【Swift学习】Swift编程之旅---ARC（二十）

　　Swift使用自动引用计数(ARC)来跟踪并管理应用使用的内存。大部分情况下，这意味着在Swift语言中，内存管理"仍然工作"，不需要自己去考虑内存管理的事情。当实例不再被使用时，ARC会自动释放这些类的实例所占用的内存。然而，在少数情况下，为了自动的管理内存空间，ARC需要了解关于你的代码片段之间关系的更多信息。本章描述了这些情况，并向大家展示如何打开ARC来管理应用的所有内存空间。

注意：引用计数只应用在类的实例。结构体(Structure)和枚举类型是值类型，并非引用类型，不是以引用的方式来存储和传递的。

 

　　How ARC Works

　　每次创建一个类的实例，ARC就会分配一个内存块，用来存储这个实例的相关信息。这个内存块保存着实例的类型，以及这个实例相关的属性的值。当实例不再被使用时，ARC释放这个实例使用的内存，使这块内存可作它用。这保证了类实例不再被使用时，它们不会占用内存空间。但是，如果ARC释放了仍在使用的实例，那么你就不能再访问这个实例的属性或者调用它的方法。如果你仍然试图访问这个实例，应用极有可能会崩溃。为了保证不会发生上述的情况，ARC跟踪与类的实例相关的属性、常量以及变量的数量。只要有一个有效的引用，ARC都不会释放这个实例。

 

　　为了让这变成现实，只要你将一个类的实例赋值给一个属性或者常量或者变量，这个属性、常量或者变量就是这个实例的强引用(strong reference)。之所以称之为“强”引用，是因为它强持有这个实例，并且只要这个强引用还存在，就不能销毁实例。

 

下面的例子展示了ARC是如何工作的。本例定义了一个简单的类，类名是Person，并定义了一个名为name的常量属性

class Person {
    let name: String
    init(name: String) {
        self.name = name
        println("\(name) is being initialized")
    }  

    deinit {
        println("\(name) is being deinitialized")
    }
}

接下来的代码片段定义了三个Person?类型的变量，这些变量用来创建多个引用，这些引用都引用紧跟着的代码所创建的Person对象。因为这些变量都是可选类型（Person?，而非Person），因此他们都被自动初始化为nil，并且当前并没有引用一个Person的实例。

var reference1: Person?
var reference2: Person?
var reference3: Person? 

现在我们创建一个新的Person实例，并且将它赋值给上述三个变量中的一个：

reference1 = Person(name: "John Appleseed")
// prints "Jonh Appleseed is being initialized" 

因为Person的实例赋值给了变量reference1，所以reference1是Person实例的强引用。又因为至少有这一个强引用，ARC就保证这个实例会保存在内存重而不会被销毁。

 

如果将这个Person实例赋值给另外的两个变量，那么将建立另外两个指向这个实例的强引用：

reference2 = reference1
reference3 = reference2 

现在，这一个Person实例有三个强引用。

 

如果你通过赋值nil给两个变量来破坏其中的两个强引用（包括原始的引用），只剩下一个强引用，这个Person实例也不会被销毁：

reference1 = nil
reference2 = nil 

直到第三个也是最后一个强引用被破坏，ARC才会销毁Person的实例，这时，有一点非常明确，你无法继续使用Person实例：

referenece3 = nil
// 打印 “John Appleseed is being deinitialized” 

　　类实例之间的强引用循环 

 

 在两个类实例彼此保持对方的强引用，使得每个实例都使对方保持有效时会发生这种情况。我们称之为强引用循环。

 下面的例子展示了一个强引用环是如何在不经意之间产生的。例子定义了两个类，分别叫Person和Apartment，这两个类建模了一座公寓以及它的居民：

 

class Person {
    let name: String
    init(name: String) { self.name = name }
    var apartment: Apartment?
    deinit { println("\(name) is being deinitialized") }
} 

class Apartment {
    let unit: Int
    init(unit: Int) { self.unit= unit }
    var tenant: Person?
    deinit { println("Apartment #\(number) is being deinitialized") }
} 

每个Person实例拥有一个String类型的name属性以及一个被初始化为nil的apartment可选属性。apartment属性是可选的，因为一个人并不一定拥有一座公寓。

 

类似的，每个Apartment实例拥有一个Int类型的number属性以及一个初始化为nil的tenant可选属性。tenant属性是可选的，因为一个公寓并不一定有居民。

 

这两个类也都定义了初始化函数，打印消息表明这个类的实例正在被初始化。这使你能够看到Person和Apartment的实例是否像预期的那样被销毁了。

 

下面的代码片段定义了两个可选类型变量，john和number73，分别被赋值为特定的Apartment和Person的实例。得益于可选类型的优点，这两个变量初始值均为nil：

var john: Person?
var unit4A: Apartment?

