淺談Swift的內存管理

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2020年的第一篇博客, 算是2020年開了個好頭, 但願可以繼續堅持下去, 繼續記錄分享更多更高質量的文章
今年期待已久的Swift5.0穩定版就已經發布了, 感興趣的小夥伴可看個人這篇博客:Swift 5.0新特性更新
這篇博客可主要分享Swift的內存管理的相關介紹和剖析, 測試環境: Xcode 11.2.1, Swift 5.1.2

內存管理

和OC同樣, 在Swift中也是採用基於引用計數的ARC內存管理方案(針對堆空間的內存管理)
在Swift的ARC中有三種引用
- 強引用(strong reference)：默認狀況下，代碼中涉及到的引用都是強引用
- 弱引用(weak reference)：經過weak定義弱引用
- 無主引用(unowned reference)：經過unowned定義無主引用

weak

弱引用(weak reference)：經過weak定義弱引用
- 必須是可選類型的var，由於實例銷燬後，ARC會自動將弱引用設置爲nil
- ARC自動給弱引用設置nil時，不會觸發屬性觀察
在介紹weak弱引用以前, 先看一下下面一段代碼

class Animal {
    deinit {
        print("Animal deinit")
    }
}

func test() {
    let animal = Animal()
}

print("will deinit")
test()
print("did deinit")
複製代碼

上面這段代碼中在test函數調用結束以後, 該做用的內存就會被回收, animal對象天然就會被銷燬, 毫無疑問上面的輸出結果應該是html

will deinit
Animal deinit
did deinit
複製代碼

一樣下面這段代碼, 一樣也是在a1對象被置爲nil的時候內存會被回收, 對象就會被銷燬swift

var a1: Animal? = Animal()
print("will deinit")
a1 = nil
print("did deinit")
複製代碼

下面是一個被weak修飾的弱引用對象,
咱們都知道, 被weak修飾的弱引用對象, 在對象銷燬的時候, 會被自動置爲nil
因此被weak修飾的弱引用對象必須是可選類型的var, 兩個條件缺一不可

weak var a2: Animal? = Animal()

// 如下兩種方式都會報錯的
weak var a2: Animal = Animal()
weak let a2: Animal? = Animal()
複製代碼

unowned

無主引用(unowned reference)：經過unowned定義無主引用
不會產生強引用，實例銷燬後仍然存儲着實例的內存地址(相似於OC中的unsafe_unretained）
試圖在實例銷燬後訪問無主引用，會產生運行時錯誤（以下野指針)

Fatal error: Attempted to read an unowned reference but object 0x0 was already deallocate
複製代碼

另外須要注意的是, weak、unowned只能用在類實例上面, 以下所示安全

// 該協議表示只能被類遵照, AnyObject表明全部的類實例
protocol Liveable: AnyObject {}
class Person {}

weak var p0: Person?
weak var p1: AnyObject?
// 全部能遵循Liveable協議的確定都是類
weak var p2: Liveable?

unowned var p10: Person?
unowned var p11: AnyObject?
unowned var p12: Liveable?
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循環引用

weak、unowned都能解決循環引用的問題，unowned要比weak少一些性能消耗
在生命週期中可能會變爲nil的使用weak
初始化賦值後不再會變爲nil的使用unowne
說道循環引用就天然想到了閉包

閉包的循環引用

閉包表達式默認會對用到的外層對象產生額外的強引用（對外層對象進行了retain操做）, 看一下下面的代碼中deinit會被調用嗎?bash

class Person {
    var fn: (() -> ())?
    func run() { print("run") }
    deinit { print("deinit") }
}

func test() {
    let p = Person()
    p.fn = { 
        p.run()
    }
}

test()
複製代碼

上面代碼中, p對象強引用着fn閉包, fn閉包也強引用着p對象, 天然就形成了循環引用問題
最後沒有任何輸出結果, 咱們看一下上述代碼的彙編執行過程

從上面彙編代碼能夠看出, 整個過程經歷了
一次init引用計數爲----1
一次retain引用計數會加(1), 結果爲----2
一次release引用計數會減(1), 結果爲----1
那麼最後的引用計數就是1, 因此p對象確定沒有被釋放
下面是使用解決循環引用的狀況
- 在閉包表達式的捕獲列表裏, 聲明weak或unowned引用，用以解決循環引用問題

