《Objective-C高級編程：iOS與OS X多線程和內(nèi)存管理》是iOS開發(fā)中一本經(jīng)典書籍，書中有關(guān)ARC、Block、GCD的梳理是iOS開發(fā)進階路上必不可少的知識儲備。筆者讀完此書后為了加強理解，特以筆記記之。本文為開篇，圍繞ARC談起Objective-C中的內(nèi)存管理。

ARC

鑒于本書翻譯自日文原版且翻譯偏向書面，筆者希望采用通俗的語言記錄，文章結(jié)構(gòu)略有調(diào)整。

本文首發(fā)于Rachal's blog。

內(nèi)存管理

ARC（自動引用計數(shù)）是iOS5、macOS10.7引入的內(nèi)存管理技術(shù)，為了循序漸進的方式了解這項技術(shù)，本書先從ARC無效的環(huán)境說起，也就是常指的MRC（手動引用計數(shù)）環(huán)境。

本書開篇沒有直接提及引用計數(shù)的概念，而是以辦公室開燈關(guān)燈的例子引出內(nèi)存管理的思考方式。作者認為理解內(nèi)存管理時把注意力落在“生成”、“持有”、“釋放”等管理操作上更為客觀。

內(nèi)存管理的思考方式

• 自己生成的對象，自己所持有。
• 非自己生成的對象，自己也能持有。
• 不再需要自己持有的對象時釋放。
• 非自己持有的對象無法釋放。

這里的“自己”理解為編程人員自身。與“生成”、“持有”、“釋放”操作并列的還有“廢棄”，分別對應以下方法：

• 注意：以上方法包含在Cocoa框架中而非Objective-C語言中。

自己生成的對象，自己所持有

以下面名稱開頭的方法生成的對象為自己持有：

• alloc
• new
• copy
• mutableCopy

id obj1 = [[NSObject alloc] init];// 自己生成并持有
id obj2 = [NSObject new];// 自己生成并持有

另外，根據(jù)以上原則，下列方法也意味著自己生成并持有對象：

• allocMyObject
• newThatObject
• copyThis
• mutableCopyYourObject

id obj = [MyObject allocMyObject];

// 內(nèi)部實現(xiàn)
+ (MyObject *)allocMyObject {
    MyObject *obj = [[MyObject alloc] init];
    return obj;
}

非自己生成的對象，自己也能持有

alloc/new/copy/mutableCopy以外方法取得對象，非自己生成，自己不持有對象。可以通過retain方法為自己所持有。

id obj = [NSMutableArray array];// 取得對象，但自己不持有
[obj retain];// 自己持有對象

不再需要自己持有的對象時釋放

自己持有的對象不再需要時，持有者有義務將其釋放。釋放使用release方法。

id obj = [[NSObject alloc] init];// 自己生成并持有對象
[obj release];// 釋放對象

用retain方法持有對象，一旦不再需要，務必要用release方法釋放。

id obj = [NSMutableArray array];// 取得對象，但自己不持有
[obj retain];// 持有非自己生成對象
[obj release];// 釋放對象

類似[NSMutableArray array]方法取得的對象存在，但自己不持有對象，內(nèi)部如何實現(xiàn)？以object這個方法名為例：

- (id)object {
    id obj = [[NSObject alloc] init];// 自己持有
    [obj autorelease];// 適當時機自動釋放
    return obj;// 取得對象存在，但自己不持有
}

autorelease提供這樣的功能，使對象在超出指定的生存范圍時能夠自動并正確地釋放。
使用NSMutableArray類的array類方法等可以取得誰都不持有的對象，這些方法是通過autorelease實現(xiàn)的。

非自己持有的對象無法釋放

用alloc/new/copy/mutableCopy方法生成并持有的對象，或用retain方法持有的對象，在不需要時要將其釋放。倘若在應用程序中釋放了非自己持有的對象會造成崩潰。

id obj = [[NSObject alloc] init];// 自己生成并持有對象
[obj release];// 釋放對象
[obj release];// 重復釋放對象，崩潰

id obj1 = [obj0 object];// 取得對象，但自己不持有
[obj1 release];// 釋放非自己持有的對象，崩潰

alloc/retain/release/dealloc及其實現(xiàn)

