iOS/OS X内存管理（一）：基本概念与原理

November 15, 2015

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在Objective-C的内存管理中，其实就是引用计数（reference count）的管理。内存管理就是在程序需要时程序员分配一段内存空间，而当使用完之后将它释放。如果程序员对内存资源使用不当，有时不仅会造成内存资源浪费，甚至会导致程序crach。我们将会从引用计数和内存管理规则等基本概念开始，然后讲述有哪些内存管理方法，最后注意有哪些常见内存问题。


memory management from apple document

基本概念

引用计数（Reference Count）

为了解释引用计数，我们做一个类比：员工在办公室使用灯的情景。


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

  • 当第一个人进入办公室时，他需要使用灯，于是开灯，引用计数为1；
  • 当另一个人进入办公室时，他也需要灯，引用计数为2；每当多一个人进入办公室时，引用计数加1；
  • 当有一个人离开办公室时，引用计数减1，当引用计数为0时，也就是最后一个人离开办公室时，他不再需要使用灯，关灯离开办公室。

内存管理规则

从上面员工在办公室使用灯的例子，我们对比一下灯的动作与Objective-C对象的动作有什么相似之处：


因为我们是通过引用计数来管理灯，那么我们也可以通过引用计数来管理使用Objective-C对象。


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

而Objective-C对象的动作对应有哪些方法以及这些方法对引用计数有什么影响？


当你alloc一个对象objc，此时RC=1；在某个地方你又retain这个对象objc，此时RC加1，也就是RC=2；由于调用alloc/retain一次，对应需要调用release一次来释放对象objc，所以你需要release对象objc两次，此时RC=0；而当RC=0时，系统会自动调用dealloc方法释放对象。

Autorelease Pool

在开发中，我们常常都会使用到局部变量，局部变量一个特点就是当它超过作用域时，就会自动释放。而autorelease pool跟局部变量类似，当执行代码超过autorelease pool块时，所有放在autorelease pool的对象都会自动调用release。它的工作原理如下：

  • 创建一个NSAutoreleasePool对象；
  • 在autorelease pool块的对象调用autorelease方法；
  • 释放NSAutoreleasePool对象。


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

iOS 5/OS X Lion前的（等下会介绍引入ARC的写法）实例代码如下：

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

// put object into pool
id obj = [[NSObject alloc] init];
[obj autorelease];

[pool drain];

/* 超过autorelease pool作用域范围时，obj会自动调用release方法 */

由于放在autorelease pool的对象并不会马上释放，如果有大量图片数据放在这里的话，将会导致内存不足。 

for (int i = 0; i < numberOfImages; i++)
{
      /*   处理图片，例如加载
       *   太多autoreleased objects存在
       *   由于NSAutoreleasePool对象没有被释放
       *   在某个时刻，会导致内存不足 
       */
}

ARC管理方法

iOS/OS X内存管理方法有两种：手动引用计数(Manual Reference Counting)和自动引用计数(Automatic Reference Counting)。从OS X Lion和iOS 5开始，不再需要程序员手动调用retain和release方法来管理Objective-C对象的内存，而是引入一种新的内存管理机制Automatic Reference Counting(ARC)，简单来说，它让编译器来代替程序员来自动加入retain和release方法来持有和放弃对象的所有权。

在ARC内存管理机制中，id和其他对象类型变量必须是以下四个ownership qualifiers其中一个来修饰：

  • __strong(默认，如果不指定其他，编译器就默认加入)
  • __weak
  • __unsafe_unretained
  • __autoreleasing

所以在管理Objective-C对象内存的时候，你必须选择其中一个，下面会用一些列子来逐个解释它们的含义以及如何选择它们。

__strong ownership qualifier

如果我想创建一个字符串，使用完之后将它释放调用，使用MRC管理内存的写法应该是这样：

{
    NSString *text = @"Hello, world";    //@"Hello, world"对象的RC=1
    NSLog(@"%@", text);
    [text release];                      //@"Hello, world"对象的RC=0
}

而如果是使用ARC方式的话，就text对象无需调用release方法，而是当text变量超过作用域时，编译器来自动加入[text release]方法来释放内存。 