// 使用weak
func test() {
    let p = Person()
    p.fn = { [weak p] in
        p?.run()
    }
}

// 使用unowned
func test() {
    let p = Person()
    p.fn = { [unowned p] in
        p.run()
    }
}
複製代碼

上述兩種方式均可以解決循環引用的問題, 運行後就發現Person對象調用了deinit
這裏咱們再看一下彙編代碼以下, 從下面彙編代碼中能夠很明顯看到, 引用計數最後爲0, 對象被釋放

另外下面這段代碼實際上是等價的微信

func test() {
    let p = Person()
    p.fn = { [unowned p] in
        p.run()
    }
}

// 和上面等價代碼
func test() {
    let p = Person()
    p.fn = { [unowned ownedP = p, weak weakP = p] in
        ownedP.run()
        // weakP?.run()
    }
}
複製代碼

特別注意點, 這裏要區分捕獲列表和參數列表, 下面看看fn有參數的狀況下markdown

class Person {
    var fn: ((Int) -> ())?
    func run() { print("run") }
    deinit { print("deinit") }
}

func test() {
    let p = Person()
    p.fn = {
        (num) in
        print("num = \(num)")
    }
}
複製代碼

那麼閉包的參數列表和捕獲列表同事存在的狀況以下代碼所示閉包

func test() {
    let p = Person()
    p.fn = {
        [weak p](num) in
        print("num = \(num)")
        p?.run()
    }
}
複製代碼

self的循環引用

若是想在引用閉包的同時引用self, 這個閉包必須是lazy的
由於實例在初始化完畢以後才能引用self

class Person {
    lazy var fn: (() -> ()) = {
        self.run()
    }
    func run() { print("run") }
    deinit { print("deinit") }
}

func test() {
    let p = Person()
    p.fn()
}

test()
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上面代碼中若是fn閉包去掉lazy, 編譯器會直接報錯
在Swift中, 爲了保證初始化的安全, 設定了兩段式初始化, 在全部的存儲屬性被初始化完成以後, 初始化器纔可以使用self
並且在上述fn閉包中, 若是fn內部用到了實例成員(屬性和方法), 則編譯器會強制要求明確寫出self
lazy既保證只有在使用的時候纔會被初始化一次
可是上述代碼一樣存在循環引用的問題, Person對象強引用着fn閉包, fn閉包也強引用着self
一樣使用weak和unowned解決循環引用的問題

// weak解決循環引用
lazy var fn: (() -> ()) = {
    [weak self] in
    self?.run()
}

// unowned解決循環引用
lazy var fn: (() -> ()) = {
    [unowned self] in
    self.run()
}
複製代碼

另外再看看下面這種狀況, 是都存在循環引用的問題函數

class Student {
    var age: Int = 2
    lazy var getAge: Int = {
        self.age
    }()
    deinit { print("deinit") }
}

func test() {
    let p = Student()
    print(p.getAge)
}

test()

/* 輸出結果 2 deinit */
複製代碼

經過輸出結果看一看出調用了deinit, 說明對象最終被釋放, 並未出現循環引用的問題, 下面比較一下oop

// 存在循環引用
class Person {
    lazy var fn: (() -> ()) = {
        self.run()
    }
    func run() { print("run") }
    deinit { print("deinit") }
}

// 不存在循環引用
class Student {
    var age: Int = 2
    lazy var getAge: Int = {
        self.age
    }()
    deinit { print("deinit") }
}
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上述兩種寫法的區別, 本質上說
Person對象中的fn閉包屬於閉包賦值
Student對象那個中的getAge屬於閉包調用(相似函數調用)
至關於在在Student對象調用getAge結束以後, 做用域內的變量就會被釋放

// getAge也能夠寫成以下形式
lazy var getAge: Int = {
    return self.age
}()