Cocoa是macOS的系統(tǒng)框架，在iOS上被稱為Cocoa Touch。Cocoa框架雖然沒有公開，但是可以通過Cocoa框架的互換框架GNUstep來推測蘋果的實現(xiàn)。

alloc調(diào)用allocWithZone，那么這里的參數(shù)類型NSZone是什么？

它是為了防止內(nèi)存碎片化而引入的結(jié)構(gòu)。對內(nèi)存分配的區(qū)域本身進行多重化的管理，根據(jù)使用對象的目的、對象的大小分配內(nèi)存，從而提高內(nèi)存管理的效率。
現(xiàn)在運行時系統(tǒng)中的內(nèi)存管理已經(jīng)極具效率，使用區(qū)域來管理內(nèi)存反而會引起內(nèi)存使用效率低下以及源代碼復雜等問題。

GNUstep的實現(xiàn)

GNUstep源碼里alloc類方法用obj_layout結(jié)構(gòu)體中的整數(shù)變量retained來保存引用計數(shù)retainCount，并將其寫入對象內(nèi)存頭部。

執(zhí)行alloc后對象的實例方法retainCount獲得數(shù)值是1，retain使變量retained值+1，release使變量retained值-1。release使tetained變量大于0時-1，等于0時調(diào)用dealloc實例方法，廢棄對象。

具體總結(jié)如下：

• 在Objective-C的對象中存有引用計數(shù)這一整數(shù)值。
• 調(diào)用alloc或是retain方法后，引用計數(shù)值+1。
• 調(diào)用release后，引用計數(shù)值-1。
• 引用計數(shù)值為0時，調(diào)用dealloc方法廢棄對象。

蘋果的實現(xiàn)

alloc過程設置斷點追蹤調(diào)用的方法和函數(shù)：

+alloc
+allocWithZone:
class_createInstance
calloc//分配內(nèi)存塊

蘋果對alloc的實現(xiàn)與GNUstep并無多大差異。

retainCount/retain/release調(diào)用的方法和函數(shù)分別如下：

-retainCount
__CFDoExternRefOperation
CFBasicHashGetCountOfKey

-retain
__CFDoExternRefOperation
CFBasicHashAddValue

-release
__CFDoExternRefOperation
CFBasicHashRemoveValue
（CEBasicHashRemoveValue返回0時，-release 調(diào)用dealloc）

可以從__CFDoExternRefOperation函數(shù)以及一些CFBasicHash開頭的函數(shù)名看出，蘋果的實現(xiàn)大概就是采用散列表（又稱哈希表）來管理引用計數(shù)。

在引用計數(shù)表中，key為內(nèi)存塊地址，value為對應的引用計數(shù)，蘋果這樣實現(xiàn)的優(yōu)勢在于：

• 為對象分配內(nèi)存塊時無需考慮內(nèi)存塊頭部。
• 對象占用內(nèi)存塊損壞時，可以根據(jù)引用計數(shù)表來確認內(nèi)存塊的位置。
• 檢測內(nèi)存泄露時，根據(jù)引用計數(shù)表中的記錄檢查對象的持有者是否存在。

autorelease及其實現(xiàn)

autorelease會像C語言的自動變量那樣對待對象實例。當超出其作用域時，對象實例的release實例方法被調(diào)用。

autorelease具體使用方法如下：

• 1.生成并持有NSAutoreleasePool對象；
• 2.調(diào)用已分配對象的autorelease實例方法；
• 3.廢棄NSAutoreleasePool對象。

NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
id obj = [[NSObject alloc] init];
[obj release];
[pool drain];

Cocoa框架中程序主循環(huán)的NSRunLoop對NSAutoreleasePool對象進行生成、持有和廢棄處理。在大量產(chǎn)生autorelease對象時，若不廢棄NSAutoreleasePool對象，那么生成的對象就不能被廢棄，會產(chǎn)生內(nèi)存不足現(xiàn)象。

GNUstep的實現(xiàn)

autorelease實例方法的本質(zhì)就是調(diào)用NSAutoreleasePool對象的addObject類方法。

[obj autorelease];

源碼：

- (id)autorelease {
    [NSAutoreleasePool addObject:self];
}

GNUstep在實現(xiàn)NSAutoreleasePool時使用連接列表，可以理解為數(shù)組。若調(diào)用NSObject類的autorelease方法，該對象就會被追加到正在使用的NSAutoreleasePool對象的數(shù)組中。drain實例方法廢棄正在使用的NSAutoreleasePool對象，會對數(shù)組中的所有對象調(diào)用release方法。

蘋果的實現(xiàn)

autoreleasepool以數(shù)組的形式實現(xiàn)，主要通過以下3個函數(shù)：

• obj_autoreleasePoolPush()
• obj_autorelease(obj)
• obj_autoreleasePoolPop(pool)

NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
/* 等同于objc_autoreleasePoolPush */

id obj = [[NSObject alloc] init];

[obj autorelease];
/* 等同于 objc_autorelease(obj) */

[pool drain];
/* 等同于 objc_autoreleasePoolPop(pool) */

以上是MRC環(huán)境下的內(nèi)存管理及實現(xiàn)。

ARC

ARC概述

ARC（Auto Reference Counting）是iOS5、macOS10.7（OS X Lion）引入的內(nèi)存管理技術(shù)。

ARC的出現(xiàn)解決了原來需要手動鍵入retain或release操作的問題。這在降低程序崩潰、內(nèi)存風險的同時，很大程度上減少了開發(fā)程序的工作量。

內(nèi)存管理的思考方式

“引用計數(shù)式內(nèi)存管理”的本質(zhì)在ARC中并沒有改變，ARC只是自動地幫我們處理“引用計數(shù)”的相關(guān)部分。

• 自己生成的對象，自己所持有。
• 非自己生成的對象，自己也能持有。
• 不再需要自己持有的對象時釋放。
• 非自己持有的對象無法釋放。

所有權(quán)修飾符

ARC環(huán)境下其類型必須附加所有權(quán)修飾符（有省略的情況），所有權(quán)修飾符有以下4種：

• __strong
• __weak
• __unsafe_unretained
• __autorelease

書中此處提到id類型做一下記錄：

Objective-C中為了處理對象，可將變量定義為id類型，id類型用于隱藏對象類型的類名部分，相當于C語言中常用到的void *。

__strong修飾符

id和對象類型默認使用__strong修飾，由于是默認情況，可省略不寫。

__strong表示對對象的強引用。持有強引用的變量在超出其作用域時被廢棄。

__strong同__weak、__autoreleasing一樣，可以保證被修飾的變量在初始化時為nil。

id obj = [[NSObject alloc] init];

//等同于
//id __strong obj = [[NSObject alloc] init];

__weak修飾符

循環(huán)引用容易引起內(nèi)存泄漏。所謂內(nèi)存泄漏就是應當廢棄的對象在超出其生存周期后繼續(xù)存在。使用__weak修飾符可以避免循環(huán)引用。

__weak表示弱引用，弱引用不能持有對象實例。

id __weak obj = [[NSObject alloc] init];//編譯器會警告

__weak修飾符還有另一個優(yōu)點。在持有對象的弱引用時，若對象被廢棄，則此弱引用將失效且處于nil被賦值的狀態(tài)。

通過檢查__weak修飾的變量是否為nil可以判斷被賦值的對象是否已廢棄。

__weak只能用于iOS5和macOS10.7以上版本，在iOS4和macOS10.6及以前用__unsafe_unretained代替。

__autoreleasing修飾符

ARC下指定@autoreleasepool塊來替代NSAutoreleasePool類生成、持有及廢棄這一范圍。_autoreleasing修飾變量等價于對象調(diào)用autorelease方法，即可將對象注冊到autoreleasepool中。

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

• 提問：前文提到__weak修飾的變量必須注冊到autoreleasepool中，為什么？
• 答：因為__weak修飾的變量只能持有對象的弱引用，在訪問對象的過程中，該對象可能被廢棄。如果把要訪問的對象注冊到autoreleasepool中，那么在@autoreleasepool塊結(jié)束之前能確保該對象存在。

_autoreleasing同__strong一樣，顯式使用罕見。

ARC的規(guī)則

ARC環(huán)境下編譯源代碼遵循一定規(guī)則：

• 不能使用retain/release/retainCount/autorelease
• 不能使用NSAllocateObject/NSDeallocateObject

ARC有效時，以上方法會導致編譯器報錯。

• 必須遵守內(nèi)存管理的方法命名規(guī)則

對象的生成、持有的方法必須遵循命名規(guī)則：alloc/new/copy/mutableCopy。以init開頭的方法更嚴格：必須是實例方法且必須返回對象，返回對象的類型必須是id類型或該方法聲明類的對象類型。

• 不要顯式調(diào)用dealloc

dealloc方法無需顯式調(diào)用，但C語言庫需要在dealloc中free，以及刪除已注冊的通知觀察者。

• 使用@autorelease塊代替NSAutoreleasePool

ARC有效時，使用@autoreleasepool塊代替NSAutoreleasePool。

• 不能使用區(qū)域（NSZone）

不管ARC是否有效，區(qū)域在現(xiàn)在運行時系統(tǒng)中已單純地被忽略。

• 對象型變量不能作為C語言結(jié)構(gòu)體（struct/union）的成員

C語言的規(guī)約上沒有方法來管理結(jié)構(gòu)體成員變量的生存周期。

• 顯式轉(zhuǎn)換“id”和“void *”

