IOS內(nèi)存管理(一)基本概念與原理

文章結(jié)構(gòu)


1.內(nèi)存管理的基本規(guī)則
2.autoreleasePool
3.ARC管理方法

3.1 ARC 引入的四個(gè)ownership qualifiers
3.2 Property(屬性)與ownership qualifier

4.防止內(nèi)存泄漏編程注意事項(xiàng)

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一、內(nèi)存管理的基本規(guī)則

在Objective-C的內(nèi)存管理中,其實(shí)就是引用計(jì)數(shù)(reference count)的管理。內(nèi)存管理就是在程序需要時(shí)程序員分配一段內(nèi)存空間,而當(dāng)使用完之后將它釋放。如果程序員對(duì)內(nèi)存資源使用不當(dāng),有時(shí)不僅會(huì)造成內(nèi)存資源浪費(fèi),甚至?xí)?dǎo)致程序crach。我們將會(huì)從引用計(jì)數(shù)和內(nèi)存管理規(guī)則等基本概念開始,然后講述有哪些內(nèi)存管理方法,最后注意有哪些常見內(nèi)存問題。

About Memory Management from Apple Developer

1.1 引用計(jì)數(shù)(Reference Count)

為了解釋引用計(jì)數(shù),我們做一個(gè)類比:?jiǎn)T工在辦公室使用燈的情景。

  • 當(dāng)第一個(gè)人進(jìn)入辦公室時(shí),他需要使用燈,于是開燈,引用計(jì)數(shù)為1
  • 當(dāng)另一個(gè)人進(jìn)入辦公室時(shí),他也需要燈,引用計(jì)數(shù)為2;每當(dāng)多一個(gè)人進(jìn)入辦公室時(shí),引用計(jì)數(shù)加1
  • 當(dāng)有一個(gè)人離開辦公室時(shí),引用計(jì)數(shù)減1,當(dāng)引用計(jì)數(shù)為0時(shí),也就是最后一個(gè)人離開辦公室時(shí),他不再需要使用燈,關(guān)燈離開辦公室。

形象點(diǎn)的可以這樣解釋,從底層的實(shí)現(xiàn)來(lái)講就是一個(gè)class 結(jié)構(gòu)體,結(jié)構(gòu)體內(nèi)部有個(gè)值(也就是下圖所說(shuō)的retain count)記錄了對(duì)象擁有者(ownship)的個(gè)數(shù),當(dāng)計(jì)數(shù)值為0時(shí),系統(tǒng)將自動(dòng)釋放這個(gè)對(duì)象占用的內(nèi)存空間。

官方原文

1.2 內(nèi)存管理基本規(guī)則

從上面員工在辦公室使用燈的例子,我們對(duì)比一下燈的動(dòng)作與Objective-C對(duì)象的動(dòng)作有什么相似之處:

燈的動(dòng)作 Objective-C對(duì)象的動(dòng)作
開燈 創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象并獲取它的所有權(quán)(ownership)
使用燈 獲取對(duì)象的所有權(quán)
不使用燈 放棄對(duì)象的所有權(quán)
關(guān)燈 釋放對(duì)象

因?yàn)槲覀兪峭ㄟ^(guò)引用計(jì)數(shù)來(lái)管理燈,那么我們也可以通過(guò)引用計(jì)數(shù)來(lái)管理使用Objective-C對(duì)象。


引用Pro Multithreading and Memory Management for iOS and OS X的圖

而Objective-C對(duì)象的動(dòng)作對(duì)應(yīng)有哪些方法以及這些方法對(duì)引用計(jì)數(shù)有什么影響?