现在，你可以创建特定的Person实例以及Apartment实例，并赋值给john和number73：

jhon = Person(name: "John Appleseed")
unit4A = Apartments(number: 4A) 

下面的图表明了在创建以及赋值这两个实例后强引用的关系。john拥有一个Person实例的强引用，unit4A拥有一个Apartment实例的强引用:

现在你可以将两个实例关联起来，一个人拥有一所公寓，一个公寓也拥有一个房客。注意：用感叹号（!）来展开并访问可选类型的变量，只有这样这些变量才能被赋值：

john!.apartment = unit4A
unit4A!.tenant = john

实例关联起来后，强引用关系如下图所示

关联这俩实例生成了一个强循环引用，Person实例和Apartment实例各持有一个对方的强引用。因此，即使你破坏john和number73所持有的强引用，引用计数也不会变为0，因此ARC不会销毁这两个实例

john = nil
unit4A = nil

当上面两个变量赋值为nil时，没有调用任何一个析构方法。强引用阻止了Person和Apartment实例的销毁，进一步导致内存泄漏。

　　避免强引用循环

　　Swift提供两种方法避免强引用循环：弱引用和非持有引用。

　　对于生命周期中引用会变为nil的实例，使用弱引用；对于初始化时赋值之后引用再也不会赋值为nil的实例，使用非持有引用。

　　弱引用

　　弱引用不会增加实例的引用计数，因此不会阻止ARC销毁被引用的实例，声明属性或者变量的时候，关键字weak表明引用为弱引用。弱引用只能声明为变量类型，因为运行时它的值可能改变。弱引用绝对不能声明为常量

　　因为弱引用可以没有值，所以声明弱引用的时候必须是可选类型的。在Swift语言中，推荐用可选类型来作为可能没有值的引用的类型。

下面的例子和之前的Person和Apartment例子相似，除了一个重要的区别。这一次，我们声明Apartment的tenant属性为弱引用：

class Person {
    let name: String
    init(name: String) { self.name = name }
    var apartment: Apartment?
    deinit { print("\(name) is being deinitialized") }
}

class Apartment {
    let unit: String
    init(unit: String) { self.unit = unit }
    weak var tenant: Person?
    deinit { print("Apartment \(unit) is being deinitialized") }
}

然后创建两个变量(john和unit4A)的强引用，并关联这两个实例：

var john: Person?
var unit4A: Apartment?

john = Person(name: "John Appleseed")
unit4A = Apartment(unit: "4A")

john!.apartment = unit4A
unit4A!.tenant = john

下面是引用的关系图：

Person的实例仍然是Apartment实例的强引用，但是Apartment实例则是Person实例的弱引用。这意味着当破坏john变量所持有的强引用后，不再存在任何Person实例的强引用：

既然不存在Person实例的强引用，那么该实例就会被销毁：

 　　非持有引用

和弱引用相似，非持有引用也不强持有实例。但是和弱引用不同的是，非持有引用默认始终有值。因此，非持有引用只能定义为非可选类型（non-optional type）。在属性、变量前添加unowned关键字，可以声明一个非持有引用。

 

因为是非可选类型，因此当使用非持有引用的时候，不需要展开，可以直接访问。不过非可选类型变量不能赋值为nil，因此当实例被销毁的时候，ARC无法将引用赋值为nil。

 

class Customer {
    let name: String
    var card: CreditCard?
    init(name: String) {
        self.name = name
    } 

    deinit { println("\(name) is being deinitialized")
} 

class CreditCard {
    let number: Int
    unowned let customer: Customer
    init(number: Int, customer: Customer) {
        self.number = number
        self.customer = customer
    } 

    deinit { println("Card #\(number) is being deinitialized")
} 

下面的代码定义了一个叫john的可选类型Customer变量，用来保存某个特定消费者的引用。因为是可变类型，该变量的初始值为nil：

var john: Customer?