/* ARC無效 */
id obj = [[NSObject alloc] init];
void *p = obj

ARC有效時需要通過__bridge來顯式轉(zhuǎn)換：

/* ARC有效 */
id obj = [[NSObject alloc] init];
void *p = (__bridge void*)obj;
id o = (__bridge id)p;

屬性和數(shù)組

• 聲明屬性所用的關(guān)鍵詞與所有權(quán)修飾符的對應關(guān)系：

• 動態(tài)數(shù)組中操作__strong修飾的變量與靜態(tài)數(shù)組有很大差異，需要自己釋放所有元素。靜態(tài)數(shù)組中，編譯器能夠根據(jù)變量的作用域自動插入釋放賦值對象的代碼，而在動態(tài)數(shù)組中，編譯器不能確定數(shù)組的生存周期，所以無從處理。

ARC的實現(xiàn)

__strong的實現(xiàn)

• 自己生成并持有

{
    id __strong obj = [[NSObject alloc] init];
}

/* 編譯器的模擬代碼 */
id obj = objc_msgSend(NSObject, @selector(alloc));
objc_msgSend(obj, @selector(init));
objc_release(obj);

• 非自己生成持有

id __strong obj = [NSMutableArray array];

/* 編譯器的模擬代碼 */
id obj = objc_msgSend(NSMutableArray, @selector(array));
objc_retainAutoreleasedReturnValue(obj);
objc_release(obj);

objc_retainAutoreleasedReturnValue函數(shù)用于持有對象，注冊到autoreleasepool中并返回。與之對應的函數(shù)是objc_autoreleaseReturnValue。

+ (id)array {
    return [[NSMutableArray alloc] init];
}

/* 編譯器的模擬代碼 */
+ (id)array {
    id obj = objc_msgSend(NSMutableArray, @selector(alloc));
    objc_msgSend(obj, @selector(init));
    return objc_autoreleaseReturnValue(obj);
}

通過objc_retainAutoreleasedReturnValue函數(shù)和objc_autoreleaseReturnValue函數(shù)的協(xié)作，可以不將對象注冊到autoreleasepool中而直接傳遞，以達到最優(yōu)化程序運行。

__weak的實現(xiàn)

使用__weak修飾的變量，就是使用注冊到autoreleasepool中的對象。

{
    id __weak obj1 = obj;
}

/* 編譯器模擬代碼 */
id obj1;
objc_initWeak(&obj1, obj);
id tmp = objc_loadWeakRetained(&obj1);
objc_autorelease(tmp);
objc_destroyWeak(obj1);

__weak同引用計數(shù)一樣通過散列表（哈希表）實現(xiàn)，大致流程如下：

• 1.objc_initWeak(&obj1, obj)函數(shù)初始化__weak修飾的變量，通過執(zhí)行objc_storeWeak(&obj1, obj)函數(shù)，以第一個參數(shù)（變量的地址）作為key，把第二個參數(shù)（賦值對象）作為value存入哈希表。
• 2.由于弱引用不能持有對象，函數(shù)objc_loadWeakRetained(&obj1)取出所引用的對象并retain。
• 3.objc_autorelease(tmp)函數(shù)將對象注冊到autoreleasepool中。
• 4.objc_destroyWeak(&obj1)函數(shù)釋放__weak修飾的變量，通過過程執(zhí)行objc_store(&obj1, 0)函數(shù)，在weak表中查到變量地址并刪除。廢棄對象調(diào)用objc_clear_deallocating函數(shù)，這個過程會將weak表記錄中__weak修飾的變量地址賦值為nil。

如果大量使用__weak修飾的變量，則會消耗相應的CPU資源。良策是只在需要避免循環(huán)引用時使用__weak修飾符。

__autoreleasing的實現(xiàn)

_autoreleasing修飾變量，等同于ARC無效時對象調(diào)用autorelease方法。

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

/* 編譯器的模擬代碼 */
id pool = objc_autoreleasePoolPush();
id obj = objc_msgSend(NSObject, @selector(alloc));
objc_msgSend(obj, @selector(init));
objc_autorelese(obj);
objc_autoreleasePoolPop();

以上為ARC篇的學習內(nèi)容。