{
    NSString *text = @"Hello, world";    //@"Hello, world"对象的RC=1
    NSLog(@"%@", text);
}
/*
 *  当text超过作用域时，@"Hello, world"对象会自动释放，RC=0
 */

而当你将text赋值给其他变量anotherText时，MRC需要retain一下来持有所有权，当text和anotherText使用完之后，各个调用release方法来释放。 

{
    NSString *text = @"Hello, world";    //@"Hello, world"对象的RC=1
    NSLog(@"%@", text);

    NSString *anotherText = text;        //@"Hello, world"对象的RC=1
    [anotherText retain];                //@"Hello, world"对象的RC=2
    NSLog(@"%@", anotherText);

    [text release];                      //@"Hello, world"对象的RC=1
    [anotherText release];               //@"Hello, world"对象的RC=0
}

而使用ARC的话，并不需要调用retain和release方法来持有跟释放对象。 

{
    NSString *text = @"Hello, world";    //@"Hello, world"对象的RC=1
    NSLog(@"%@", text);

    NSString *anotherText = text;        //@"Hello, world"对象的RC=2
    NSLog(@"%@", anotherText);
}
/*
 *  当text和anotherText超过作用域时，会自动调用[text release]和[anotherText release]方法， @"Hello, world"对象的RC=0
 */

除了当__strong变量超过作用域时，编译器会自动加入release语句来释放内存，如果你将__strong变量重新赋给它其他值，那么编译器也会自动加入release语句来释放变量指向之前的对象。例如： 

{
    NSString *text = @"Hello, world";    //@"Hello, world"对象的RC=1
    NSString *anotherText = text;        //@"Hello, world"对象的RC=2
    NSString *anotherText = @"Sam Lau";  // 由于anotherText对象引用另一个对象@"Sam Lau"，那么就会自动调用[anotherText release]方法，使得@"Hello, world"对象的RC=1, @"Sam Lau"对象的RC=1
}
/*
 *  当text和anotherText超过作用域时，会自动调用[text release]和[anotherText release]方法，
 *  @"Hello, world"对象的RC=0和@"Sam Lau"对象的RC=0
 */
如果变量var被__strong修饰，当变量var指向某个对象objc，那么变量var持有某个对象objc的所有权。

前面已经提过内存管理的四条规则：


我们总结一下编译器是按以下方法来实现的：

  • 对于规则1和规则2，是通过__strong变量来实现；
  • 对于规则3来说，当变量超过它的作用域或被赋值或成员变量被丢弃时就能实现；
  • 对于规则4，当RC=0时，系统就会自动调用。

__weak ownership qualifier

其实编译器根据__strong修饰符来管理对象内存。但是__strong并不能解决引用循环(Reference Cycle)问题：对象A持有对象B，反过来，对象B持有对象A；这样会导致不能释放内存造成内存泄露问题。

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

举一个简单的例子，有一个类Test有个属性objc，有两个对象test1和test2的属性objc互相引用test1和test2：

@interface Test : NSObject
@property (strong, nonatomic) id objc;
@end

{
    Test *test1 = [Test new];        /* 对象a */
    /* test1有一个强引用到对象a */

    Test *test2 = [Test new];        /* 对象b */
    /* test2有一个强引用到对象b */

    test1.objc = test2;              /* 对象a的成员变量objc有一个强引用到对象b */
    test2.objc = test1;              /* 对象b的成员变量objc有一个强引用到对象a */
}
/*   当变量test1超过它作用域时，它指向a对象会自动release
 *   当变量test2超过它作用域时，它指向b对象会自动release
 *   
 *   此时，b对象的objc成员变量仍持有一个强引用到对象a
 *   此时，a对象的objc成员变量仍持有一个强引用到对象b
 *   于是发生内存泄露
 */

如何解决？于是我们引用一个__weakownership qualifier，被它修饰的变量都不持有对象的所有权，而且当变量指向的对象的RC为0时，变量设置为nil。例如： 

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

由于text变量被__weak修饰，text并不持有@"Sam Lau"对象的所有权，@"Sam Lau"对象一创建就马上被释放，并且编译器给出警告⚠️，所以打印结果为(null)。