现在创建一个Customer实例，然后用它来初始化CreditCard实例，并把刚创建出来的CreditCard实例赋值给Customer的card属性：

john = Customer(name: "John Appleseed")
john!.card = CreditCard(number: 1234_5678_9012_3456, customer:john!)

此时的引用关系如下图所示

因为john对CreditCard实例是非持有引用,当破坏john变量持有的强引用时，就没有Customer实例的强引用了

此时Customer实例被销毁。然后，CreditCard实例的强引用也不复存在，因此CreditCard实例也被销毁

john = nil
// 打印"John Appleseed is being deinitialized"
// 打印"Card #1234567890123456 is being deinitialized"

　　非持有引用以及隐式展开的可选属性

Person和Apartment的例子说明了下面的场景：两个属性的值都可能是nil,并有可能产生强引用环。这种场景下适合使用弱引用。

 

Customer和CreditCard的例子则说明了另外的场景：一个属性可以是nil，另外一个属性不允许是nil，并有可能产生强引用环。这种场景下适合使用无主引用。

 

但是，存在第三种场景：两个属性都必须有值，且初始化完成后不能为nil。这种场景下，则要一个类用无主引用属性，另一个类用隐式展开的可选属性。这样，在初始化完成后我们可以立即访问这两个变量（而不需要可选展开）

下面的例子定义了两个类，Country和City，都有一个属性用来保存另外的类的实例。在这个模型里，每个国家都有首都，每个城市都隶属于一个国家。所以，类Country有一个capitalCity属性，类City有一个country属性：

class Country {
    let name: String
    let capitalCity: City!
    init(name: String, capitalName: String) {
        self.name = name
        self.capitalCity = City(name: capitalName, country: self)
    }
} 

class City {
    let name: String
    unowned let country: Country
    init(name: String, country: Country) {
        self.name = name
        self.country = country
    }
} 

City的初始化函数有一个Country实例参数，并且用country属性来存储这个实例。这样就实现了上面说的关系。

 

Country的初始化函数调用了City的初始化函数。但是，只有Country的实例完全初始化完后（在Two-Phase Initialization），Country的初始化函数才能把self传给City的初始化函数。

 

为满足这种需求，通过在类型结尾处加感叹号(City!)，我们声明Country的capitalCity属性为隐式展开的可选类型属性。就是说，capitalCity属性的默认值是nil，不需要展开它的值（在Implicity Unwrapped Optionals中描述）就可以直接访问。

 

因为capitalCity默认值是nil，一旦Country的实例在初始化时给name属性赋值后，整个初始化过程就完成了。这代表只要赋值name属性后，Country的初始化函数就能引用并传递隐式的self。所以，当Country的初始化函数在赋值capitalCity时，它也可以将self作为参数传递给City的初始化函数。

 

综上所述，你可以在一条语句中同时创建Country和City的实例，却不会产生强引用环，并且不需要使用感叹号来展开它的可选值就可以直接访问capitalCity：

var country = Country(name: "Canada", capitalName: "Ottawa")
println("\(country.name)'s captial city is called \(country.capitalCity.name)")
// 打印"Canada's capital city is called Ottawa" 

在上面的例子中，使用隐式展开的可选值满足了两个类的初始化函数的要求。初始化完成后，capitalCity属性就可以做为非可选值类型使用，却不会产生强引用环。

　　闭包的强引用循环

将一个闭包赋值给类实例的某个属性，并且这个闭包使用了实例，这样也会产生强引用环。这个闭包可能访问了实例的某个属性，例如self.someProperty，或者调用了实例的某个方法，例如self.someMethod。这两种情况都导致了闭包使用self，从而产生了抢引用环。

 

因为诸如类这样的闭包是引用类型，导致了强引用环。当你把一个闭包赋值给某个属性时，你也把一个引用赋值给了这个闭包。实质上，这个之前描述的问题是一样的－两个强引用让彼此一直有效。但是，和两个类实例不同，这次一个是类实例，另一个是闭包。

