iOS/OSX內存管理(1)：基本概念與原理

2019-11-14 17:54:36

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在Objective-C的內存管理中，其實就是引用計數(reference count)的管理。內存管理就是在程序需要時程序員分配一段內存空間，而當使用完之后將它釋放。如果程序員對內存資源使用不當，有時不僅會造成內存資源浪費，甚至會導致程序crach。我們將會從引用計數和內存管理規則等基本概念開始，然后講述有哪些內存管理方法，最后注意有哪些常見內存問題。

memory management from apple document

基本概念

引用計數(Reference Count)

為了解釋引用計數，我們做一個類比：員工在辦公室使用燈的情景。

引用PRo Multithreading and Memory Management for iOS and OS X的圖

當第一個人進入辦公室時，他需要使用燈，于是開燈，引用計數為1
當另一個人進入辦公室時，他也需要燈，引用計數為2；每當多一個人進入辦公室時，引用計數加1
當有一個人離開辦公室時，引用計數減1，當引用計數為0時，也就是最后一個人離開辦公室時，他不再需要使用燈，關燈離開辦公室。

內存管理規則

從上面員工在辦公室使用燈的例子，我們對比一下燈的動作與Objective-C對象的動作有什么相似之處：

燈的動作	Objective-C對象的動作
開燈	創建一個對象并獲取它的所有權(ownership)
使用燈	獲取對象的所有權
不使用燈	放棄對象的所有權
關燈	釋放對象

因為我們是通過引用計數來管理燈，那么我們也可以通過引用計數來管理使用Objective-C對象。

引用Pro Multithreading and Memory Management for iOS and OS X的圖

而Objective-C對象的動作對應有哪些方法以及這些方法對引用計數有什么影響？

Objective-C對象的動作	Objective-C對象的方法
1. 創建一個對象并獲取它的所有權	alloc/new/copy/mutableCopy (RC = 1)
2. 獲取對象的所有權	retain (RC + 1)
3. 放棄對象的所有權	release (RC – 1)
4. 釋放對象	dealloc (RC = 0 ，此時會調用該方法)

當你alloc一個對象objc，此時RC=1；在某個地方你又retain這個對象objc，此時RC加1，也就是RC=2；由于調用alloc/retain一次，對應需要調用release一次來釋放對象objc，所以你需要release對象objc兩次，此時RC=0；而當RC=0時，系統會自動調用dealloc方法釋放對象。

Autorelease Pool

在開發中，我們常常都會使用到局部變量，局部變量一個特點就是當它超過作用域時，就會自動釋放。而autorelease pool跟局部變量類似，當執行代碼超過autorelease pool塊時，所有放在autorelease pool的對象都會自動調用release。它的工作原理如下：

創建一個NSAutoreleasePool對象
在autorelease pool塊的對象調用autorelease方法
釋放NSAutoreleasePool對象

引用Pro Multithreading and Memory Management for iOS and OS X的圖

iOS 5/OS X Lion前的(等下會介紹引入ARC的寫法)實例代碼如下：

NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];

// put object into pool

id obj = [[NSObject alloc] init];

[obj autorelease];

[pool drain];

/* 超過autorelease pool作用域范圍時，obj會自動調用release方法 */

由于放在autorelease pool的對象并不會馬上釋放，如果有大量圖片數據放在這里的話，將會導致內存不足。

1	for (int i = 0; i

ARC管理方法

iOS/OS X內存管理方法有兩種：手動引用計數(Manual Reference Counting)和自動引用計數(Automatic Reference Counting)。從OS X Lion和iOS 5開始，不再需要程序員手動調用retain和release方法來管理Objective-C對象的內存，而是引入一種新的內存管理機制Automatic Reference Counting(ARC)，簡單來說，它讓編譯器來代替程序員來自動加入retain和release方法來持有和放棄對象的所有權。

在ARC內存管理機制中，id和其他對象類型變量必須是以下四個ownership qualifiers其中一個來修飾：

__strong(默認，如果不指定其他，編譯器就默認加入)
__weak
__unsafe_unretained
__autoreleasing

所以在管理Objective-C對象內存的時候，你必須選擇其中一個，下面會用一些列子來逐個解釋它們的含義以及如何選擇它們。

__strong ownership qualifier

如果我想創建一個字符串，使用完之后將它釋放調用，使用MRC管理內存的寫法應該是這樣：

{

NSString *text = @"Hello, world"; //@"Hello, world"對象的RC=1

NSLog(@"%@", text);

