Objective-C：內存管理

時間 2019-12-01

標籤 objective 內存管理欄目 C&C++ 简体版

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1 傳統內存管理 ide

Objective-C對象的生命週期能夠分爲：建立、存在、消亡。函數

1.1 引用計數 ui

相似Java，Objective-C採用引用計算（reference counting）技術來管理對象的生命週期。每一個對象都定義有一個整數（稱引用計數器）與之相關聯，該數用以表示當前有多少個指針指向該對象。 spa

1.1.1 操做方法 3d

當某段代碼須要訪問一個對象時，該代碼就將對象的保留計數值加1；當結束訪問時就減1；若引用計數器減到0時，該對象將被銷燬。引用計數器的值由以下三種操做進行控制：指針

1) 建立 code

當使用alloc、new方法或者經過copy消息（接收到消息的對象會建立一個自身的副本）建立一個對象時，對象的保留計數器值就被初始化爲1。對象

2) 增長 blog

要增長對象的引用計數器值，能夠給對象發送一條retain消息，即調用對象的retain方法。教程

3) 減小

要減小對象的引用計數器值，能夠給對象發送一條release消息，即調用對象的release方法。

當一個對象因其引用計數器值爲0時，將被系統銷燬，從而系統自動給該對象發送一條dealloc消息。因此用戶能夠重載對象的dealloc方法，dealloc方法至關是C++的虛構函數，能夠在該函數中釋放申請的內存空間。

表 11 NSObject類內存管理方法

方法	描述
- (instancetype)retain	將引用計數器的值加1，可由用戶調用。
- (oneway void)release	將引用計數器的值減1，可由用戶調用。
- (NSUInteger)retainCount	獲取引用計數器的值，可由用戶調用。
- (instancetype)autorelease	將對象添加到自動釋放池中，可由用戶調用。
*- (struct _NSZone )**zone	複製方法。

以下所示是RetainTracker對象生命週期的引用計數器值：

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 對象全部權

對象全部權是指實體的一種職責，當某個實體"擁有一個對象"時，就意味着該實體要負責對其擁有的對象進行清理。實體可能擁有對象的狀況有：

若是一個對象內由指向其餘對象的實例變量，則稱該對象擁有這些對象；
若是一個函數建立了一個對象，則稱該函數擁有這個對象。

1.1.3 訪問方法

將類中的成員指針設置爲指向一個外部對象，需經過retain和release方法來操做引用計數值，以下有3種操做方式：

1) 簡單賦值

簡單賦值方式，以下所示：

1 -( void) setEngine:(Engine*)newEngine
2 {
3 engine = [newEngine retain];
4 }
5 這種方式只增長引用計數值，而未減小計數值。致使當再次調用setEngine方法時，未減小原來成員指針的引用計數值。

2) 修復賦值

這種方式是對前一種方式的修復，即修復了未對原來成員變量的引用計數值進行減小操做，但仍存在問題，以下所示：

1 -( void) setEngine:(Engine*)newEngine
2 {
3 [engine release]; // 先減小引用計數器值
4 engine = [newEngine retain]; // 再增長引用計數器值
5 }
6 若newEngine和engine是同一個對象，而且引用計數值爲1；那麼當調用setEngine方法時，在調用release後，會銷燬該對象，從而當接着調用retain後會報錯。

3) 正確賦值

這種方式是正確的賦值方式，修復了前兩種錯誤方式。即修復了未對原來成員指針的引用計數值操做，也修復了可能出現同一個指針的問題，以下所示：

1 -( void) setEngine:(Engine*)newEngine
2 {
3 [newEngine retain]; // 先增長引用計數器值
4 [engine release]; // 再減小引用計數器值
5 engine = newEngine;
6 }
7 這種方式保障了引用計數器值必定大於1，不會出現爲0的狀況。

1.2 自動釋放池

內存管理是一個棘手的問題，如上述所示的setter方法的各類細微問題。因此Cocoa引入了自動釋放池（autorelease pool）概念，這種方式是經過自動釋放池來管理引用計數值的release操做。有兩種方式建立自動釋放池：