所以，针对刚才的引用循环问题，只需要将Test类的属性objc设置weak修饰符，那么就能解决。

@interface Test : NSObject
@property (weak, nonatomic) id objc;
@end

{
    Test *test1 = [Test new];        /* 对象a */
    /* test1有一个强引用到对象a */

    Test *test2 = [Test new];        /* 对象b */
    /* test2有一个强引用到对象b */

    test1.objc = test2;              /* 对象a的成员变量objc不持有对象b */
    test2.objc = test1;              /* 对象b的成员变量objc不持有对象a */
}
/*   当变量test1超过它作用域时，它指向a对象会自动release
 *   当变量test2超过它作用域时，它指向b对象会自动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，被它修饰的变量都不持有对象的所有权，但当变量指向的对象的RC为0时，变量并不设置为nil，而是继续保存对象的地址；这样的话，对象有可能已经释放，但继续访问，就会造成非法访问(Invalid Access)。例子如下：

__unsafe_unretained id obj0 = nil;
{
    id obj1 = [[NSObject alloc] init];     // 对象A
    /* 由于obj1是强引用，所以obj1持有对象A的所有权，对象A的RC=1 */
    obj0 = obj1;
    /* 由于obj0是__unsafe_unretained，它不持有对象A的所有权，但能够引用它，对象A的RC=1 */
    NSLog(@"A: %@", obj0);
}
/* 当obj1超过它的作用域时，它指向的对象A将会自动释放 */
NSLog(@"B: %@", obj0);
/* 由于obj0是__unsafe_unretained，当它指向的对象RC=0时，它会继续保存对象的地址，所以两个地址相同 */

打印结果是内存地址相同：


如果将__unsafe_unretained改为weak的话，两个打印结果将不同。 

__weak id obj0 = nil;
{
    id obj1 = [[NSObject alloc] init];     // 对象A
    /* 由于obj1是强引用，所以obj1持有对象A的所有权，对象A的RC=1 */
    obj0 = obj1;
    /* 由于obj0是__unsafe_unretained，它不持有对象A的所有权，但能够引用它，对象A的RC=1 */
    NSLog(@"A: %@", obj0);
}
/* 当obj1超过它的作用域时，它指向的对象A将会自动释放 */
NSLog(@"B: %@", obj0);
/* 由于obj0是__weak， 当它指向的对象RC=0时，它会自动设置为nil，所以两个打印结果将不同*/


__autoreleasing ownership qualifier

引入ARC之后，让我们看看autorelease pool有哪些变化。没有ARC之前的写法如下：

NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
// put object into pool
id obj = [[NSObject alloc] init];
[obj autorelease];
[pool drain];
/* 超过autorelease pool作用域范围时，obj会自动调用release方法 */

引入ARC之后，写法比之前更加简洁： 

@autoreleasepool {
    id __autoreleasing obj = [[NSObject alloc] init];
}

相比之前的创建、使用和释放NSAutoreleasePool对象，现在你只需要将代码放在@autoreleasepool块即可。你也不需要调用autorelease方法了，只需要用__autoreleasing修饰变量即可。


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

但是我们很少或基本上不使用autorelease pool。当我们使用XCode创建工程后，有一个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（属性）

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

@property (strong, nonatomic) NSString *text;
下面有张表来展示property modifier与ownership qualifier的对应关系：

总结

要想掌握iOS/OS X的内存管理，首先要深入理解引用计数(Reference Count)这个概念以及内存管理的规则；在没引入ARC之前，我们都是通过retain和release方法来手动管理内存，但引入ARC之后，我们可以借助编译器来帮忙自动调用retain和release方法来简化内存管理和减低出错的可能性。虽然__strong修饰符能够执行大多数内存管理，但它不能解决引用循环（Reference Cycle）问题，于是又引入另一个修饰符__weak。被__strong修饰的变量都持有对象的所有权，而被__weak修饰的变量并不持有对象所有权。下篇我们介绍使用工具如何解决常见内存问题：野指针和内存泄露。

参考资料

作者简介：刘耀柱（@Sam_Lau_Dev），iOS Developer兼业余Designer，参与开发技术前线iOS项目翻译，个人博客：http://www.jianshu.com/users/256fb15baf75/latest_articles，GitHub：https://github.com/samlaudev。 

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