 

Swift提供了一种优雅的方法来解决这个问题，我们称之为闭包捕获列表(closuer capture list)。

 

下面的例子将会告诉你当一个闭包引用了self后是如何产生一个强引用循环的。

class HTMLElement { 

    let name: String
    let text: String? 

    　　lazy var asHTML: () -> String = {
        if let text = self.text {
            return "<\(self.name)>\(text)</\(self.name)>"
        } else {
            return "<\(self.name) />"
        }
    } 

    init(name: String, text: String? = nil) {
        self.name = name
        self.text = text
    } 

    deinit {
        println("\(name) is being deinitialized")
    } 

} 

HTMLElement定义了一个name属性来表示这个元素的名称，例如代表段落的"p"，或者代表换行的"br"；以及一个可选属性text，用来设置HTML元素的文本。

 

除了上面的两个属性，HTMLElement还定义了一个lazy属性asHTML。这个属性引用了一个闭包，将name和text组合成HTML字符串片段。该属性是() -> String类型，就是“没有参数，返回String的函数”。

 

默认将闭包赋值给了asHTML属性，这个闭包返回一个代表HTML标签的字符串。如果text值存在，该标签就包含可选值text；或者不包含文本。对于段落，根据text是"some text"还是nil，闭包会返回"<p>some text</p>"或者"<p />"。

 

可以像实例方法那样去命名、使用asHTML。然而，因为asHTML终究是闭包而不是实例方法，如果你像改变特定元素的HTML处理的话，可以用定制的闭包来取代默认值。

闭包使用了self（引用了self.name和self.text），因此闭包占有了self，这意味着闭包又反过来持有了HTMLElement实例的强引用。这样就产生了强引用环

　　避免闭包产生的强引用循环

在定义闭包时同时定义捕获列表作为闭包的一部分，可以解决闭包和类实例之间的强引用环。捕获列表定义了闭包内占有一个或者多个引用类型的规则。和解决两个类实例间的强引用环一样，声明每个占有的引用为弱引用或非持有引用，而不是强引用。根据代码关系来决定使用弱引用还是非持有引用。

 

注意：Swift有如下约束：只要在闭包内使用self的成员，就要用self.someProperty或者self.someMethod（而非只是someProperty或someMethod）。这可以提醒你可能会不小心就占有了self。

　　定义捕获列表

捕获列表中的每个元素都是由weak或者unowned关键字和实例的引用(如self或someInstance)组成。每一对都在花括号中，通过逗号分开。

 

捕获列表放置在闭包参数列表和返回类型之前：

lazy var someClosure: (Int, String) -> String = {
    [unowned self] (index: Int, stringToProcess: String) -> String in
    // closure body goes here
} 

如果闭包没有指定参数列表或者返回类型（可以通过上下文推断），那么占有列表放在闭包开始的地方，跟着是关键字in：

lazy var someClosure: () -> String = {
    [unowned self] in
    // closure body goes here 

} 

前面提到的HTMLElement例子中，非持有引用是正确的解决强引用的方法。这样编码HTMLElement类来避免强引用环：

class HTMLElement { 

    let name: String
    let text: String? 

    lazy var asHTML: () -> String = {
        [unowned self] in
        if let text = self.text {
            return "<\(self.name)>\(text)</\(self.name)>"
        } else {
            return "<\(self.name) />"
        }
    } 

    init(name: String, text: String? = nil) {
        self.name = name
        self.text = text
    } 

    deinit {
        println("\(name) is being deinitialized")
    } 

} 

上面的HTMLElement实现和之前的实现相同，只是多了占有列表。这里，占有列表是[unowned self]，代表“用无主引用而不是强引用来占有self”。

 

和之前一样，我们可以创建并打印HTMLElement实例：

var paragraph: HTMLElement? = HTMLElement(name: "p", text: "hello, world")
println(paragraph!.asTHML())
// 打印"<p>hello, world</p>" 

引用关系如下图

这一次，闭包以无主引用的形式占有self，并不会持有HTMLElement实例的强引用。如果赋值paragraph为nil，HTMLElement实例将会被销毁，并能看到它的deinitializer打印的消息。　　

paragraph = nil
// 打印"p is being deinitialized"