Objective-C對(duì)象的動(dòng)作 Objective-C對(duì)象的方法
1. 創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象并獲取它的所有權(quán) alloc/new/copy/mutableCopy (RC = 1)
2. 獲取對(duì)象的所有權(quán) retain (RC + 1)
3. 放棄對(duì)象的所有權(quán) release (RC - 1)
4. 釋放對(duì)象 dealloc (RC = 0 ,此時(shí)會(huì)調(diào)用該方法)

當(dāng)你alloc一個(gè)對(duì)象objc,此時(shí)RC=1;在某個(gè)地方你又retain這個(gè)對(duì)象objc,此時(shí)RC加1,也就是RC=2;由于調(diào)用alloc/retain一次,對(duì)應(yīng)需要調(diào)用release一次來(lái)釋放對(duì)象objc,所以你需要release對(duì)象objc兩次,此時(shí)RC=0;而當(dāng)RC=0時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)用dealloc方法釋放對(duì)象。

除了上面所說(shuō)的alloc/new/copy/mutableCopy/retain這幾種方法可以獲取對(duì)象的所有權(quán)(ownship)外,當(dāng)對(duì)象被添加到集合對(duì)象(array, dictionary, set)中時(shí),集合對(duì)象會(huì)獲取集合中所有對(duì)象的所有權(quán)(RC+1),當(dāng)集合對(duì)象釋放時(shí),也會(huì)默認(rèn)向集合中所有對(duì)象發(fā)送release消息(RC -1),符合誰(shuí)創(chuàng)建誰(shuí)釋放的原則。

官方原文

注意下以下情況是不會(huì)獲取對(duì)象的所有權(quán)的:
(1)不使用alloc/new/copy/mutableCopy方法引用的對(duì)象將不會(huì)獲取對(duì)象的擁有權(quán)

- (NSString *)fullName {
    NSString *string = [NSString stringWithFormat:@"%@ %@",
                                 self.firstName, self.lastName];
    return string;
}

這個(gè)函數(shù)調(diào)用的是NSStringstringWithFormat并不不滿足內(nèi)存管理基本原則,不會(huì)擁有對(duì)象的所有權(quán),所以可以放心的返回。而不用調(diào)用release方法或者autorelease方法。
(2)引用對(duì)象指針的地址的方式(they take an argument of type ClassName ** or id *),不會(huì)獲取對(duì)象的擁有權(quán)。
這個(gè)比較好理解,比如我們常見的error。

    NSString *fileName = <#Get a file name#>;
    NSError *error;
    NSString *string = [[NSString alloc] initWithContentsOfFile:fileName
                                                       encoding:NSUTF8StringEncoding error:&error];
    if (string == nil) {
        // Deal with error...
    }
    // ...
    [string release];

二、 Autorelease Pool


在開發(fā)中,我們常常都會(huì)使用到局部變量,局部變量一個(gè)特點(diǎn)就是當(dāng)它超過(guò)作用域時(shí),就會(huì)自動(dòng)釋放。而autorelease pool跟局部變量類似,當(dāng)執(zhí)行代碼超過(guò)autorelease pool塊時(shí),所有放在autorelease pool的對(duì)象都會(huì)自動(dòng)調(diào)用release。它的工作原理如下:

  • 創(chuàng)建一個(gè)NSAutoreleasePool對(duì)象

  • 在autorelease pool塊的對(duì)象調(diào)用autorelease方法

  • 釋放NSAutoreleasePool對(duì)象

引用Pro Multithreading and Memory Management for iOS and OS X的圖

iOS 5/OS X Lion前的(等下會(huì)介紹引入ARC的寫法)實(shí)例代碼如下:

NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];

// put object into pool
id obj = [[NSObject alloc] init];
[obj autorelease];

[pool drain];

/* 超過(guò)autorelease pool作用域范圍時(shí),obj會(huì)自動(dòng)調(diào)用release方法 */

由于放在autorelease pool的對(duì)象并不會(huì)馬上釋放,如果有大量圖片數(shù)據(jù)放在這里的話,將會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存不足。

for (int i = 0; i < numberOfImages; i++)
{
      /*   處理圖片,例如加載
       *   太多autoreleased objects存在
       *   由于NSAutoreleasePool對(duì)象沒有被釋放
       *   在某個(gè)時(shí)刻,會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存不足 
       */
}

