缓存可以加速访问。MMU 中有一个 TLB(Translation-Lookaside Buffer)，可以作为缓存加速访问。所以，在访问页表前，首先检查 TLB 有没有缓存的虚拟地址对应的物理地址:

• 如果有的话，就可以直接返回，而不用再去访问页表了;
• 如果没有的话，就需要继续访问页表。

每次都要访问整个列表去查找我们需要的物理地址，终归还是会影响效率，所以又引入了多级页表技术。也就是，根据一定的算法灵活分配多级页表，保证一级页表最小的内存占用。其中，一级页表对应多个二级页表，再由二级页表对应虚拟页。

这样内存中只需要保存一级页表就可以，不仅减少了内存占用，而且还提高了访问效率。根据多级页表分配 页表层级算法，空间占用多时，页表级别增多，访问页表层级次数也会增多，所以多级页表机制属于典型的 支持时间换空间的灵活方案。

小结

对于在 iOS 开发过程中如何优化内存，苹果公司在 2018 年的 WWDC Session 416: iOS Memory Deep Dive 上 进行了详细讲解，其中就包含了 iOS 虚拟内存机制的变化。

在这个 Session 中，苹果公司还推荐我们使用 UIGraphicsImageRenderer 替代 UIGraphicsBeginImageContextWithOptions，让系统自动选择最佳的图片格式，这样也能够降低占用的内 存。对于图片的缩放，苹果公司推荐使用 ImageIO 直接读取图片的大小和元数据，也就避免了以前将原始 图片加载到内存然后进行转换而带来的额外内存开销。

其实，图片资源不仅是影响 App 包大小的重要因素，也是内存的消耗大户。苹果公司在 2018 年的 WWDC Session 219: Images and Graphics Best Practices 中，还专门介绍了关于图片的最佳实践，并针对减少内存 消耗进行了详细讲解。

对于 App 处在低内存时如何处理，你可以看看这篇文章“ No pressure, Mon! Handling low memory conditions in iOS and Mavericks ”。