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Swift 采用ARC的方式來管理和追蹤程序中的內(nèi)存使用情況。ARC的全稱（Automatic Reference Counting），一般叫做自動引用計(jì)數(shù)。在大多數(shù)情況下，開發(fā)者無需考慮內(nèi)存管理問題，當(dāng)不再需要使用實(shí)例對象時(shí)，ARC會自動釋放這些內(nèi)存。

ARC的引用計(jì)數(shù)一般應(yīng)用于類的實(shí)例或閉包，而數(shù)組(Array)、字典(Dictionary)、字符串(String)、結(jié)構(gòu)體(Structure)、枚舉(enum)都是值類型，不是引用的方式來存儲和傳遞的。官方文檔的原文是：Reference counting applies only to instances of classes. Structures and enumerations are value types, not reference types, and aren’t stored and passed by reference.

關(guān)于值類型和引用類型的區(qū)別，可參考官方博客：Swift: Value and Reference Types

1、Swift中ARC是如何工作的

1.1、How ARC Works

• 每次創(chuàng)建一個(gè)類的實(shí)例，ARC就會自動為其分配內(nèi)存，用來存儲這個(gè)實(shí)例及其相關(guān)的屬性
• 當(dāng)該實(shí)例不再被使用時(shí)，ARC會釋放這個(gè)實(shí)例所占用的內(nèi)存
• 繼續(xù)訪問已釋放的實(shí)例，如調(diào)用其方法或?qū)傩裕敲纯赡軙斐沙绦騝rash
• 為了解決訪問已釋放實(shí)例造成的crash問題，ARC會追蹤每個(gè)引用當(dāng)前實(shí)例累的屬性、常量、和變量的數(shù)量。只要有一個(gè)有效的引用，ARC就不會釋放這部分內(nèi)存。
• 為此每次將一個(gè)類的實(shí)例賦值給一個(gè)屬性（也可以是常量或變量）。這個(gè)屬性就是這個(gè)實(shí)例的強(qiáng)引用。之所以稱為強(qiáng)引用，是因?yàn)樵搶傩詮?qiáng)持有這個(gè)實(shí)例，并且只要這個(gè)強(qiáng)引用還存在，就不能銷毀這個(gè)實(shí)例。

用代碼來說明，我有一個(gè)學(xué)生類，為其設(shè)置一個(gè)name屬性用來保存這個(gè)學(xué)生的姓名，當(dāng)我創(chuàng)建這類時(shí)，ARC會自動為這個(gè)類創(chuàng)建一部分空間用來保存Student實(shí)例及其屬性。

為了更好的監(jiān)聽這個(gè)類的創(chuàng)建和銷毀，我分別在init和deinit方法中通過打印來監(jiān)聽。

class Student: NSObject {
    var name: String
    init(name: String) {
        self.name = name
        print("init------------------Student")
    }
    
    deinit {
        print("deinit------------------Student")
    }
}

var studentTom: Student? = Student(name: "Tom") // 引用計(jì)數(shù)為1

print("init------------------Student")

運(yùn)行上面的代碼，此時(shí)可以打看打印結(jié)果,說明此時(shí)的引用計(jì)數(shù)為1。此時(shí)沒有釋放這部分內(nèi)存,如果我將這個(gè)實(shí)例直接置為nil呢

studentTom = nil // 此時(shí)引用計(jì)數(shù)為0
print("deinit------------------Student")

當(dāng)調(diào)用了deinit方法說明引用計(jì)數(shù)為0，ARC會自動釋放該實(shí)例的內(nèi)存。

let studentName = studentTom!.name

當(dāng)我把studentTom置為nil后，再次調(diào)用studentTom就會crash。Xcode同時(shí)會拋出一段異常:

error: Execution was interrupted, reason: EXC_BAD_INSTRUCTION (code=EXC_I386_INVOP, subcode=0x0).

為了防止出現(xiàn)這種情況，一般在使用可選類型(Optionals)時(shí)，應(yīng)該優(yōu)先做解析處理。

// 可選綁定解包
if let studentTom = studentTom {
    let studentName = studentTom.name
}
// guard 語法解包
guard let studentTom = studentTom else { return }
let studentName = studentTom.name

如果因?yàn)樾枰覍⒃搶W(xué)生信息進(jìn)行copy操作呢，此時(shí)引用計(jì)數(shù)就變成了2，為了驗(yàn)證我的猜想，修改代碼如下：

var studentCopy: Student? = studentTom // 引用計(jì)數(shù)為2
studentTom = nil // 引用計(jì)數(shù)為1