@autoreleasepool關鍵字
NSAutoreleasePool對象

1.2.1 使用方式

若要使用自動釋放池來管理對象的release操做，只要在自動釋放池的生命週期內調用被管理對象的autorelease方法，便可將對象的引用計數值委託自動釋放池實體來管理，當自動釋放池實體結束時，將會調用池中對象的release方法，而且只調用一次。以下所示：

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) 關鍵字方式

@autoreleasepool方式的生命週期是從左花括號"｛"開始，直到右花括號"｝"結束，即執行到了右花括號時，那麼將調用自動釋放池中對象的release方法，來減小相應的引用計數值。

2) 對象方式

NSAutoreleasePool對象的生命週期是從調用其new方法來建立對象開始，直到調用池對象的release方法後，由系統調用釋放池對象的dealloc方法後結束，即自動釋放池在dealloc"虛構函數"中調用被管理對象的release方法來減小相應引用計數值。

1.2.2 釋放池結構

自動釋放池以棧的形式實現：當建立了一個新的自動釋放池時，該池就被添加到棧頂中。因此若某個對象調用autorelease方法時，該對象將被放入最頂端（棧頂）的自動釋放池中，而且棧頂下的釋放池仍未被銷燬，即被添加到棧頂下面釋放池的對象仍未被釋放。

若須要由自動釋放池來管理大量對象時，用戶能夠手動銷燬釋放池，而後再建立新的池對象，以下所示：

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也使用相似的方法來管理內存，當使用AppKit時，Cocoa會按期自動地爲用戶建立和銷燬自動釋放池。一般是在程序處理當前事件（如鼠標單擊或鼠標按下）之後執行這些操做。

1.3 Cocoa內存管理規則

Cocoa有許多內存管理約定，它們簡化了retain、release和autorelease的使用方法，這些規則有：

當使用new、alloc或copy方法建立一個對象時，該對象的引用計數值將被初始化爲1。當再也不使用該對象時，應該向該對象發送一條release或autorelease消息。這樣，該對象將在其使用壽命結束時被銷燬。
當經過其餘方法得到一個對象時，假設該對象的引用計數值爲1，並且已經被設置爲自動釋放，那麼用戶不須要執行任何操做來確保該對象獲得清理。若是打算在一段時間內擁有該對象，則須要保留它並確保在操做完成時釋放它。

2 自動引用計數

自動引用計數爲Automatic Reference Counting (ARC) ，是Objective-C提供了一種自動內存管理的功能。ARC不須要用戶考慮retain和release操做，而是在編譯期添加代碼（retain和release等方法）來保障對象的生命週期，同時可爲對象自動生成合適的dealloc方法。從而讓用戶專一那些感興趣的代碼。以下是引用計數器手動和自動的差別：

圖 21 引用計數器的手動和自動實現的差別

自動的引用計數和手動引用計數方法是互斥的，即不能同時在應用程序中使用ARC技術和手動操做retain和release。如在圖 22所示，若選擇YES時（默認），則啓動ARC功能；若NO，則關閉ARC功能。

圖 22 ARC功能啓動設置

2.1 強制規則

爲了ARC能工做，強制規定了一些新規則，而且這些規則不能在其它編譯器使用。若是用戶違反了這些規則，那麼將獲得一個compile-time錯誤。這些規則爲：

1) 不能顯示調用dealloc方法，同時不能調用和重載retain、release、retainCount和autorelease方法。但能夠重載dealloc方法，固然在dealloc方法中不能調用引用計數器管理方法，同時在dealloc方法中不能調用 [super dealloc]，父類的dealloc方法由編譯器自動添加。

2) 不可以使用NSAllocateObject和NSDeallocateObject，但仍可以使用alloc方法建立對象。

3) 不可以使用NSAutoreleasePool對象，但可使用@autoreleasepool代碼塊。

4) 屬性名次不能以new開頭，好比說@property NSString ＊newString是不容許的。

5) 屬性不能只有一個read-only而沒有其它內存管理特性。若沒有啓用ARC功能，可使用@property (readonly) NSString *title語句，但若是啓用來ARC功能，就必須指定由誰來管理內存。

6) 結構體（struct）和聯合體（union）不能使用ROP做爲成員，如struct {NSString *str}代碼是不被容許.