// 也能夠理解爲
lazy var getAge: Int = self.age
複製代碼

內存訪問衝突

在Swift中的內存訪問衝突主要在兩個訪問知足下列條件時發生性能

至少一個是寫入操做
它們訪問的是同一塊內存
它們的訪問時間重疊(好比在同一個函數內)
對比看看如下兩個函數操做

// 不存在內存訪問衝突
var number = 1
func plus(_ num: inout Int) -> Int {
    return num + 1
}
number = plus(&number)

// 存在內存訪問衝突
var step = 1
func increment(_ num: inout Int) {
    num += step
}
increment(&step)
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上面第二部分代碼就是同時對step變量執行讀寫操做, 運行時會報出以下錯誤

Simultaneous accesses to 0x100002028, but modification requires exclusive access.
複製代碼

再看下面對於結構體和元組的使用, 這裏先定義一個全局函數和一個結構體

// 改變兩個傳入參數的值, 讀取並修改傳入參數的值
func balance(_ x: inout Int, _ y: inout Int) {
    let sum = x + y
    x = sum / 2
    y = sum - x
}

// 定義Player結構體
struct Player {
    var name: String
    var health: Int
    var energy: Int
    mutating func shareHealth(with teammate: inout Player) {
        balance(&teammate.health, &health)
    }
}
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再看下面的使用示例, 二者都會有一個內存訪問衝突的錯誤

// 這裏讀寫的是同一個maria
var maria = Player(name: "Maria", health: 50, energy: 10)
balance(&maria.health, &maria.energy)

// 這裏讀寫的是同一個tuple
var tuple = (health: 10, energy: 20)
balance(&tuple.health, &tuple.energy)
複製代碼

可是有時候的確會有上面這種訪問同一塊內存的需求, 若是下面的條件知足, 就說明重疊訪問結構體的屬性是安全的

訪問的是實例存儲屬性, 不是計算屬性或者類屬性
結構體是局部變量而非全局變量
結構體要麼沒有被閉包捕獲要麼只被非逃逸閉包捕獲

// 這裏能夠在局部做用域內定義成局部變量, 就不會有問題了
func test() {
    var maria = Player(name: "Maria", health: 50, energy: 10)
    var tuple = (health: 10, energy: 20)
    balance(&tuple.health, &tuple.energy)
    balance(&maria.health, &maria.energy)
}
複製代碼

指針

class Person {}
var person = Person()
複製代碼

在Swift中class聲明的類(Person)是引用類型, 初始化的person對象其本質上就是一個指針變量
而person裏面存儲的就是這個指針變量的地址值, 也就能夠根據這個地址值去訪問被分配的內存空間
指針在某種意義上被定性爲不安全的, 舉個例子:
- 當前指針變量的地址值對應的空間只有32個字節, 但有可能訪問的是超過32個字節的空間, 這樣就可能會出問題的

指針分類

在Swift中也有專門的指針類型，這些都被定性爲Unsafe（不安全的），常見的有如下4種類型

UnsafePointer<Pointee>, 相似於C語言中的const Pointee *, 只能訪問內存不能修改內存, 這裏的Pointee是指泛型
UnsafeMutablePointer<Pointee>相似於C語言中的Pointee *, 能夠訪問和修改內存, 這裏的Pointee是指泛型
UnsafeRawPointer相似於const void *, 不支持泛型
UnsafeMutableRawPointer相似於void, 不支持泛型

下面看一下具體的使用示例

var age = 10
func sum1(_ ptr: UnsafeMutablePointer<Int>) {
    // 經過訪問pointee屬性, 獲取ptr指針的內存地址所存儲的值
    // UnsafeMutablePointer的pointee屬性是可讀可寫的
    ptr.pointee += 10
}
func sum2(_ ptr: UnsafePointer<Int>) {
    // UnsafePointer的pointee屬性是隻讀的
    // ptr.pointee += 10
    print(ptr.pointee)
}
func sum3(_ num: inout Int) {
    // 
    num += 10
}