再次運(yùn)行代碼，發(fā)現(xiàn)并沒有調(diào)用deinit方法，當(dāng)我進(jìn)行copy操作的時(shí)候，其引用計(jì)數(shù)就變成了2，這時(shí)候再置為nil其引用計(jì)數(shù)是1，ARC并沒有釋放其內(nèi)存。此時(shí)需要將studentCopy的值置空，將其引用計(jì)數(shù)清空，ARC就會自動清理這部分內(nèi)存。

studentCopy = nil // 引用計(jì)數(shù)為0
deinit------------------Student

2、循環(huán)引用

前面說ARC為了保證被使用實(shí)例對象不被提前釋放，而采用了強(qiáng)引用的方式。那么針對這種情況，對開發(fā)者而言是否就一勞永逸了呢，答案是否定的，當(dāng)兩個(gè)實(shí)例之前形成強(qiáng)持有環(huán)時(shí)，這兩個(gè)實(shí)例的內(nèi)存就永遠(yuǎn)不會得到釋放，這就需要開發(fā)者來做一些處理保證這部分內(nèi)存能夠在不需要時(shí)得到釋放。

2.1、循環(huán)引用是如何產(chǎn)生的

• 兩個(gè)實(shí)例彼此保持對方的強(qiáng)引用，使得每個(gè)實(shí)例都使對方的保持有效時(shí)會發(fā)生循環(huán)引用。

  舉例，現(xiàn)在我有一個(gè)老師類，對于老師和學(xué)生而言，老師要知道學(xué)生的信息，學(xué)生也要知道老師的信息，如老師的姓氏，所教授的課程等。

// 表示老師所教授的課程 
enum Course {
   case language // 語文
   case english // 英語
   case calculus // 微積分
   case quantumMechanics // 量子力學(xué)
   case geology // 地質(zhì)學(xué)
}
class Teacher: NSObject {
   let lastName: String
   let course: Course
   var student: Student?
 
   init(lastName: String, course: Course) {
       self.lastName = lastName
       self.course = course
       print("init------------------Teacher")
   }
 
    deinit {
       print("deinit------------------Teacher")
    }
}

class Student: NSObject {
   var name: String
   var teacher: Teacher?
 
   init(name: String) {
       self.name = name
       print("init------------------Student")
   }
 
   deinit {
       print("deinit------------------Student")
   }
}

var studentTom: Student? = Student(name: "Tom")
var teacherMars: Teacher? = Teacher(lastName: "Mars", course: .calculus)

teacherMars?.student = studentTom
studentTom?.teacher = teacherMars

teacherMars = nil
studentTom = nil

運(yùn)行上面的代碼，發(fā)現(xiàn)無論如何都不會調(diào)用deinit方法。是因?yàn)樗麄兏髯砸眠@自己的對象，studentTom的teacher和seacherMars的student屬性又相互引用了對方，此時(shí)在他們的引用計(jì)數(shù)都變成了2，于是就造成一個(gè)引用循環(huán)。他們之間的引用關(guān)系如下圖所示：

強(qiáng)引用環(huán).png

2.2、如何避免循環(huán)引用

為了解決上面的引用循環(huán)問題，根據(jù)屬性是否可選而采取不同的解決方案，當(dāng)屬性為可選時(shí)可以用weak關(guān)鍵字修飾，表示該屬性為弱引用。當(dāng)屬性不可選時(shí)，可以用unowned關(guān)鍵字來修飾。無論是weak還是unowned,他們的思路都是一樣的，不讓某種形式的引用增加引用計(jì)數(shù)就好了。

2.2.1 弱引用

在上面的例子中，只需對任意一個(gè)屬性設(shè)置為弱引用即可，當(dāng)然也可以把兩個(gè)屬性都設(shè)置為weak,不過沒有這么做的必要。

weak var student: Student?

此時(shí)兩個(gè)實(shí)例之間的關(guān)系圖如下所示：

弱引用環(huán).png

當(dāng)我在弱引用下來釋放studentTom的內(nèi)存時(shí)，會是什么結(jié)果呢此時(shí)兩個(gè)實(shí)例之間的關(guān)系如下所示：

studentTom = nil
teacherMars?.student
print("------------------\(String(describing: teacherMars?.student))")

init------------------Student
init------------------Teacher
deinit------------------Student
------------------nil

通過上面打印的結(jié)果來看，studentTom實(shí)例的內(nèi)存順利釋放了，那么當(dāng)studentTom為nil時(shí)，ARC根據(jù)當(dāng)前的情況進(jìn)行了操作呢？

• 首先Student對象就不再有任何strong reference了，ARC會立即回收這部分內(nèi)存，同時(shí)Teacher對象的引用計(jì)數(shù)也會減一；
• 其次當(dāng)Student對象被回收調(diào)之后，teacher這個(gè)strong reference也就不存在了。Teacher的引用計(jì)數(shù)就會減一；
• 由于student是一個(gè)weak reference,它的值會自動設(shè)置為nil，通過teacherMars?.student打印的結(jié)果為nil可以確認(rèn)這一點(diǎn)。

弱引用01.png

當(dāng)我將其中任意一個(gè)屬性設(shè)置為弱引用后，這時(shí)候把teacherMars和studentTom都設(shè)置為nil，ARC就能過順利回收所有的內(nèi)存，此時(shí)他們的關(guān)系如圖所示：

teacherMars = nil
studentTom = nil

打印結(jié)果：

init------------------Student
init------------------Teacher
deinit------------------Student
------------------nil
deinit------------------Teacher

