iOS的内存管理(1) 一些概念点

前言

通过这段时间的学习，对Objective-C的内存管理知识做一个总结。分享给大家，如有理解错误的地方，还望多指正。
总结从以下几个方面来说明:

1. 引用计数器
2. ARC(Automatic Reference Counting):自动引用计数
3. 循环引用问题
4. 自动释放池autorelease pool

正文

1 引用计数器

1.理解引用计数器
说到引用计数器，有着iOS开发经验的同行一定知道，Objective-C语言内存管理的核心就是引用计数器。
简单来说，每个OC对象都有一个引用计数器，如果想使某个对象继续存在内存中，那就使其引用计数增加1，如果该对象使用结束，我们不希望它继续存在于内存中，那就使其引用计数减少1(，当该对象的引用计数等于0时候，系统收回该对象的内存。

2. 引用计数器的工作原理
   NSObject协议下声明了一下三个方法用于操作引用计数器：

• retain 递增引用计数；
• release 递减引用计数；
• autorelease 待稍后清理引用释放池时，再递减引用计数。
  查看当前引用计数的方法是retainCount，[obj retainCount]。

对象创建出来的时候，其引用计数至少为1。若想让它继续存活，则调用retain方法，若该对象不再被使用，则调用release或者autorelease方法。当引用计数为0时候，该对象占用的内存将会被回收。引用计数器的工作原理大概如此。

2 ARC(Automatic Reference Counting):自动引用计数

1. 自动引用计数(ARC)的理解
   在ARC出现前，开发者使用引用计数需要记住何时使用retain、release和autorelease，而ARC的诞生就是为了解决这个问题。ARC省去了开发者在代码中调用retain、release和autorelease精力，取代了开发者内存管理的工作。
2. ARC的工作原理
   Xcode的Clang编译器带有一个静态分析器，用于检测程序中引用计数有问题的地方。例如：

if (true) {
   id obj = [[SomeClass alloc] init];
   [obj doSometing];
}

这段代码在MRC环境下就会出问题，因为if条件外obj没有被释放，此处会发生内存泄漏。静态分析器做的就是检测这样的错误。
既然静态分析器可以做到这些，那么可以应用这个功能，提前在程序中加入retain、release等操作。ARC的工作原理，就是使用了这一功能。
在ARC下，代码经过编译后，会自动为源代码添加上相对应的操作。所以在ARC下，retain,release,autorelease都是不允许被使用的，否则会产生编译错误。

3.ARC的一些tips

• ARC在调用retain,release,autorelease方法的时候，并不走Objctive-C的消息派发机制，而是直接调用底层的C语言方法。这样做提升了性能，也是retain,release,autorelease方法不能被重写的原因。
• OC语法有非常严格的命名规则，以下列单词开头的方法名：new alloc copy mutableCopy。若方法返回对象，则ARC不会为返回的对象加上autorelease,否则会在返回对象前为其加上autorelease。
• 除了自动的调用retain,release,autorelease之外，ARC还能够把互相抵消的retain,release,autorelease操作简化。若某个对象上重复多次的进行了‘retain’和‘release’操作，那么ARC有时可以成对的抵消这两个操作。
• ARC也包含运行期组件。当它检测到某方法返回对象前，为其执行了autorelease操作，之后该对象还要执行retain操作，那ARC就会删除这一对操作。具体方式为，在返回对象前，不直接调用autorelease方法，而是调用objc_autoreleaseReturnValue函数，此函数会检测当前方法返回之后即将要执行的代码，若发现那段代码要在返回对象上执行retain操作，则设立一个flag不再执行原有的autorelease操作。同理，若方法返回一个自动释放的对象，而该对象需要被保留，那么不直接执行retain，而是改为执行objc_retainAutoreleasedReturnValue函数，此函数检测刚才设立的那个flag，若已经设置，则不执行retain操作。
  objc_autoreleaseReturnValue和objc_retainAutoreleasedReturnValue两个函数的实现必须通过查看机器码指令才可以判断，所以是由编译器的开发者完成的。
• 用以下修饰符修饰变量时的一些语义：
  __strong:默认语义，保留此值；
  __unsafe_unretained：不保留此值；
  __weak：不保留此值，但是变量可以安全使用，如果系统回收了该对象，那么这个变量也会被自动清空；
  __autoreleasing:在方法调用时，使用这个修饰参数值，在方法返回后，该值自动释放。
• ARC环境下，当对象被回收时，实例变量的回收问题:ARC会使用Objctive-C++的一项特性来清理实例变量。回收Objective-C++对象时，待回收对象会调用所有C++对象的析构函数。编译器如果发现某个对象有C++对象，就会生成名为.cxx_destruct的方法。ARC借助此特性，在该方法中生成清理内存所需要的代码。
• CoreFoundation对象需要手动管理内存，不归ARC管理，开发者必须自己调动CFRetain/CFRelease。