ARC只對可保留的對象指針（ROPs）有效。可保留的對象指針主要有以下三種：

代碼塊指針；
Objective-C對象指針；
經過_attribute_((NSObject))類型定義的指針。

全部其它指針類型，好比char＊和CF對象都不支持ARC特性，若是使用的指針不支持ARC，那麼必須手動管理這些對象空間。

2.2 變量修飾詞

2.2.1 保留環

使用引用計數機制時，常常要注意的一個問題是"保留環"（retain cycle），即呈環狀相互引用的多個對象。這將致使內存泄漏，由於循環中的對象其保留計數不會降爲0。對於循環中的每一個對象來講，至少還有另外一個對象引用着它。

如圖 23所示，A的引用計數爲2，而B的引用計數爲1。當A的擁有者"雲"release A後，A和B的引用計數都爲1，致使二者都沒法被釋放。

圖 23 引用計數保留環

2.2.2 修飾詞

目前Objective-C提供4種修飾詞（qualifier）來修飾變量，具體語義爲：

表 21 Objective-C修飾詞

類型	語義
__strong	默認修飾詞，當有一個strong指針指向某對象，那麼該對象將一直保持"活躍"狀態；
__weak	其不能讓被引用對象一直保持"活躍"狀態。當某個被引對象沒有__strong指針指向它時，那麼其它對象以__weak類型指向上述對象的指針將被自動置爲nil。
__unsafe_unretained	聲明一個弱應用，可是不會自動nil化，也就是說，若是所指向的內存區域被釋放了，這個指針就是一個野指針了。
__autoreleasing	用來修飾一個函數的參數，這個參數會在函數返回的時候被自動釋放。

其使用形式爲：

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

對於圖 23所示的引用環能夠採用弱引用解決，由於在指向的對象釋放以後，這些弱引用就會被設置爲nil。如圖 24所示，帶有__weak的引用環結構，當"雲"向A發送release消息後，A的引用計數爲0，從而釋放A和B對象內存空間。

圖 24 帶有弱引用的環

2.3 Toll-Free Bridging管理

ARC僅支持可保留對象指針，而沒法自動管理Core Foundation對象的空間，必須由用戶手動調用CFRetain 和 CFRelease方法來管理Core Foundation對象。若是在Objective-C 和 Core Foundation-style 對象之間進行轉換時，爲了讓ARC便於工做，那麼須要告訴編譯器哪一個對象是指針的擁有者。爲此Objective-C使用了橋接轉換（bridged cast）技術。

1) __bridge類型操做符

這種操做符是從ROP類型轉換爲non-ROP類型，但只傳遞指針並不會傳遞它的全部權，即指針的全部權仍在轉換以前的對象上。以下所示：

1 NSString *theString = @" hello world ";
2 CFStringRef cfString = (__bridge CFStringRef)theString;
3 cfString接收了指令，但指針的全部權仍然由theString保留

2) __bridge_retained類型操做符

這種操做符將指針全部權從ROP上轉移到non-ROP上。由於ARC只會注意到non-ROP，因此用戶須要經過non-ROP手動釋放其保留計數器的值。這個轉換類型會給non-ROP對象的保留計數器加1，因此須要手動讓它減1，這與標準的內存管理方式相同。以下所示：

1 NSString *theString = @" hello world ";
2 CFStringRef cfString = (__bridge_retained CFStringRef)theString;
3 cfString對象擁有指針而且它的保留計數爲1，須要使用CFRetain和CFRelease來管理它的內存

3) __bridge_transfer類型操做符

這種轉換符與上一個相反，它將全部權從non-ROP上轉移到ROP上，從而ARC擁有對象並能確保它會像其它ARC對象同樣獲得釋放。

3 參考文獻

[1] Advanced Memory Management programming guide

[2] Transitioning to ARC Release Notes

[3] Objective-C基礎教程（第2版）

[4] Effective Objective-C 2.0