弱引用02.png

關(guān)于如何使用weak修飾的屬性總結(jié)：

• 弱引用不會增加實(shí)例的引用計(jì)數(shù)，因此不會阻止ARC銷毀被引用的實(shí)例。所以使用弱引用后，即使兩個(gè)實(shí)例互相持有也不會形成強(qiáng)引用環(huán)。
• 弱引用只能申明為變量類型，因?yàn)檫\(yùn)行時(shí)他的值可能會改變。弱引用絕對不能申明為常量。在Swift中，用var關(guān)鍵字申明的為變量，用let關(guān)鍵字申明的為常量。
• 因?yàn)槿跻每梢詻]有值，用弱引用來修飾的變量必須是可選類型。

2.2.3 無主引用

雖然weak解決了循環(huán)引用的問題，但是不是所有的屬性都是可選的，如果有一個(gè)不可以為nil的屬性造成了循環(huán)引用，該怎么辦呢？

• 我可以把這個(gè)不可為nil的屬性修改為可以為nil
• 采用Swift為開發(fā)者提供的另一種解決方案，使用無主引用

和弱引用相似，無主引用也不強(qiáng)制有實(shí)例對象。和弱引用不同的是，無主引用默認(rèn)始終有值。在屬性和變量前添加unowned關(guān)鍵字，就可以申明一個(gè)無主引用。

為了演示這個(gè)過程，我為每個(gè)學(xué)生添加了家庭作業(yè)homeWork屬性，當(dāng)然并不是所有的學(xué)生都會按時(shí)寫作業(yè)，所以homeWork的類型是optional,然后來實(shí)現(xiàn)HomeWork類；

// 家庭作業(yè)
var homeWork: HomeWork?

class HomeWork: NSObject {
    let student: Student
    let course: Course
  
    init(student: Student, course: Course) {
        self.student = student
        self.course = course
        print("init------------------HomeWork")
    }
    
    deinit {
        print("deinit------------------HomeWork")
    }
}

這里既然有了家庭作業(yè)，那么我就要知道是誰寫的，是哪門課程的作業(yè),這里studentName和course就不能是一個(gè)optional。

var david: Student? = Student(name: "David Taylor")
var homeWork: HomeWork? = HomeWork(student: david!, course: .quantumMechanics)

此處假設(shè)學(xué)生david完成了作業(yè)，那么可以用下面的代碼來表示：

david?.homeWork = homeWork 

init------------------Student
init------------------HomeWork

運(yùn)行代碼，發(fā)現(xiàn)并沒有調(diào)用deinit方法，此時(shí)學(xué)生david和homeWork就形成了一個(gè)引用循環(huán)，他們之間的持有的關(guān)系是david和homeWork各自引用著自己的對象，david和homeWork互相引用著彼此。

homework001.png

那么此時(shí)，我將david置為nil呢？

david = nil

init------------------Student
init------------------HomeWork

運(yùn)行代碼，發(fā)現(xiàn)依舊沒有調(diào)用deinit方法，此時(shí)雖然david實(shí)例為nil,實(shí)例homeWork也離開了自己的作用域。此時(shí)在內(nèi)存中david.homeWork和homeWork.student之間的引用關(guān)系依舊會把這兩個(gè)對象保持在內(nèi)存中,他們關(guān)系如下圖所示：

homework002.png

當(dāng)然此處可以使用weak關(guān)鍵字將其中任意一個(gè)強(qiáng)持有改成弱引用來解決這個(gè)問題。此處也可以使用系統(tǒng)提供的另一種解決方案：非可選類型的屬性前加unowned，無主引用解決循環(huán)引用問題。

unowned let student: Student

我們可以將任意一個(gè)強(qiáng)引用的屬性前加unowned,就可以解決這個(gè)問題，唯一不同的是Strong reference變成了unowned reference,此時(shí)他們之間的引用關(guān)系是:

homework03.png

這時(shí)候再次運(yùn)行代碼：

david = nil
homeWork = nil

打印結(jié)果如下：

init------------------Student
init------------------HomeWork
deinit------------------Student
deinit------------------HomeWork

可以看到david和homeWork都可以正常的被回收了，當(dāng)david為nil時(shí)Student對象就會被ARC回收，而當(dāng)homeWork為nil時(shí)，homeWork也就失去了他的作用也會被ARC回收其內(nèi)存。

homework004.png

如果我調(diào)用被釋放的內(nèi)存之后會怎樣呢？修改代碼如下：

homeWork = nil
homeWork!.student

程序執(zhí)行時(shí)會crash并提示：

Unexpectedly found nil while unwrapping an Optional value

所以使用unowned雖然能解決不可選屬性循環(huán)引用問題，但在實(shí)際開發(fā)中也應(yīng)該注意在使用無主引用時(shí)要確保引用始終指向一個(gè)未銷毀的實(shí)例。

雖然使用weak和unowned解決了Class中的強(qiáng)引用循環(huán)問題，但是Class并不是Swift中唯一的引用類型，Swift中Closure也是引用類型，至于Closure如何解決內(nèi)存管理問題，可參考官方文檔the swift programming language: Closures。

相關(guān)鏈接：

《the swift programming language》Automatic Reference Counting

Handling non-optional optionals in Swift

本文demo