Objective-C：内存管理

1 传统内存管理

Objective-C对象的生命周期可以分为：创建、存在、消亡。

1.1 引用计数

类似Java，Objective-C采用引用计算（reference counting）技术来管理对象的生命周期。每个对象都定义有一个整数（称引用计数器）与之相关联，该数用以表示当前有多少个指针指向该对象。

1.1.1 操作方法

当某段代码需要访问一个对象时，该代码就将对象的保留计数值加1；当结束访问时就减1；若引用计数器减到0时，该对象将被销毁。引用计数器的值由如下三种操作进行控制：

      1) 创建

当使用alloc、new方法或者通过copy消息（接收到消息的对象会创建一个自身的副本）创建一个对象时，对象的保留计数器值就被初始化为1。

      2) 增加

要增加对象的引用计数器值，可以给对象发送一条retain消息，即调用对象的retain方法。

      3) 减少

要减少对象的引用计数器值，可以给对象发送一条release消息，即调用对象的release方法。

       当一个对象因其引用计数器值为0时，将被系统销毁，从而系统自动给该对象发送一条dealloc消息。所以用户可以重载对象的dealloc方法，dealloc方法相当是C++的虚构函数，可以在该函数中释放申请的内存空间。

表 11 NSObject类内存管理方法

方法	描述
- (instancetype)retain	将引用计数器的值加1，可由用户调用。
- (oneway void)release	将引用计数器的值减1，可由用户调用。
- (NSUInteger)retainCount	获取引用计数器的值，可由用户调用。
- (instancetype)autorelease	将对象添加到自动释放池中，可由用户调用。
- (struct _NSZone *)zone	复制方法。

如下所示是RetainTracker对象生命周期的引用计数器值：

 1 int main (int argc, const char * argv[])
 2 {
 3     RetainTracker * rt = [[RetainTracker alloc] init];
 4     NSLog(@"alloc:%d",[rt retainCount]);
 5 
 6     [rt retain];
 7     NSLog(@"retain:%d",[rt retainCount]);
 8     
 9     [rt release];
10     NSLog(@"release:%d",[rt retainCount]);
11     return (0);
12 } // main

1.1.2 对象所有权

对象所有权是指实体的一种职责，当某个实体"拥有一个对象"时，就意味着该实体要负责对其拥有的对象进行清理。实体可能拥有对象的情况有：

• 如果一个对象内由指向其他对象的实例变量，则称该对象拥有这些对象；

• 如果一个函数创建了一个对象，则称该函数拥有这个对象。

1.1.3 访问方法

将类中的成员指针设置为指向一个外部对象，需通过retain和release方法来操作引用计数值，如下有3种操作方式：

1) 简单赋值

简单赋值方式，如下所示：

1 -(void) setEngine:(Engine*)newEngine
2 {
3      engine = [newEngine retain];
4 }
5 这种方式只增加引用计数值，而未减少计数值。导致当再次调用setEngine方法时，未减少原来成员指针的引用计数值。

2) 修复赋值

这种方式是对前一种方式的修复，即修复了未对原来成员变量的引用计数值进行减少操作，但仍存在问题，如下所示：

1 -(void) setEngine:(Engine*)newEngine
2 {
3      [engine release];            //先减少引用计数器值
4      engine = [newEngine retain];  //再增加引用计数器值
5 }
6 若newEngine和engine是同一个对象，并且引用计数值为1；那么当调用setEngine方法时，在调用release后，会销毁该对象，从而当接着调用retain后会报错。

3) 正确赋值

这种方式是正确的赋值方式，修复了前两种错误方式。即修复了未对原来成员指针的引用计数值操作，也修复了可能出现同一个指针的问题，如下所示：

1 -(void) setEngine:(Engine*)newEngine
2 {
3 [newEngine retain];    //先增加引用计数器值
4 [engine release];      //再减少引用计数器值
5 engine = newEngine;
6 }
7 这种方式保障了引用计数器值一定大于1，不会出现为0的情况。

1.2 自动释放池

内存管理是一个棘手的问题，如上述所示的setter方法的各种细微问题。所以Cocoa引入了自动释放池（autorelease pool）概念，这种方式是通过自动释放池来管理引用计数值的release操作。有两种方式创建自动释放池：