// 和inout輸入輸出參數同樣接受變量的地址值
sum1(&age)
sum2(&age)
sum3(&age)
print(age)


func sum4(_ ptr: UnsafeMutableRawPointer) {
    // 可讀可寫, 取值
    print("age = ", ptr.load(as: Int.self))
    // 可讀可寫, 賦值
    ptr.storeBytes(of: 50, as: Int.self)
}
func sum5(_ ptr: UnsafeRawPointer) {
    // 只讀, 取值
    print("age = ", ptr.load(as: Int.self))
}

sum4(&age)
sum5(&age)
複製代碼

得到變量的指針

Swift中有能夠直接獲取變量的指針的方法

// 獲取可變的變量指針, value參數接受變量地址
@inlinable public func withUnsafeMutablePointer<T, Result>(to value: inout T, _ body: (UnsafeMutablePointer<T>) throws -> Result) rethrows -> Result
// 獲取不可變的變量指針, value參數接受變量
@inlinable public func withUnsafePointer<T, Result>(to value: T, _ body: (UnsafePointer<T>) throws -> Result) rethrows -> Result
// 獲取不可變的變量指針, value參數接受變量地址
@inlinable public func withUnsafePointer<T, Result>(to value: inout T, _ body: (UnsafePointer<T>) throws -> Result) rethrows -> Result
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上述方法中返回值默認是變量的指針地址, 也能夠是其餘的數據類型, 主要取決於body閉包的返回值, 返回值類型由閉包中的Result泛型決定

var age = 10
var ptr1 = withUnsafeMutablePointer(to: &age) { $0 }   // UnsafeMutablePointer<Int>
var ptr2 = withUnsafePointer(to: &age) { $0 }          // UnsafePointer<Int>
ptr1.pointee = 22
print(ptr2.pointee) // 22
print(ptr2)         // 0x0000000100008310

var ptr3 = withUnsafeMutablePointer(to: &age) { UnsafeMutableRawPointer($0) }   // UnsafeMutableRawPointer
var ptr4 = withUnsafePointer(to: &age) { UnsafeRawPointer($0) }                 // UnsafeRawPointer
// as參數是須要存儲什麼類型的數據
ptr3.storeBytes(of: 33, as: Int.self)
print(ptr4.load(as: Int.self)) // 33
print(ptr4)         // 0x0000000100008310
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建立指針

以前獲取到的指針都是根據已經存在的內存獲取的
這裏就看看從新分配一塊內存指向堆空間

malloc

Swift提供了malloc直接分配內存建立指針的方式

// 根據須要分配的內存大小建立一個指針
public func malloc(_ __size: Int) -> UnsafeMutableRawPointer!
// 釋放內存
public func free(_: UnsafeMutableRawPointer!)


// 下面這兩個函數, 是賦值和取值的函數, 以前簡單介紹過
// 參數一: 須要存儲的值
// 參數二: 偏移量, 從第幾個字節開始存儲, 默認從第一個
// 參數三: 須要存儲的值的類型
@inlinable public func storeBytes<T>(of value: T, toByteOffset offset: Int = 0, as: T.Type)

// 參數一: 偏移量, 從第幾個字節開始存儲, 默認從第一個
// 參數二: 須要存儲的值的類型
@inlinable public func load<T>(fromByteOffset offset: Int = 0, as type: T.Type) -> T
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代碼示例以下

// 建立指針
var ptr = malloc(16)
// 存儲值
ptr?.storeBytes(of: 10, as: Int.self)
// 這裏toByteOffset參數若是傳0, 就會覆蓋前8個字節的數據
ptr?.storeBytes(of: 12, toByteOffset: 8, as: Int.self)
// 取值
print(ptr?.load(as: Int.self) ?? 0)
print(ptr?.load(fromByteOffset: 8, as: Int.self) ?? 0)
// 銷燬, 釋放內存
free(ptr)
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allocate

使用allocate方式建立指針, 代碼示例以下

// byteCount: 須要申請的字節數, alignment: 對其字節數
var ptr2 = UnsafeMutableRawPointer.allocate(byteCount: 16, alignment: 1)
// 存儲
ptr2.storeBytes(of: 9, as: Int.self)

// 根據字節偏移存儲
// 這裏的ptr3是ptr2偏移8個字節的新的指針地址
var ptr3 = ptr2.advanced(by: 8)  // UnsafeMutableRawPointer
ptr3.storeBytes(of: 12, as: Int.self)