[text release]; //@"Hello, world"對象的RC=0

}

而如果是使用ARC方式的話，就text對象無需調用release方法，而是當text變量超過作用域時，編譯器來自動加入[text release]方法來釋放內存

{

NSString *text = @"Hello, world"; //@"Hello, world"對象的RC=1

NSLog(@"%@", text);

}

* 當text超過作用域時，@"Hello, world"對象會自動釋放，RC=0

而當你將text賦值給其他變量anotherText時，MRC需要retain一下來持有所有權，當text和anotherText使用完之后，各個調用release方法來釋放。

{

NSString *text = @"Hello, world"; //@"Hello, world"對象的RC=1

NSLog(@"%@", text);

NSString *anotherText = text; //@"Hello, world"對象的RC=1

[anotherText retain]; //@"Hello, world"對象的RC=2

NSLog(@"%@", anotherText);

[text release]; //@"Hello, world"對象的RC=1

[anotherText release]; //@"Hello, world"對象的RC=0

}

而使用ARC的話，并不需要調用retain和release方法來持有跟釋放對象。

{

NSString *text = @"Hello, world"; //@"Hello, world"對象的RC=1

NSLog(@"%@", text);

NSString *anotherText = text; //@"Hello, world"對象的RC=2

NSLog(@"%@", anotherText);

}

* 當text和anotherText超過作用域時，會自動調用[text release]和[anotherText release]方法， @"Hello, world"對象的RC=0

除了當__strong變量超過作用域時，編譯器會自動加入release語句來釋放內存，如果你將__strong變量重新賦給它其他值，那么編譯器也會自動加入release語句來釋放變量指向之前的對象。例如：

{

NSString *text = @"Hello, world"; //@"Hello, world"對象的RC=1

NSString *anotherText = text; //@"Hello, world"對象的RC=2

NSString *anotherText = @"Sam Lau"; // 由于anotherText對象引用另一個對象@"Sam Lau"，那么就會自動調用[anotherText release]方法，使得@"Hello, world"對象的RC=1, @"Sam Lau"對象的RC=1

}

* 當text和anotherText超過作用域時，會自動調用[text release]和[anotherText release]方法，

* @"Hello, world"對象的RC=0和@"Sam Lau"對象的RC=0

如果變量var被__strong修飾，當變量var指向某個對象objc，那么變量var持有某個對象objc的所有權

前面已經提過內存管理的四條規則：

Objective-C對象的動作	Objective-C對象的方法
1. 創建一個對象并獲取它的所有權	alloc/new/copy/mutableCopy (RC = 1)
2. 獲取對象的所有權	retain (RC + 1)
3. 放棄對象的所有權	release (RC – 1)
4. 釋放對象	dealloc (RC = 0 ，此時會調用該方法)

我們總結一下編譯器是按以下方法來實現的：

對于規則1和規則2，是通過__strong變量來實現，
對于規則3來說，當變量超過它的作用域或被賦值或成員變量被丟棄時就能實現
對于規則4，當RC=0時，系統就會自動調用

__weak ownership qualifier

其實編譯器根據__strong修飾符來管理對象內存。但是__strong并不能解決引用循環(Reference Cycle)問題：對象A持有對象B，反過來，對象B持有對象A；這樣會導致不能釋放內存造成內存泄露問題。

引用Pro Multithreading and Memory Management for iOS and OS X的圖

舉一個簡單的例子，有一個類Test有個屬性objc，有兩個對象test1和test2的屬性objc互相引用test1和test2：

@interface Test : NSObject

@property (strong, nonatomic) id objc;

@end

{

Test *test1 = [Test new]; /* 對象a */

/* test1有一個強引用到對象a */

Test *test2 = [Test new]; /* 對象b */

/* test2有一個強引用到對象b */

test1.objc = test2; /* 對象a的成員變量objc有一個強引用到對象b */

test2.objc = test1; /* 對象b的成員變量objc有一個強引用到對象a */

}

/* 當變量test1超過它作用域時，它指向a對象會自動release

* 當變量test2超過它作用域時，它指向b對象會自動release

* 此時，b對象的objc成員變量仍持有一個強引用到對象a

* 此時，a對象的objc成員變量仍持有一個強引用到對象b

* 于是發生內存泄露

如何解決？于是我們引用一個__weakownership qualifier，被它修飾的變量都不持有對象的所有權，而且當變量指向的對象的RC為0時，變量設置為nil。例如：

1 2	__weak NSString *text = @"Sam Lau"; NSLog(@"%@", text);

由于text變量被__weak修飾，text并不持有@"Sam Lau"對象的所有權，@"Sam Lau"對象一創建就馬上被釋放，并且編譯器給出警告??，所以打印結果為(null)。

