深入了解iOS内存管理
在开始之前，我们先要弄清一个问题，我们为什么要减少软件的内存占用？
简单的回答是，为了使用户获得更好的体验
不仅你的 App 会启动得更快，系统会表现得更好，你的 App 也会在内存中保留更长的时间
其他 App 也会在内存中保留更长的时间，几乎一切都变得更好
内存占用
首先我们要谈谈相对底层的部分，页
系统通过内存页来分布内存，一页的大小一般是16kB，它们可能是净页，也可能是脏页
一个页可以存储多个对象，一个对象也可能被分配到多个页上来存储
App的内存占用，实际上指的是页面数量乘以页面大小
关于脏页和净页，这里有一个例子
int* array = malloc(20000 * sizeof(int));
array[0] = 32;
array[19999] = 64;
假设我分配了一个含有20000个int的数组，系统可能会分配给我6个内存页面
此时，这六个页面是净页
但是当我开始写入数据的时候，例如我写入第0个数据，这个内存页就会变为脏页
类似的，如果我写入最后一个位置，最后一页也会变成脏页
注意！！！！
此时中间的四个页面仍然是净页，因为App还没有写入它们
所以判断页是否干净的依据是这页上是否有写入数据，而不是是否被占用
同时另一个有趣的东西是内存映射文件，它是一种在磁盘上的文件，但是加载到了内存中，如果你使用的是只读文件，这些页面会一直是净页
当我们讨论某个App时，它们的内存占用和分析文件，都会分为三部分
- 脏的部分
- 压缩部分
- 干净部分
净内存
净内存是可以被分页的内存，它们通常是
- 内存映射文件
- 框架（_DATA_CONST部分）
关于框架的部分，_DATA_CONST部分一般是净内存，但是如果你使用run time的一些方法，它就会变成脏内存
脏内存
脏内存是App写入的任何内存，它们可能是
- 对象
- 图像缓冲
- 框架（_DATA,_DATA_DIRTY）
压缩内存
压缩内存在iOS 7后被加入，内存压缩器接收未访问的内存页并压缩它们
这实际上可以创建更多的空间
但注意，在访问时，压缩器会对它们进行解压，以便读取内存
内存警告
关于内存警告部分，我们首先要知道，你的App实际上可能并不是引发内存警告的原因
如果在一个低内存的设备上接到一个电话，那也可能会触发一个内存警告
压缩器使得对内存警告的处理，即内存的释放变得复杂
例如：
我们在一个内存中有一个字典，它本身占了3页，但是在压缩后，它变成了一页
这本身是非常好的事，因为我们多了两页可以用的内存
但当我们收到一个内存警告，并决定从缓存中删除掉所有的对象的时候，问题就出现了
由于我们需要访问这个字典，这个字典被压缩器解压了！
这让本就不富裕的内存更加雪上加霜
内存占用限制
在App中，当我们讨论App的内存占用的时候，我们实际上在讨论的内存是脏内存和压缩内存，净内存在这里并不重要，这并不难理解
每个App都有一个内存占用限制
这个限制通常来说对于一个App来说是相当高的，但是请记住，根据设备的不同，这个限制也会改变，所以在优化App的内存占用的时候，还是尽可能做到少占用
当你的App超过了内存占用限制，就会出现异常，这种异常就是EXC_RESOURCE_EXCEPTION
图像的内存占用
关于图像的内存，最重要的就是内存的使用与图像的尺寸有关，而不与它的文件大小有关
举一个例子，我们有一个2048*1536的大小为590kB的图像，它如果被加载到内存中，需要占多少内存呢？
答案是10MB
把像素的宽度乘以高，每个像素再乘以4，就是占用的内存数量
图像在iOS上工作有加载，解码，渲染三个阶段
在加载阶段，这个被压缩的590KB的JPEG文件被接受并被加载到内存中
在解码阶段，JPEG文件将被转化为GPU可以读取的格式，图像需要被解压，这将使得文件大小增加至10MB
在这之后，就可以被渲染了
在SRGB格式中，每个像素有4个字节，这是图像中最常见的格式，红，绿，蓝各一个字节，Alpha通道一个字节
图像下采样
在之后的项目中，我们可能需要对图像进行下采样，即获取缩略图操作
我们在制作缩略图的时候，不应该使用UIImage来直接控制大小，如果有超清图片的存在，你的内存占用将飙升到一个恐怖的值
这里只简单介绍一个下采样方法，使用Image IO来进行下采样
先加一张图片
这张照片的信息为
130MB对吧，但是记得我们之前说过的吗
内存的使用与图像的尺寸有关，而不与它的文件大小有关
所以加入内存中的大小应该为14075 * 7010 * 4
我们把它加入程序显示
占用内存稳定为420MB
如果我们要直接缩小这个View来实现缩略图的效果，
太棒了！内存占用根本没有任何变化！
那我们如何高效的实现缩略图呢？
思路实际上很简单，我们想要描绘大象的身形，我们可以不把它抬进屋，只在门口把它的影子画出来就好了
即避免完全解码，直接根据原始数据来生成缩略图
我们的函数需要原始的未解码的原始数据，和最后图片的精确度，所以函数接口应该长这样
- (UIImage *)downsampleImageWithData:(NSData *)imageData toMaxDimension:(CGFloat)maxDimension
我们要使用的部分为Image IO框架，这个框架是使用c语言来编写和构建的，更为底层
当我说这个框架是c语言构建的时候，就说明，这个框架的内存管理是非常自由的（完全没有）
它们不使用ARC，而是遵循传统的c语言内存管理规则，需要手动调用来释放资源
这同时意味着，NSData,NSDictionary不能直接被使用，你必须使用c语言中与之对应的数据类型CFDataRef, CGImageSourceRef, CFDictionaryRef
同时，你还需要使用桥接来连接这两个完全不同的世界，以便你可以将你的高级对象传递给底层的c
