iOS 开发:彻底理解 iOS 内存管理(ARC 篇)

本文是 「iOS 开发:彻底理解 iOS 内存管理」系列的「ARC 篇」。
用来对 Objective-C 语法中,自动管理内存 ARC 相关知识进行讲解。

1. 简介

  • Automatic Reference Counting,自动引用计数,即 ARC,WWDC 2011 和 iOS 5 所引入的最大的变革和最激动人心的变化。ARC 是新的 LLVM 3.0 编译器的一项特性,使用 ARC,可以说一 举解决了广大 iOS 开发者所憎恨的手动内存管理的麻烦。

  • 使用 ARC 后,系统会检测出何时需要保持对象,何时需要自动释放对象,何时需要释放对象,编译器会管理好对象的内存,会在何时的地方插入 retainreleaseautorelease,通过生成正确的代码去自动释放或者保持对象。我们完全不用担心编译器会出错。

2. ARC 所有权修饰符

「引用计数式内存管理」的本质部分在 ARC 中并没有改变,ARC 只是自动帮我们处理了「引用计数」的相关部分。

为了处理对象,ARC 引入了以下四种变量所有权修饰符。

  • __strong:强指针,默认所有对象的指针变量都是强指针类型。只要还有一个强指针指向某个对象,则这个对象就会一直存活。
  • __weak:弱指针,不能持有对象实例。如果一个对象没有强指针引用,则弱指针引用会被置为 nil。
  • __unsafe_unretained:和 __weak 相似,是一种弱引用关系。区别在于如果一个对象没有强指针引用,则 __unsafe_unretained 引用不会被置为 nil,而是会变成一个野指针。
    __autoreleasing:用于通过引用传递对象,指示以引用(id*)传入的参数并在函数返回时自动释放。

2.1 __strong 修饰符

默认所有对象的所有权修饰符都是强指针类型。也就是说:

id obj = [NSObject alloc] init];

等同于:

id __strong obj = [NSObject alloc] init];

其对应的内存管理过程如下:

{
    id __strong obj = [NSObject alloc] init];   //obj 自己生成并持有对象
}   // obj 超过作用域,强引用失效,将会自动释放所持有的对象

2.2 __weak 修饰符

__weak 修饰符大多用来解决引用计数式内存管理中的「循环引用」问题的。如果两个以上的成员变量互相强引用对方,则两个对象将永远不会被释放,从而发生内存泄漏。所谓内存泄露就是当废弃的对象在超出其生存周期后继续存在。

举个例子,比如下边的 Test 类,生成两个实例对象 test0、test1,通过 setOject: 方法,造成了相互引用:

@interface Test : NSObject
{
    id __strong obj_;
}

- (void)setObject: (id __strong)obj;
@end

@implementation Test
- (id)init {
    self = [super init];
    return self;
}

- (void)setObject: (id __strong)obj {
    obj_ = obj;
}
@end
id test0 = [[Test alloc] init]; // test0 生成并持有对象 A
id test1 = [[Test alloc] init]; // test1 生成并持有对象 B
[test0 setObject: test1];       // test0 强引用对象 B
[test1 setObject: test0];       // test1 强引用对象 A

因为alloc 方法和 setObject 方法都是强引用,所以会出现两个对象互相强引用对方的情况。

可以使用 __weak 修饰符消除循环引用。因为带 __weak 修饰符的变量不持有对象,所以在超出其变量作用域时,对象就会被释放。

@interface Test:NSObject
{
    id __weak obj_;
}

- (void)setObject:(id __strong)obj;
@end

2.3 __unsafe_unretained 修饰符

就像上边提到的那样,__unsafe_unretained__weak 相似,是一种弱引用关系。区别在于如果一个对象没有强指针引用,则 __unsafe_unretained 引用不会被置为 nil,而是会变成一个野指针。

那有了 __weak,为什么还有 __unsafe_unretained 呢?

__unsafe_unretained 主要是跟 C 语言代码相互。此外,__weak 会消耗一定的性能,使用 __weak 需要检查对象是否被释放,在追踪是否被释放的时候需要追踪一些信息,则使用 __unsafe_unretained__weak 快,消耗 CPU 资源也比 __weak 少。

而且一个对象有大量的 __weak 引用对象的时候,当对象被释放,那么此时就要遍历 weak 表,把表里所有的指针置空,消耗 CPU 资源。

综上所述,当明确知道对象的生命期时,选择 __unsafe_unretained 会有一些性能提升。但是 __unsafe_unretained 也容易引发野指针问题。

2.4 __autoreleasing 修饰符

在 ARC 模式下,我们不能显示的使用 autorelease 方法了,但是 autorelease 的机制还是有效的,我们可以通过将对象赋给 __autoreleasing 修饰的变量,就能达到在 MRC 模式下调用对象的 autorelease 方法同样的效果。

附有 __autoreleasing 修饰的变量不是局部变量,它的生命周期由autoreleasepool 负责,在 @autoreleasepool 结束之前都能确保该对象存在。

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

上述代码主要将 NSObject 类对象注册到 autoreleasepool 线程池中,其模拟器源码如下:

id pool = objc_autoreleasePoolPush();
id obj = objc_msgSend(NSObject, @selector(alloc));
objc_msgSend(obj, @selector(init));
objc_autorelease(obj);
objc_autoreleasePoolPop(pool);