所以，針對剛才的引用循環問題，只需要將Test類的屬性objc設置weak修飾符，那么就能解決。

@interface Test : NSObject

@property (weak, nonatomic) id objc;

@end

{

Test *test1 = [Test new]; /* 對象a */

/* test1有一個強引用到對象a */

Test *test2 = [Test new]; /* 對象b */

/* test2有一個強引用到對象b */

test1.objc = test2; /* 對象a的成員變量objc不持有對象b */

test2.objc = test1; /* 對象b的成員變量objc不持有對象a */

}

/* 當變量test1超過它作用域時，它指向a對象會自動release

* 當變量test2超過它作用域時，它指向b對象會自動release

__unsafe_unretained ownership qualifier

__unsafe_unretained ownership qualifier，正如名字所示，它是不安全的。它跟__weak相似，被它修飾的變量都不持有對象的所有權，但當變量指向的對象的RC為0時，變量并不設置為nil，而是繼續保存對象的地址；這樣的話，對象有可能已經釋放，但繼續訪問，就會造成非法訪問(Invalid access)。例子如下：

__unsafe_unretained id obj0 = nil;

{

id obj1 = [[NSObject alloc] init]; // 對象A

/* 由于obj1是強引用，所以obj1持有對象A的所有權，對象A的RC=1 */

obj0 = obj1;

/* 由于obj0是__unsafe_unretained，它不持有對象A的所有權，但能夠引用它，對象A的RC=1 */

NSLog(@"A: %@", obj0);

}

/* 當obj1超過它的作用域時，它指向的對象A將會自動釋放 */

NSLog(@"B: %@", obj0);

/* 由于obj0是__unsafe_unretained，當它指向的對象RC=0時，它會繼續保存對象的地址，所以兩個地址相同 */

打印結果是內存地址相同：

如果將__unsafe_unretained改為weak的話，兩個打印結果將不同

__weak id obj0 = nil;

{

id obj1 = [[NSObject alloc] init]; // 對象A

/* 由于obj1是強引用，所以obj1持有對象A的所有權，對象A的RC=1 */

obj0 = obj1;

/* 由于obj0是__unsafe_unretained，它不持有對象A的所有權，但能夠引用它，對象A的RC=1 */

NSLog(@"A: %@", obj0);

}

/* 當obj1超過它的作用域時，它指向的對象A將會自動釋放 */

NSLog(@"B: %@", obj0);

/* 由于obj0是__weak，當它指向的對象RC=0時，它會自動設置為nil，所以兩個打印結果將不同*/

__autoreleasing ownership qualifier

引入ARC之后，讓我們看看autorelease pool有哪些變化。沒有ARC之前的寫法如下：

NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];

// put object into pool

id obj = [[NSObject alloc] init];

[obj autorelease];

[pool drain];

/* 超過autorelease pool作用域范圍時，obj會自動調用release方法 */

引入ARC之后，寫法比之前更加簡潔：

@autoreleasepool {

id __autoreleasing obj = [[NSObject alloc] init];

}

相比之前的創建、使用和釋放NSAutoreleasePool對象，現在你只需要將代碼放在@autoreleasepool塊即可。你也不需要調用autorelease方法了，只需要用__autoreleasing修飾變量即可。

引用Pro Multithreading and Memory Management for iOS and OS X的圖

但是我們很少或基本上不使用autorelease pool。當我們使用XCode創建工程后，有一個app的入口文件main.m使用了它：

int main(int argc, char * argv[]) {

@autoreleasepool {

return UIapplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));

}

Property(屬性)

有了ARC之后，新的property modifier也被引入到Objective-C類的property，例如：

1	@property (strong, nonatomic) NSString *text;

下面有張表來展示property modifier與ownership qualifier的對應關系

Property modifier	Ownership qualifier
strong	__strong
retain	__strong
copy	__strong
weak	__weak
assign	__unsafe_unretained
unsafe_unretained	__unsafe_unretained

總結

要想掌握iOS/OS X的內存管理，首先要深入理解引用計數(Reference Count)這個概念以及內存管理的規則；在沒引入ARC之前，我們都是通過retain和release方法來手動管理內存，但引入ARC之后，我們可以借助編譯器來幫忙自動調用retain和release方法來簡化內存管理和減低出錯的可能性。雖然__strong修飾符能夠執行大多數內存管理，但它不能解決引用循環(Reference Cycle)問題，于是又引入另一個修飾符__weak。被__strong修飾的變量都持有對象的所有權，而被__weak修飾的變量并不持有對象所有權。下篇我們介紹使用工具如何解決常見內存問題：懸掛指針和內存泄露。

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