iOS 内存管理

总结自美团点评技术沙龙 Online 第4期

内存管理的几种方式

显式内存释放（C：-free、C++：-delete）
- 内存可能被提前释放，（悬停指针 dangling pointer）
- 内存永远无法释放（内存泄露）
基于引用计数（smart pointer、Objective-C）
垃圾回收（Java、C#）

MRC（Mannul Reference Counting）

也叫 MRR（Mannul Retain-Release）

严格遵守引用计数规则，保持 retain 和 release 之间的平衡
对象创建后，retain count 为1
retain count 为正，对象继续存或
retain count 降为0，对象被销毁

规则：

自己生成的对象，自己持有（alloc，allocWithZone:，copy，copyWithZone:，mutableCopy，mutableCopyWithZone)
非自己生成的对象，自己也可以持有（retain）
不需要自己持有的对象，必须释放它（release，autorelease）
非自己持有的对象无法释放

MRC 循环引用（retain cycle）

对象间直接或间接相互持有引用，自己持有自己也算。
解决方法：

assign 修饰属性，需要的地方手动置为 nil
block 中的循环引用，使用 __block 修饰对象

MRC 释放时机的问题

有时在创建一个对象之后，无法确定在什么时候释放，比如一个方法要返回一个对象，那么在方法内产生的 retain count 要在什么时候 release 是未知的。

- (NSObject *)object
{
  NSObject *o = [[NSObject alloc] init]; // 生成对象，retain count +1
  //方法执行完毕后要减去上面的 retain count，但是又不能在这里释放
  //[o release]; 
  return o;
}

针对这个问题，OC 引入了 Autorelease。

Autorelease

延迟释放对象。
方法：

手动调用 autorelease 方法
工厂方法返回值是一般都是 autorelease 的

NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
NSString *string;
char* cString = "Hello";
string = [NSString stringWithUTF8String:cString];
NSObject *obj = [[[NSObject alloc] init] autorelease];
[pool release];

autorelease 对象不会立即释放，会被注册到 autoreleasepool 中，在 pool 释放时，pool 中的对象会自动调用 release。

在 iOS 应用程序的 main 函数中，由系统创建了一个 autoreleasepool，在主线程的 Runloop 结束时会自动释放 autoreleasepool。

好处：减少内存峰值

for (int i = 0; i < 100; i++) {
      NSError *error;
      NSString *fileContents = [NSString stringWithContentsOfURL:urlArray[i] encoding:NSUTF8StringEncoding error:&error];
}

由于工厂方法生成的对象一般都是 autorelease 的，所以这里创建的100个都不会立即被释放，会等到 autoreleasepool 释放时才会释放，这样的话，会真用很多内存，造成内存峰值飙升。
解决方法是将循环体的代码放到 autoreleasepool 中。

for (int i = 0; i < 100; i++) {
      NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
      NSError *error;
      NSString *fileContents = [NSString stringWithContentsOfURL:urlArray[i] encoding:NSUTF8StringEncoding error:&error];
      [pool release];
}

这样，每次有工厂方法生成的 autorelease 对象都会被注册到我们自己创建的 autreleasepool 中，在每次循环结束时释放掉 autoreleasepool，同时也会是放掉 pool 中的 autorelease 对象。

相关点：

Run loop 会在每次 loop 到尾部时销毁 Autorelease pool。
GCD 的 dispatched blocks 会在一个 Autorelease Pool 的上下文中执行，这个 Autorelease Pool 不时的就被销毁了（依赖于实现细节）。NSOperationQueue 也类似。
其他线程则会各自对自己的 Autorelease Pool 的生命周期负责。

MRC 缺点

忘记释放，内存泄露
提前释放，悬停指针

为了解决这些问题，Apple 在 iOS4.3 之后引入 ARC。iOS5.0 之后引入 weak。

ARC （Automatic Reference Counting）

ARC 是 OBjective-C 编译器的特性，而不是运行时特性或者垃圾回收机制。ARC 所做的只不过是在代码编译时，由编译子帮你自动在合适的位置插入 retain/release 或 autorelease，所以本质和 MRC 是一样的。