像上面這種情況你就可以這么寫:

for (int i = 0; i < numberOfImages; i++)
{
       @autoreleasepool {
      /*   
       *這樣臨時(shí)的autoreleased objects就會(huì)在autoreleasepool 結(jié)束時(shí)釋放達(dá)到最少的內(nèi)存占用。
       */
       }
}

二、 ARC管理方法


iOS/OS X內(nèi)存管理方法有兩種:手動(dòng)引用計(jì)數(shù)(Manual Reference Counting)和自動(dòng)引用計(jì)數(shù)(Automatic Reference Counting)。從OS X Lion和iOS 5開始,不再需要程序員手動(dòng)調(diào)用retainrelease方法來(lái)管理Objective-C對(duì)象的內(nèi)存,而是引入一種新的內(nèi)存管理機(jī)制Automatic Reference Counting(ARC),簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),它讓編譯器來(lái)代替程序員來(lái)自動(dòng)加入retainrelease方法來(lái)持有和放棄對(duì)象的所有權(quán)。

MRC與ARC

在ARC內(nèi)存管理機(jī)制中,id和其他對(duì)象類型變量必須是以下四個(gè)ownership qualifiers其中一個(gè)來(lái)修飾:

  • __strong(默認(rèn),如果不指定其他,編譯器就默認(rèn)加入)
  • __weak
  • __unsafe_unretained
  • __autoreleasing

比方說(shuō)下面這段程序

NSError *error;
BOOL OK = [myObject performOperationWithError:&error];
if (!OK) {
    // Report the error.
    // ...

開啟ARC經(jīng)過(guò)編譯器處理后將會(huì)變成下面這樣:

NSError * __strong error;
NSError * __autoreleasing tmp = error;
BOOL OK = [myObject performOperationWithError:&tmp];
error = tmp;
if (!OK) {
    // Report the error.
    // ...

接下來(lái)看幾個(gè)例子:

2.1 __strong ownership qualifier

如果變量var被__strong修飾,當(dāng)變量var指向某個(gè)對(duì)象objc,那么變量var持有某個(gè)對(duì)象objc的所有權(quán)

如果我想創(chuàng)建一個(gè)字符串,使用完之后將它釋放調(diào)用,使用MRC管理內(nèi)存的寫法應(yīng)該是這樣:

{
    NSString *text = [[NSString alloc] initWithFormat:@"Hello, world"];   //@"Hello, world"對(duì)象的RC=1
    NSLog(@"%@", text);
    [text release];                      //@"Hello, world"對(duì)象的RC=0
}

而如果是使用ARC方式的話,就text對(duì)象無(wú)需調(diào)用release方法,而是當(dāng)text變量超過(guò)作用域時(shí),編譯器來(lái)自動(dòng)加入[text release]方法來(lái)釋放內(nèi)存

{
    NSString *text = [[NSString alloc] initWithFormat:@"Hello, world"];    //@"Hello, world"對(duì)象的RC=1
    NSLog(@"%@", text);
}
/*
 *  當(dāng)text超過(guò)作用域時(shí),@"Hello, world"對(duì)象會(huì)自動(dòng)釋放,RC=0
 */

而當(dāng)你將text賦值給其他變量anotherText時(shí),MRC需要retain一下來(lái)持有所有權(quán),當(dāng)text和anotherText使用完之后,各個(gè)調(diào)用release方法來(lái)釋放。

{
    NSString *text = [[NSString alloc] initWithFormat:@"Hello, world"];    //@"Hello, world"對(duì)象的RC=1
    NSLog(@"%@", text);

    NSString *anotherText = text;        //@"Hello, world"對(duì)象的RC=1
    [anotherText retain];                //@"Hello, world"對(duì)象的RC=2
    NSLog(@"%@", anotherText);

    [text release];                      //@"Hello, world"對(duì)象的RC=1
    [anotherText release];               //@"Hello, world"對(duì)象的RC=0
}