• @autoreleasepool关键字
• NSAutoreleasePool对象

1.2.1 使用方式

若要使用自动释放池来管理对象的release操作，只要在自动释放池的生命周期内调用被管理对象的autorelease方法，即可将对象的引用计数值委托自动释放池实体来管理，当自动释放池实体结束时，将会调用池中对象的release方法，并且只调用一次。如下所示：

 1 -(void) autorelease
 2 {
 3     RetainTracker * rt = [[RetainTracker alloc] init];
 4     [rt retain];
 5     [rt retain];
 6      NSLog(@"before:%d",[rt retainCount]);
 7     
 8     @autoreleasepool {
 9         [rt autorelease];
10     }
11     
12     NSLog(@"after:%d",[rt retainCount]);
13 }
14 2016-02-07 10:52:36.920 ObjectC[725:41864] before:3
15 2016-02-07 10:52:36.921 ObjectC[725:41864] after:2
16 Program ended with exit code: 0

1) 关键字方式

@autoreleasepool方式的生命周期是从左花括号"｛"开始，直到右花括号"｝"结束，即执行到了右花括号时，那么将调用自动释放池中对象的release方法，来减少相应的引用计数值。

2) 对象方式

NSAutoreleasePool对象的生命周期是从调用其new方法来创建对象开始，直到调用池对象的release方法后，由系统调用释放池对象的dealloc方法后结束，即自动释放池在dealloc"虚构函数"中调用被管理对象的release方法来减少相应引用计数值。

1.2.2 释放池结构

       自动释放池以栈的形式实现：当创建了一个新的自动释放池时，该池就被添加到栈顶中。所以若某个对象调用autorelease方法时，该对象将被放入最顶端（栈顶）的自动释放池中，并且栈顶下的释放池仍未被销毁，即被添加到栈顶下面释放池的对象仍未被释放。

若需要由自动释放池来管理大量对象时，用户可以手动销毁释放池，然后再创建新的池对象，如下所示：

 1 NSAutoreleasePool *pool;
 2 Pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
 3 int i;
 4 for(i = 0; i<1000000;i++)
 5 {
 6 id object = [someArray objetcAtIndex: i];
 7 [id autorelease];
 8      NSString *desc = [object description];
 9      if(i%1000)
10      {
11          [pool release];
12          pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
13      }
14 }
15 [pool release];

Cocoa也使用类似的方法来管理内存，当使用AppKit时，Cocoa会定期自动地为用户创建和销毁自动释放池。通常是在程序处理当前事件（如鼠标单击或鼠标按下）以后执行这些操作。

1.3 Cocoa内存管理规则

Cocoa有许多内存管理约定，它们简化了retain、release和autorelease的使用方法，这些规则有：

• 当使用new、alloc或copy方法创建一个对象时，该对象的引用计数值将被初始化为1。当不再使用该对象时，应该向该对象发送一条release或autorelease消息。这样，该对象将在其使用寿命结束时被销毁。
• 当通过其他方法获得一个对象时，假设该对象的引用计数值为1，而且已经被设置为自动释放，那么用户不需要执行任何操作来确保该对象得到清理。如果打算在一段时间内拥有该对象，则需要保留它并确保在操作完成时释放它。

2 自动引用计数

自动引用计数为Automatic Reference Counting (ARC) ，是Objective-C提供了一种自动内存管理的功能。ARC不需要用户考虑retain和release操作，而是在编译期添加代码（retain和release等方法）来保障对象的生命周期，同时可为对象自动生成合适的dealloc方法。从而让用户专注那些感兴趣的代码。如下是引用计数器手动和自动的差异：

图 21 引用计数器的手动和自动实现的差异

自动的引用计数和手动引用计数方法是互斥的，即不能同时在应用程序中使用ARC技术和手动操作retain和release。如在图 22所示，若选择YES时（默认），则启动ARC功能；若NO，则关闭ARC功能。

图 22 ARC功能启动设置

2.1 强制规则

为了ARC能工作，强制规定了一些新规则，并且这些规则不能在其它编译器使用。如果用户违反了这些规则，那么将得到一个compile-time错误。这些规则为：

      1) 不能显示调用dealloc方法，同时不能调用和重载retain、release、retainCount和autorelease方法。但可以重载dealloc方法，当然在dealloc方法中不能调用引用计数器管理方法，同时在dealloc方法中不能调用 [super dealloc]，父类的dealloc方法由编译器自动添加。

2) 不可使用NSAllocateObject和NSDeallocateObject，但仍可使用alloc方法创建对象。

3) 不可使用NSAutoreleasePool对象，但可以使用@autoreleasepool代码块。

4) 属性名次不能以new开头，比如说@property NSString ＊newString是不允许的。

5) 属性不能只有一个read-only而没有其它内存管理特性。若没有启用ARC功能，可以使用@property (readonly) NSString *title语句，但如果启用来ARC功能，就必须指定由谁来管理内存。

6) 结构体（struct）和联合体（union）不能使用ROP作为成员，如struct {NSString *str}代码是不被允许.