ARC 中可以 retain 的对象指针

block 指针
Objective-C 的对象指针
用 __attribute__((NSObject)) 标记的对象

编译器会在调用如下方法（方法族）时插入 retain

alloc、new、copy、mutableCopy、init

ARC 环境下的关键字

__strong
持有对象
__weak
不持有对象，对象没有强引用时会置为 nil
__unsafe_unretained
不持有对象，对象没有强引用时不会置为 nil
可以在 C 结构体里使用 OC 对象

struct x {
        // 这里如果使用__strong 或 __weak，编译器会报错
        NSString __unsafe_unretained *s;
        int x;
}

__autoreleaseing
表明传引用的参数(id *)在返回时是 autorelease 的
效果等同 MRC 下的 autorelease 方法

for (int i = 0; i < 100; i++) {
        @autoreleasepool {
            id __autoreleaseing obj = [[NSObject alloc] init];
            NSError *error;
            // 实际上在 ARC 环境下，工厂方法已经不在返回 autorelease 对象了。
            NSString *fileContents = [NSString stringWithContentsOfURL:urlArray[i] encoding:NSUTF8StringEncoding error:&error];
        }
}

ARC 循环引用

property: weak
block：__weak，@weakify & @strongify

Core Foundation 的内存管理

规则

The Create - Rule
含有"Create"、"Copy"的方法创建的对象，需要手动释放。

CFTimeZoneRef CFTimeZoneCreateWithTimeIntervalFromGMT(CFAllocator allocator, CFTimeInterval ti);
CFDictionaryRef CFTimeZoneCopyAbbreviationDictionary(void);
CFBundleRef CFBundleCreate(CFAllocator allocator, CFURLRef bundleURL);

The Get - Rule
不含有则不需要手动释放

CFStringRef CFAttributedStringGetString(CFAttributedStringRef aStr);

Toll - Free Bridging
- __bridge：只是声明类型转变，内存管理所有权不变；
- __bridge_retained：指针类型转变，同时内存管理所有权由 Objective-C 交由 Core Foundation 处理，即由 ARC 变为 MRC；
- __bridge_transfer：指针类型转变，同事内存管理所有权由 Core Foundation 交由 Objective-C 处理，即 MRC 变为 ARC；

// NSString 转为 CFString ，内存管理所有权不变，依然是 ARC
CFStringRef s = (__bridge CFStringRef)[[NSString alloc] initWithFormat:@"Hello, %@!", name];

NSString *s1 = [[NSString alloc] initWithFormat:@"Hello, %@!", name];
// NSString 转为 CFString，且内存管理所有权改变， ARC 变为 MRC
CFStringRef s2 = (__bridge_retained CFStringRef)s1;
// or CFStringRef s2 = (CFStringRef)CFBridgingRetain(s1);
...
// 手动释放
CFRelease(s2);

CFStringRef result = CFURLCreateStringByAddingPercentEscapes(...);
// CFString 转 NSString，内存管理所有权改变， MRC 变 ARC
NSStrig *s = (__bridge_transfer)result;
// or NSStrig *s = (NSString *)CFBridgingRelease(result);
// 虽然创建方法含有"Create"，但是无需手动释放
return s;

思考

1、为什么 weak 变量会自动置为 nil ？

OC 的运行时在运行期会维护一个 weak 表（hash 表），会以对象（被 weak 指针指向的对象）的地址作为key，以 weak 对象地址作为value，一个key可以注册多个value。
如：__weak typeof(self) self_weak = self;
以 self 的地址作为 key，self_weak 的地址作为 value；

一个 weak 对象引用计数变为0后的执行过程：

objc_release 此时引用计数变为0，执行 dealloc
_objc_rootDealloc
object_dispose
objc_destructInstance
objc_clear_deallocating
最后一个方法，会从 weak 表里获取释放对象的地址作为键值的所有记录，将记录里面 value 对应的变量地址，赋值为 nil，然后删除这条记录。

2、AutoreleasePool 是怎么将 Autorelease 对象注册到 pool 中和从 pool 中释放？

注册时会调用 push 方法，释放时则会调用 pop 方法

void *objc_autoreleasePoolPush(void) {
    return AutoreleasePoolPage::push();
}

void objc_autoreleasePoolPop(void *ctxt) {
    AutoreleasePoolPage::pop(ctxt);
}

AutoreleasePool 类内部实现是一个双向链表。

class AutoreleasePoolPage {
  magic_t const magic;
  id *next;
  pthread_t const thread;
  AutoreleasePoolPage *const parent; 
  AutoreleasePoolPage *child;
  uint32_t const depth;
  uint32_t const hiwat;
}