可以看出:__autoreleasing 修饰的对象会被注册到 Autorelease Pool 中,并在 Autorelease Pool 销毁时被释放,和 MRC 特性下的 autorelease 的意义相同。

3. ARC 的使用

在 MRC 的时代,我们需要自己调用 retain 方法去持有一个对象,而现在不需要的。我们唯一需要做的是使用一个指针指向这个对象,只要这个指针没有被置空,对象就会一直保持在堆上。当我们将指针指向新的对象时,原来的对象就会被 release 一次。具体用法如下:

int main(int argc, const char * argv[]) {
    // 不用写 release, main 函数执行完毕后 p 会被自动释放
    Person *p = [[Person alloc] init];

    return 0;
}

p 指针现在指向 Person 对象,此时这个对象(Person 类生成的对象)将会被 p 指针强引用,此时 p 就持有了这个对象。
直到 main 函数执行完毕,Person 类生成的对象超出了作用范围的空间,此时 p 也不再持有该对象,该对象也即将被销毁,内存得到释放。

4. ARC 的使用规则

  • 不能使用 retain / release / retainCount / autorelease,使用会导致编译器报错。
  • 不能使用 NSAllocateObject / NSDeallocateObject,使用会导致编译器报错。
  • 对象的生成/持有的方法必须遵循以下命名规则:alloc / new / copy / mutableCopy / init
  • 不能显式调用 dealloc。重写父类的 dealloc 方法时,不能再调用 [super dealloc];
  • 使用 @autorelease 块代替 NSAutoreleasePool。

5. ARC 下单对象内存管理

  • 局部变量释放后对象随之被释放:
int main(int argc, const char * argv[]) {
   @autoreleasepool {
        Person *p = [[Person alloc] init];
    } // 执行到这一行局部变量 p 释放
    // 由于没有强指针指向对象, 所以对象也释放
    return 0;
}

  • 清空指针后对象随之被释放:
int main(int argc, const char * argv[]) {
   @autoreleasepool {
        Person *p = [[Person alloc] init];
        p = nil; // 执行到这一行, 由于没有强指针指向对象, 所以对象被释放
    }
    return 0;
}

  • 默认情况下所有指针都是强指针
int main(int argc, const char * argv[]) {
   @autoreleasepool {
        // p1 和 p2 都是强指针
        Person *p1 = [[Person alloc] init];
        __strong Person *p2 = [[Person alloc] init];
    }
    return 0;
}
  • 弱指针使用注意:千万不要使用弱指针保存新创建的对象。
int main(int argc, const char * argv[]) {
   @autoreleasepool {
        // p1 是弱指针,对象会被立即释放
        __weak Person *p1 = [[Person alloc] init];
    }
    return 0;
}

6. ARC 下多对象内存管理

  • ARC 和 MRC 一样, 想拥有某个对象必须用强指针保存对象, 但是不需要在 dealloc 方法中调用 release
@interface Person : NSObject
// MRC 写法
//@property (nonatomic, retain) Dog *dog;

// ARC 写法
@property (nonatomic, strong) Dog *dog;
@end

7. ARC 下 @property 参数

  • strong:表示指向并拥有该对象。用于 OC 对象,相当于 MRC 中的 retain。
  • weak:表示指向但不拥有该对象。用于 OC 对象,相当于 MRC 中的 assign
  • assign:用于修饰基本数据类型,跟 MRC 中的 assign 一样,不涉及内存管理。
  • copy:与 strong 类似,不同之处在于 copy 在对象进行赋值(调用 setter 方法)时执行的是 copy 操作而不是 retain 操作。

这里说一下 strongcopy 的区别。

@property 参数会帮我们生成对应的 settergetter 方法。不同的修饰符生成的 settergetter 方法也不同。

strong 对应的 setter 方法,是将参数进行了 retain 操作,而 copy 对应的 setter 方法,是将参数内容进行了 copy 操作。

copy 操作在原对象是可变类型和不可变类型两种不同情况下是有区别的:

  • 当赋值参数为不可变类型(比如 NSString)时,在进行赋值操作时,copy 操作跟 strong 效果一样,只是对参数做了一次浅拷贝,地址不变。
  • 当赋值参数为可变类型(比如 NSMutableString)时,在进行赋值操作时,strong 的指针还是指向原地址。而 copy 操作则是对参数内容做了一次深拷贝,生成了一个新的对象,地址发生了改变。

这样,如果赋值参数为可变类型,当赋值参数发生改变的时候,使用 strong 修饰的对象也会跟着改变,因为两者指向的是同一个地址。而使用 copy 修饰的对象则不会跟着改变,这是因为 copy 指针指向的是一个新的对象。

所以 copy 多用于修饰带有可变类型的不可变对象上(NSString / NSArray / NSDictionary)。这是为了避免可变类型数据赋值给不可变类型数据时,内容发生改变的情况。

8. ARC 下循环引用问题

  • ARC 和 MRC 一样,如果 A 拥有 B,B 也拥有 A,那么必须一方使用弱指针。
@interface Person : NSObject
@property (nonatomic, strong) Dog *dog;
@end

@interface Dog : NSObject
// 错误写法, 循环引用会导致内存泄露
//@property (nonatomic, strong) Person *owner;

// 正确写法, 当如果保存对象建议使用 weak
@property (nonatomic, weak) Person *owner;
@end

参考资料

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