ARC只对可保留的对象指针（ROPs）有效。可保留的对象指针主要有如下三种：

• 代码块指针；
• Objective-C对象指针；
• 通过_attribute_((NSObject))类型定义的指针。

所有其它指针类型，比如char＊和CF对象都不支持ARC特性，如果使用的指针不支持ARC，那么必须手动管理这些对象空间。

2.2 变量修饰词

2.2.1 保留环

使用引用计数机制时，经常要注意的一个问题是"保留环"（retain cycle），即呈环状相互引用的多个对象。这将导致内存泄漏，因为循环中的对象其保留计数不会降为0。对于循环中的每个对象来说，至少还有另一个对象引用着它。

如图 23所示，A的引用计数为2，而B的引用计数为1。当A的拥有者"云"release A后，A和B的引用计数都为1，导致两者都无法被释放。

图 23 引用计数保留环

2.2.2 修饰词

目前Objective-C提供4种修饰词（qualifier）来修饰变量，具体语义为：

表 21 Objective-C修饰词

类型	语义
__strong	默认修饰词，当有一个strong指针指向某对象，那么该对象将一直保持"活跃"状态；
__weak	其不能让被引用对象一直保持"活跃"状态。当某个被引对象没有__strong指针指向它时，那么其它对象以__weak类型指向上述对象的指针将被自动置为nil。
__unsafe_unretained	声明一个弱应用，但是不会自动nil化，也就是说，如果所指向的内存区域被释放了，这个指针就是一个野指针了。
__autoreleasing	用来修饰一个函数的参数，这个参数会在函数返回的时候被自动释放。

其使用形式为：

1 ClassName * qualifier variableName;
2 eg：
3      MyClass * __weak myWeakReference;

对于图 23所示的引用环可以采用弱引用解决，因为在指向的对象释放之后，这些弱引用就会被设置为nil。如图 24所示，带有__weak的引用环结构，当"云"向A发送release消息后，A的引用计数为0，从而释放A和B对象内存空间。

图 24 带有弱引用的环

2.3 Toll-Free Bridging管理

ARC仅支持可保留对象指针，而无法自动管理Core Foundation对象的空间，必须由用户手动调用CFRetain 和 CFRelease方法来管理Core Foundation对象。如果在Objective-C 和 Core Foundation-style 对象之间进行转换时，为了让ARC便于工作，那么需要告诉编译器哪个对象是指针的拥有者。为此Objective-C使用了桥接转换（bridged cast）技术。

1) __bridge类型操作符

这种操作符是从ROP类型转换为non-ROP类型，但只传递指针并不会传递它的所有权，即指针的所有权仍在转换之前的对象上。如下所示：

1 NSString *theString = @"hello world";
2 CFStringRef cfString = (__bridge CFStringRef)theString;
3 cfString接收了指令，但指针的所有权仍然由theString保留

2) __bridge_retained类型操作符

这种操作符将指针所有权从ROP上转移到non-ROP上。因为ARC只会注意到non-ROP，所以用户需要通过non-ROP手动释放其保留计数器的值。这个转换类型会给non-ROP对象的保留计数器加1，所以需要手动让它减1，这与标准的内存管理方式相同。如下所示：

1 NSString *theString = @"hello world";
2 CFStringRef cfString = (__bridge_retained CFStringRef)theString;
3 cfString对象拥有指针并且它的保留计数为1，需要使用CFRetain和CFRelease来管理它的内存

3) __bridge_transfer类型操作符

这种转换符与上一个相反，它将所有权从non-ROP上转移到ROP上，从而ARC拥有对象并能确保它会像其它ARC对象一样得到释放。

3 参考文献

[1] Advanced Memory Management programming guide

[2] Transitioning to ARC Release Notes

[3] Objective-C基础教程（第2版）

[4] Effective Objective-C 2.0