AutoreleasePool 有一个哨兵对象（POOL_SENTINEL）用来标记嵌套关系，当其中的一个对象释放后遇到哨兵对象，就意味着当前的 AutoreleasePool 已经释放完毕了，接下来继续释放的对象就是另外一个 AutoreleasePool 中的对象了。

3、为什么 nonatomic 属性会导致 crash ？

在给一个属性赋值时，运行时执行的代码类似如下代码：

static inline void reallySetProperty(id self, SEL _cmd, id newValue, ptrdiff_t offset, bool atomic)
{
    id oldValue;
    id *slot = (id *) ((char *)self + offset);
    if (!atomic) {
        oldValue = *slot;
        *slot = newValue;
    } else {
        spinlock_t & slotlock = PropertyLocks[slot];
        slotlock.lock();
        oldValue = *slot;
        *slot = newValue;
        slotlock.unlock();
    }
    objc_release(oldValue);
}

在最后会释放旧值，这时候就会存在问题。在多线程情况下，nonatomic 属性不是线程安全的，所以会存在两个线程同时修改属性的情况，假设有两个线程同时修改属性，这两个线程中的 oldValue 是指向同一块内存的，在线程1第一次释放后，这块内存会被重新分配，此时线程2再次释放，就会将新分配的变量释放掉，之后若在别的地方用到了这个变量，就可能会发生 crash。

4、Objective-C 里的数组，放进去的元素都会被持有吗？如果被数组持有，怎样做一个不吃又元素的数组？

5、NSDictionary 的 key 和 value 的内存语义是怎样的？

6、在 ARC 环境下，函数的返回值已经不再使用 Autorelease 机制了，它是怎么实现的？但是如果调用方是 MRC 环境，ARC 下面的函数返回值会自动启动 Autorelease，这又是怎么实现的？

7、Toll-Free Bridging 是怎么实现的？什么样的 Core Foundation 和 Foundation 对象才能做到 Toll-Free Bridging？

8、如果一个对象持有一个 block，在 block 里面使用到了对象的一个实例变量，会形成循环引用吗？如果以一个临时变量引用实例变量，在 block 中使用这个临时变量又会怎样？

9、对象的引用计数存在对象的内存布局里还是全局的引用计数变里？为什么？两种方式各有什么优缺点？

Q&A

静态分析工具：Xcode、sonar

iOS 内存管理

iOS 内存管理

内存管理的几种方式

MRC（Mannul Reference Counting）

规则：

MRC 循环引用（retain cycle）

MRC 释放时机的问题

Autorelease

MRC 缺点

ARC （Automatic Reference Counting）

ARC 中可以 retain 的对象指针

编译器会在调用如下方法（方法族）时插入 retain

ARC 环境下的关键字

ARC 循环引用

Core Foundation 的内存管理

相关方法

规则

思考

1、为什么 weak 变量会自动置为 nil ？

2、AutoreleasePool 是怎么将 Autorelease 对象注册到 pool 中和从 pool 中释放？

3、为什么 nonatomic 属性会导致 crash ？

4、Objective-C 里的数组，放进去的元素都会被持有吗？如果被数组持有，怎样做一个不吃又元素的数组？

5、NSDictionary 的 key 和 value 的内存语义是怎样的？

6、在 ARC 环境下，函数的返回值已经不再使用 Autorelease 机制了，它是怎么实现的？但是如果调用方是 MRC 环境，ARC 下面的函数返回值会自动启动 Autorelease，这又是怎么实现的？

7、Toll-Free Bridging 是怎么实现的？什么样的 Core Foundation 和 Foundation 对象才能做到 Toll-Free Bridging？

8、如果一个对象持有一个 block，在 block 里面使用到了对象的一个实例变量，会形成循环引用吗？如果以一个临时变量引用实例变量，在 block 中使用这个临时变量又会怎样？

9、对象的引用计数存在对象的内存布局里还是全局的引用计数变里？为什么？两种方式各有什么优缺点？

Q&A

相关参考资料

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