// 上面這種方式等價於
ptr2.storeBytes(of: 12, toByteOffset: 8, as: Int.self)

// 取值一樣
print(ptr2.load(as: Int.self))
// 下面這兩種取值方式也是同樣的
print(ptr2.advanced(by: 8).load(as: Int.self))
print(ptr2.load(fromByteOffset: 8, as: Int.self))

// 釋放內存
ptr2.deallocate()
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這裏須要注意的是隻有UnsafeMutableRawPointer纔有allocate分配方法, UnsafeRawPointer是沒有這個方法的, 下面說到的UnsafeMutablePointer<T>類型也是, UnsafePointer<T>沒有allocate分配方法

// capacity: 容量, 便可以存儲3個Int類型的數據, 也就是24個字節
var ptr = UnsafeMutablePointer<Int>.allocate(capacity: 3)
// 初始化內存, 用10初始化錢8個字節
ptr.initialize(to: 10)
// 用10初始化前兩個容量的內存, 即16個字節
ptr.initialize(repeating: 10, count: 2)
// 使用successor獲取下一個存儲位, 也就是下一個Int的位置
var ptr1 = ptr.successor()  // UnsafeMutablePointer<Int>
ptr1.initialize(to: 20)
// 存儲第三個Int值
ptr.successor().successor().initialize(to: 30)

// 取值的兩種方式
print(ptr.pointee)        // 第一個值
print((ptr + 1).pointee)  // 第二個值
print((ptr + 2).pointee)  // 第三個值

// 下面這種方式和上面等價
print(ptr[0])
print(ptr[1])
print(ptr[2])

// 前面若是使用了initialize, 則必須調用反初始化
// 並且count要和上面allocate(capacity: 3)的capacity一致, 不然會形成內存泄露的問題
ptr.deinitialize(count: 3)
ptr.deallocate()
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指針之間的轉換

前面提到過Swift中的指針類型有四種

UnsafePointer<Pointee>相似於const Pointee *
UnsafeMutablePointer<Pointee>相似於Pointee *
UnsafeRawPointer相似於const void *
UnsafeMutableRawPointer相似於void *
那麼上面的類型, 可否經過其中的一種建立另一種指針呢, 下面咱們來看一下

init

UnsafeMutableRawPointer中有一個初始化方法能夠根據UnsafeMutablePointer建立自身

public init<T>(_ other: UnsafeMutablePointer<T>)

var ptr = UnsafeMutablePointer<Int>.allocate(capacity: 3)
var ptr1 = UnsafeMutableRawPointer(ptr)
複製代碼

assumingMemoryBound

反過來, UnsafeMutableRawPointer也提供了一個方法用於建立UnsafePointer

public func assumingMemoryBound<T>(to: T.Type) -> UnsafePointer<T>

var ptr = UnsafeMutableRawPointer.allocate(byteCount: 16, alignment: 1)
var ptr1 = ptr.assumingMemoryBound(to: Int.self)
// 初始化前8個字節
ptr1.pointee = 11
// 初始化後8個字節
// 特別注意, 這裏的(ptr + 8)是指ptr向後偏移8個字節, 要和以前的區分開
(ptr + 8).assumingMemoryBound(to: Int.self).pointee = 12

ptr.deallocate()
複製代碼

unsafeBitCast

unsafeBitCast是忽略數據類型的強制轉換，不會由於數據類型的變化而改變原來的內存數

// 把第一個參數類型轉成第二個參數類型
@inlinable public func unsafeBitCast<T, U>(_ x: T, to type: U.Type) -> U


var ptr = UnsafeMutableRawPointer.allocate(byteCount: 16, alignment: 1)
unsafeBitCast(ptr, to: UnsafeMutablePointer<Int>.self).pointee = 13
// 注意, 這裏的(ptr + 8)是指ptr向後偏移8個字節, 要和以前的區分開
unsafeBitCast(ptr + 8, to: UnsafeMutablePointer<Double>.self).pointee = 14.23

ptr.deallocate()
複製代碼

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