而使用ARC的話,并不需要調(diào)用retain和release方法來(lái)持有跟釋放對(duì)象。

{
    NSString *text = [[NSString alloc] initWithFormat:@"Hello, world"];   //@"Hello, world"對(duì)象的RC=1
    NSLog(@"%@", text);

    NSString *anotherText = text;        //@"Hello, world"對(duì)象的RC=2
    NSLog(@"%@", anotherText);
}
/*
 *  當(dāng)text和anotherText超過(guò)作用域時(shí),會(huì)自動(dòng)調(diào)用[text release]和[anotherText release]方法, @"Hello, world"對(duì)象的RC=0
 */

除了當(dāng)__strong變量超過(guò)作用域時(shí),編譯器會(huì)自動(dòng)加入release語(yǔ)句來(lái)釋放內(nèi)存,如果你將__strong變量重新賦給它其他值,那么編譯器也會(huì)自動(dòng)加入release語(yǔ)句來(lái)釋放變量指向之前的對(duì)象。例如:

{
    NSString *text = [[NSString alloc] initWithFormat:@"Hello, world"];    //@"Hello, world"對(duì)象的RC=1
    NSString *anotherText = text;        //@"Hello, world"對(duì)象的RC=2
    NSString *anotherText = [[NSString alloc] initWithFormat:@"Sam Lau"];  // 由于anotherText對(duì)象引用另一個(gè)對(duì)象@"Sam Lau",那么就會(huì)自動(dòng)調(diào)用[anotherText release]方法,使得@"Hello, world"對(duì)象的RC=1, @"Sam Lau"對(duì)象的RC=1
}
/*
 *  當(dāng)text和anotherText超過(guò)作用域時(shí),會(huì)自動(dòng)調(diào)用[text release]和[anotherText release]方法,
 *  @"Hello, world"對(duì)象的RC=0和@"Sam Lau"對(duì)象的RC=0
 */

前面已經(jīng)提過(guò)內(nèi)存管理的四條規(guī)則:

Objective-C對(duì)象的動(dòng)作 Objective-C對(duì)象的方法
1. 創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象并獲取它的所有權(quán) alloc/new/copy/mutableCopy (RC = 1)
2. 獲取對(duì)象的所有權(quán) retain (RC + 1)
3. 放棄對(duì)象的所有權(quán) release (RC - 1)
4. 釋放對(duì)象 dealloc (RC = 0 ,此時(shí)會(huì)調(diào)用該方法)

我們總結(jié)一下編譯器是按以下方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的:

  • 對(duì)于規(guī)則1和規(guī)則2,是通過(guò)__strong變量來(lái)實(shí)現(xiàn),
  • 對(duì)于規(guī)則3來(lái)說(shuō),當(dāng)變量超過(guò)它的作用域或被賦值或成員變量被丟棄時(shí)就能實(shí)現(xiàn)
  • 對(duì)于規(guī)則4,當(dāng)RC=0時(shí),系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)調(diào)用

2.2 __weak ownership qualifier

其實(shí)編譯器根據(jù)__strong修飾符來(lái)管理對(duì)象內(nèi)存。但是__strong并不能解決引用循環(huán)(Reference Cycle)問題:對(duì)象A持有對(duì)象B,反過(guò)來(lái),對(duì)象B持有對(duì)象A;這樣會(huì)導(dǎo)致不能釋放內(nèi)存造成內(nèi)存泄露問題。

引用Pro Multithreading and Memory Management for iOS and OS X的圖

舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子,有一個(gè)類Test有個(gè)屬性objc,有兩個(gè)對(duì)象test1和test2的屬性objc互相引用test1和test2:

@interface Test : NSObject

@property (strong, nonatomic) id objc;

@end


{
    Test *test1 = [Test new];        /* 對(duì)象a */
    /* test1有一個(gè)強(qiáng)引用到對(duì)象a */