数据内容
CGImageSourceRef代表图像的来源，它是ImageIO框架的核心，用于从各种来源（NSData,NSURL等）读取图像数据和元数据
我们的第一步就应该是将参数传入的数据转化为CGImageSourceRef类型，方便识别
CGImageSourceCreateWithData 是一个非常基础和重要的函数，它的作用是建立一个读取图像数据的通道，它返回一个c类型的指针，并且需要手动释放
__bridge 是一种桥接，它把一个oc对象的指针安全地转化为一个c语言类型的指针，注意，它只会进行指针的转换，而不改变对象的引用计数或所有权
CFDataRef 是 Core Foundation 框架中表示原始二进制数据的 C 类型引用。它与 Cocoa 框架中的 NSData 是功能上等价的
知道了上述这四个东西，我们就可以迈出第一步：
CGImageSourceRef imageSource = CGImageSourceCreateWithData((__bridge CFDataRef)imageData, NULL);
成功的将图片转化为了一段数据的引用
配置下采样选项
我们曾经在AFN的第三方库里学过使用字典来配置请求连接
同样的这里的下采样也适用字典来配置采样的选项
这里简单介绍我们需要用到的四个选项
-
kCGImageSourceShouldCache告诉ImageIO不要在内部缓存完整解压后的原始图像数据，这也是我们的目的，高效实现下采样，确保我们只为缩略图分配内存
在这里我们设置为 @NO
-
kCGImageSourceCreateThumbnailWithTransform方向修正，告诉ImageIO在生成缩略图的时候，是否自动旋转图片，让图片方向正确
这里我们设置为 @YES
-
kCGImageSourceCreateThumbnailFromImageIfAbsent当图像不包含嵌入的缩略图，也要从主图像数据生成一个
这个选项保证我们无论如何都可以得到一个缩略图
这里我们设置为 @YES
你知道吗？
很多原始图片文件是包含一个或多个嵌入的缩略图的
许多现代的图像文件格式（最常见的是 JPEG 和一些 RAW 格式）在文件主体像素数据之外，还包含额外的元数据（Metadata）。这些元数据中，往往包含了一个或多个预先生成好的缩略图
这样可以提高用户体验和文件预览速度 -
kCGImageSourceThumbnailMaxPixelSize告诉ImageIO最终生成缩略图的最大边长（宽或高），不能超过这个参数，ImageIO 会根据这个值在读取数据时直接执行高效缩放
这个值即为我们传入的参数
设置为 @(maxDimension)
最后我们的字典应该是
NSDictionary *options = @{(__bridge NSString *)kCGImageSourceShouldCache: @NO,(__bridge NSString *)kCGImageSourceCreateThumbnailWithTransform: @YES,(__bridge NSString *)kCGImageSourceCreateThumbnailFromImageIfAbsent: @YES,(__bridge NSString *)kCGImageSourceThumbnailMaxPixelSize: @(maxDimension)};
生成缩略图
所有准备工作都完成了，我们就可以开始生成缩略图了
CGImageRef 结果是一个指向位图图像数据的引用。这个数据就是已经按 maxDimension 缩放好的小图的像素数据
CFDictionaryRef 其实就是oc的字典对象在c里的投射，不过多讲述
CGImageSourceCreateThumbnailAtIndex 函数，接收一段数据，和一个字典作为选项
ImageIO 在接收到这个指令后，它不会读取和解码所有像素。它会利用图像文件格式（如 JPEG）的特性，在读取数据流的同时，进行缩放和下采样，只解码生成目标尺寸 (X×Y) 所需的像素
这样CGImageRef就是我们需要的缩略图数据了
CGImageRef downsampledImage = CGImageSourceCreateThumbnailAtIndex(imageSource, 0, (__bridge CFDictionaryRef)options);
转化为UIImage
在转化之前，我们要先善后
在一开始我们就提到过，ImageIO框架由c语言撰写，所以内存管理相当的自由
在我们已经拿到了我们需要的数据之后，我们要先把之前不需要的数据释放掉
CFRelease(imageSource); // 释放之前的数据
之后，我们就可以将之前的数据转化为UIImage对象
UIImage *finalImage = [UIImage imageWithCGImage:downsampledImage];
最后释放我们的CGImageRef数据
CGImageRelease(downsampledImage);
以及返回最终的缩略图像
整个过程到这里就结束了
效果是这样的
下采样就到这里就算完成了
当然iOS内存管理部分要学习的还有很多，包括方法交换造成的内存占用都是将来要学习的部分内容
关于CF和CG框架，也只是在这里简单介绍了一下而已，之后还需要多学习
引用资料
- https://developer.apple.com/cn/videos/play/wwdc2018/416
- https://zhuanlan.zhihu.com/p/579702765
- https://blog.csdn.net/q923714892/article/details/118343736