3 循环引用问题

1. 循环引用的理解
   如果A对象强引用了B对象，而B对象也强引用了A对象，这就是最简单的循环引用，两个对象间的互相引用。当系统要回收对象A时，由于A引用了对象B，所以对象B也需要被释放，而此时B又强引用了A，如此一来，两个对象都不能够释放，继续存活于内存中，就会出现内存泄漏。这就是循环引用的问题。
2. 循环引用问题的解决
   解决循环引用问题的最佳方式就是 弱引用。用unsafe_unretained或者weak修饰属性。在语义上unsafe_unretained和assign等价，区别于assign用于修饰通用类型的属性，比如int,float和结构体等，而unsafe_unretained用于修饰对象。
   例如对象A强引用了对象B，那么对象B如果弱引用了对象A，就不会出现以上的问题。当系统回收对象A时，对象B会被回收，而B对A的弱引用不会造成循环引用，所以不会出现内存泄漏的问题。
   weak等价于unsafe_unretained，它们的不同主要表现在被修饰的属性被释放后的行为不同。当用unsafe_unretained修饰的属性被回收后，该属性任然指向那个被回收的属性，而weak则指向nil。使用weak会使程序更加安全一些。
3. block使用中的循环引用问题
   这个问题在很多的技术文章中被提到过，这里也做个简单的说明。
   例如:

//DemoViewController.m
@interface DemoViewController ()
@property (nonatomic, copy) void (^testBlock) (void);
@end

@implementation DemoViewController
...
- (void)viewDidLoad {
  [super viewDidLoad];
  [self test];
}

- (void)test {
  self.testBlock = ^(){
    [self doSometing];
  }
}
...

@end

以上这段代码，由于testBlock块中捕获了self,所以testBlock强引用了self,而同时self强引用着testBlock，如此就形成了循环引用，有内存泄漏的风险。
打破这种保留的方式很简单，使用__weak定义一个新的weakSelf供testBlock捕获。如下：

//DemoViewController.m

@interface DemoViewController ()
@property (nonatomic, copy) void (^testBlock) (void);
@end

@implementation DemoViewController
...
- (void)viewDidLoad {
  [super viewDidLoad];
  [self test];
}

- (void)test {
  __weak typeof(self) weakSelf = self;
  self.testBlock = ^(){
    [weakSelf doSometing];
  }
}
...
@end

关于block的知识点总结，会在后面整理一份。

4 自动释放池autorelease pool

1. 自动释放池的认识
   在ARC中，自动释放池(autorelease pool)是一项重要的特性。
   当某个对象调用release时，会理解递减引用计数retainCount。如果换做调用autorelease,则对象会被加入autorelease pool中，当清空自动释放池autorelease pool时，会向其中的对象发送release消息。
2. 自动释放池的使用
   使用自动释放池的语法如下:

//使用语法
@autoreleasepool{
  //...
}

一般情况下，系统创建的主线程或者GCD机制中的线程，都会默认创建自己的自动释放池，每次执行 事件循环 时，就会将其清空。因此，不需要自己来创建 自动释放池块。
应用程序的入口int main()函数处，就为我们手动创建了应用程序的自动释放池。

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

所以通常情况下我们无需自己创建自动释放池。当某些临时产生的对象导致应用程序的内存峰值过高时，我们可以通过创建自动释放池，来解决这个问题。
例如：

NSMutableArray *objsArray = [NSMutableArray array];
for (int i = 0; i < 10000; i ++) {
  id obj = [self createSomeObjcWithi:i];
  [objsArray addObject:obj];
}

以上代码就会造成程序的内存突然暴增，而等所有obj对象都释放以后，又突然下降。
此时，增加一个自动释放池代码块即可解决这个问题:

NSMutableArray *objsArray = [NSMutableArray array];
for (int i = 0; i < 10000; i ++) {
  @atuoreleasepool {
    id obj = [self createSomeObjcWithi:i];
    [objsArray addObject:obj];
  }
}

这样一来，应用程序在执行循环时，就会有效降低内存峰值，不像原来那么高。
创建自动释放池本身也会占用一定的内存，所以是否使用自动释放池完全取决于程序本身。

关于自动释放池Draveness大神的自动释放池的前世今生 ---- 深入解析 Autoreleasepool有详细的解析。

总结

内存管理是应用程序的灵魂，虽然在ARC环境下，我们可以尽量少的投入精力在内存管理上，但是了解其中的原理和机制，会让我们在程序出问题时找到有效的解决途径，更是提高自我的一种方式。
当然，内存管理涉及到的也不止文中提到的内容，还有很多需要挖掘的地方。
文章是本人看书学习中的总结，主要用于知识巩固，顺便和大家分享交流，如果有不妥的地方，欢迎指正。