    Test *test2 = [Test new];        /* 對(duì)象b */
    /* test2有一個(gè)強(qiáng)引用到對(duì)象b */

    test1.objc = test2;              /* 對(duì)象a的成員變量objc有一個(gè)強(qiáng)引用到對(duì)象b */
    test2.objc = test1;              /* 對(duì)象b的成員變量objc有一個(gè)強(qiáng)引用到對(duì)象a */
}
/*   當(dāng)變量test1超過(guò)它作用域時(shí),它指向a對(duì)象會(huì)自動(dòng)release
 *   當(dāng)變量test2超過(guò)它作用域時(shí),它指向b對(duì)象會(huì)自動(dòng)release
 *   
 *   此時(shí),b對(duì)象的objc成員變量仍持有一個(gè)強(qiáng)引用到對(duì)象a
 *   此時(shí),a對(duì)象的objc成員變量仍持有一個(gè)強(qiáng)引用到對(duì)象b
 *   于是發(fā)生內(nèi)存泄露
 */

如何解決?于是我們引用一個(gè)__weakownership qualifier,被它修飾的變量都不持有對(duì)象的所有權(quán),而且當(dāng)變量指向的對(duì)象的RC為0時(shí),變量設(shè)置為nil。例如:

__weak NSString *text = [[NSString alloc] initWithFormat:@"Sam Lau"];
NSLog(@"%@", text);

由于text變量被__weak修飾,text并不持有@"Sam Lau"對(duì)象的所有權(quán),@"Sam Lau"對(duì)象一創(chuàng)建就馬上被釋放,并且編譯器給出警告??,所以打印結(jié)果為(null)。

所以,針對(duì)剛才的引用循環(huán)問題,只需要將Test類的屬性objc設(shè)置weak修飾符,那么就能解決。

@interface Test : NSObject

@property (weak, nonatomic) id objc;//修改成weak修飾符

@end

以及我們常用的block防止內(nèi)存泄漏也可以使用__weak 修飾符,引用官方給的例子如下:

MyViewController *myController = [[MyViewController alloc] init…];
// ...
MyViewController * __weak weakMyController = myController;
myController.completionHandler =  ^(NSInteger result) {
    MyViewController *strongMyController = weakMyController;
    if (strongMyController) {
        // ...
        [strongMyController dismissViewControllerAnimated:YES completion:nil];
        // ...
    }
    else {
        // Probably nothing...
    }
};

2.3 __unsafe_unretained ownership qualifier

__unsafe_unretained ownership qualifier,正如名字所示,它是不安全的。它跟__weak相似,被它修飾的變量都不持有對(duì)象的所有權(quán),但當(dāng)變量指向的對(duì)象的RC為0時(shí),變量并不設(shè)置為nil,而是繼續(xù)保存對(duì)象的地址;這樣的話,對(duì)象有可能已經(jīng)釋放,但繼續(xù)訪問,就會(huì)造成非法訪問(Invalid Access)。例子如下:

__unsafe_unretained id obj0 = nil;
    
{
    id obj1 = [[NSObject alloc] init];     // 對(duì)象A
    /* 由于obj1是強(qiáng)引用,所以obj1持有對(duì)象A的所有權(quán),對(duì)象A的RC=1 */

    obj0 = obj1;
    /* 由于obj0是__unsafe_unretained,它不持有對(duì)象A的所有權(quán),但能夠引用它,對(duì)象A的RC=1 */
        
    NSLog(@"A: %@", obj0);
}
/* 當(dāng)obj1超過(guò)它的作用域時(shí),它指向的對(duì)象A將會(huì)自動(dòng)釋放 */
 
NSLog(@"B: %@", obj0);
/* 由于obj0是__unsafe_unretained,當(dāng)它指向的對(duì)象RC=0時(shí),它會(huì)繼續(xù)保存對(duì)象的地址,所以兩個(gè)地址相同 */

打印結(jié)果是內(nèi)存地址相同

如果將__unsafe_unretained改為weak的話,兩個(gè)打印結(jié)果將不同

__weak id obj0 = nil;
    
{
    id obj1 = [[NSObject alloc] init];     // 對(duì)象A
    /* 由于obj1是強(qiáng)引用,所以obj1持有對(duì)象A的所有權(quán),對(duì)象A的RC=1 */

    obj0 = obj1;
    /* 由于obj0是__unsafe_unretained,它不持有對(duì)象A的所有權(quán),但能夠引用它,對(duì)象A的RC=1 */
        
