Objective-C 引用计数的原理和内部实现
背景 - 内存管理
Objective-C 建立在 C 语言的基础上。C 语言程序的内存布局主要包括：
- 栈：由编译器自动分配释放，存放函数的参数值、局部变量的值等。
- 堆：通常存放程序运行中动态分配的存储空间。C语言中，使用malloc等函数分配的内存是从堆中分配的，在Objective-C中的对象也是从堆中分配内存的。
- BSS段：存放程序中未初始化的全局变量和静态变量。
- 数据段：存放程序中已初始化的全局变量和静态变量以及字符串常量。
- 代码段：存放程序执行代码。
如上所述，Objective-C 中的对象建立在堆上。Objective-C 使用引用计数管理内存，引用计数解决的是建立在堆上的 Objective-C 对象的内存管理问题。
什么是引用计数
引用计数是计算机编程语言中的一种内存管理技术，是指将资源（可以是对象、内存或磁盘空间等等）的被引用次数保存起来，当被引用次数变为零时就将其释放的过程。使用引用计数技术可以实现自动资源管理的目的。同时引用计数还可以指使用引用计数技术回收未使用资源的垃圾回收算法。
当创建一个对象的实例并在堆上申请内存时，对象的引用计数就为1，在其他对象中需要持有这个对象时，就需要把该对象的引用计数加1，需要释放一个对象时，就将该对象的引用计数减1，直至对象的引用计数为0，对象的内存会被立刻释放。
—— 维基百科
引用计数的原理
引用计数要解决的问题是何时释放对象，目标是立即释放不被使用的对象。
要避免的问题是：
如果没有引用计数，用户需要自己控制销毁对象的时机。使用引用计数后，用户只要在需要一个对象时对其持有（retain， 引用数 +1），不需要时对其释放（release， 引用数 -1）。当一个对象已经没有人持有时（引用数为 0），这个对象会被自动销毁。
在引用计数的语境下，内存管理被抽象为四项简单的工作：
- 生成对象
// 如 [Obj alloc] 或 [obj copy] 等。 - 持有对象
// [obj retain]; - 释放对象
// [obj release]; - 销毁对象
// [obj dealloc];
前三者由用户负责，第四项销毁对象由引用计数自动完成。
例子：
id obj = [[NSObject alloc] init]; // 引用计数 = 1
id ref = obj; // 引用计数 = 1
[ref retain]; // 引用计数 = 2
...... // some other code
[obj release]; // 引用计数 = 1
...... // some other code
[ref release]; // 引用计数 = 0，自动销毁
需要注意的一点：对于以 alloc、new、copy 和 mutableCopy 开头的方法，会自动持有创建的对象（相当于在创建对象语句的后面自动插入了一句 [obj retain];。如上面的例子，使用 alloc 创建对象后，不需要写 [obj retain]，引用计数就已经 +1 了。
其他情况如下面的例子：
NSArray *array = [NSArray array]; // 引用计数 = 0
[array retain]; // 引用计数 = 1
...... // some other code
[array release]; // 引用计数 = 0，自动销毁
引用计数的内部实现
系统在运行时维护一张散列表（引用计数表）来管理引用计数。散列表的键为各个对象内存地址的散列值，值为该对象的引用计数。
对应前面的生成对象、持有对象、释放对象、销毁对象四项工作的内部行为：
- 生成对象：在散列表中创建新的一行，记录新对象的引用计数。
- 持有对象：查找对象对应的行，该行的值 + 1。
- 释放对象：查找对象对应的行，该行的值 - 1。如果该行的值已经为 1，则销毁对象。
- 销毁对象：销毁对象。
autorelease
autorelese （自动释放）的逻辑类似于 C 语言的自动变量，即超出作用域之后自动释放。
用法如下：
NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init]; // 相当于自动变量作用域开始。
id obj = [[NSObject alloc] init]; // 引用计数 = 1；
[obj autorelease]; // 此时引用计数 = 1；
[pool drain]; // 相当于自动变量作用域结束，引用计数 = 0。
比较 release 和 autorelease：
release 会立即使引用计数 -1；autorelease 会将对象注册在 autoreleasePool 中，当 autoreleasePool 排空时引用计数 -1。
autorelease 的内部实现
前面的例子中，[obj autorelease] 会调用 [NSAutoreleasePool addObject: obj]。autoreleasePool 会通过类似数组或链表的数据结构持有 obj 。当 autoreleasePool 被排空时，obj被释放。
前面将 autorelease 类比为自动变量。同样，autoreleasePool 的组织形式也可以类比为函数调用栈的形式。系统内部由名为 AutorelesePoolPage 的类来维护 autoreleasePool 的栈。当新建一个 autoreleasePool 时，相当于 push；排空一个 autoreleasePool 时，会进行 pop。
参考
官方文档：Advanced Memory Management Programming Guide
坂本一树 / 古本智彦：Objective-C高级编程