    NSLog(@"A: %@", obj0);
}
/* 當(dāng)obj1超過(guò)它的作用域時(shí),它指向的對(duì)象A將會(huì)自動(dòng)釋放 */
 
NSLog(@"B: %@", obj0);
/* 由于obj0是__weak, 當(dāng)它指向的對(duì)象RC=0時(shí),它會(huì)自動(dòng)設(shè)置為nil,所以兩個(gè)打印結(jié)果將不同*/

2.4 __autoreleasing ownership qualifier

引入ARC之后,讓我們看看autorelease pool有哪些變化。沒有ARC之前的寫法如下:

NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];

// put object into pool
id obj = [[NSObject alloc] init];
[obj autorelease];

[pool drain];

/* 超過(guò)autorelease pool作用域范圍時(shí),obj會(huì)自動(dòng)調(diào)用release方法 */

引入ARC之后,寫法比之前更加簡(jiǎn)潔:

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

相比之前的創(chuàng)建、使用和釋放NSAutoreleasePool對(duì)象,現(xiàn)在你只需要將代碼放在@autoreleasepool塊即可。你也不需要調(diào)用autorelease方法了,只需要用__autoreleasing修飾變量即可。

引用Pro Multithreading and Memory Management for iOS and OS X的圖

但是我們很少或基本上不使用autorelease pool。當(dāng)我們使用XCode創(chuàng)建工程后,有一個(gè)app的入口文件main.m使用了它:

int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));
    }
}

2.4 Property(屬性)與ownership qualifier


有了ARC之后,新的property modifier也被引入到Objective-C類的property,例如:

@property (strong, nonatomic) NSString *text;

下面有張表來(lái)展示property modifier與ownership qualifier的對(duì)應(yīng)關(guān)系

Property modifier Ownership qualifier
strong __strong
retain __strong
copy __strong
weak __weak
assign __unsafe_unretained
unsafe_unretained __unsafe_unretained

我們先看下當(dāng)我們命名一個(gè)屬性為retain 時(shí),然后調(diào)用@synthesize時(shí)編譯器將會(huì)做什么。引用官方原文如下:



setter方法:

 - (void)setCount:(NSNumber *)newCount {
        [newCount retain];
        [_count release];
        // Make the new assignment.
        _count = newCount;
    }

也就是這里會(huì)首先retain新值,然后釋放舊值(舊值RC -1),然后再賦值新值。

相同的當(dāng)命名一個(gè)屬性為copy類型時(shí)
setter方法:

 - (void)setCount:(NSNumber *)newCount {
        [_count release];
        // Make the new assignment.
        _count = [newCount copy];
    }

retain與copy的區(qū)別在于,一個(gè)不產(chǎn)生新的對(duì)象只是對(duì)對(duì)象的RC + 1,另一個(gè)產(chǎn)生新的對(duì)象。

除了上面提到的屬性修飾符外還有atomic (default)nonatomicreadonlyreadwrite


只能一個(gè)線程訪問,線程安全的(相當(dāng)于線程鎖的概念,一個(gè)時(shí)間段只有一個(gè)線程訪問不容易出錯(cuò),所以線程安全),低性能 等等

參考文章:
官方文檔Advanced Memory Management Programming Guide
官方文檔Transitioning to ARC Release Notes
官方文檔Memory Management Programming Guide for Core Foundation
官方文檔Transitioning to ARC Release Notes

iOS/OS X內(nèi)存管理(一):基本概念與原理

iOS/OS X內(nèi)存管理(二):借助工具解決內(nèi)存問題

IOS 出現(xiàn)內(nèi)存泄漏的幾種原因

assign、copy 、retain等關(guān)鍵字的含義

Variable property attributes or Modifiers in iOS

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