iOS内功篇：内存管理

原文：iOS内功篇：内存管理    作者：明仔Su

前言

　　现在iOS开发已经是arc甚至是swift的时代，但是内存管理仍是一个重点关注的问题，如果只知盲目开发而不知个中原理，踩坑就跳不出来了，理解好内存管理，能让我们写出更有质量的代码。

　　内存管理是程序设计中很重要的一部分，程序在运行的过程中消耗内存，运行结束后释放占用的内存。如果程序运行时一直分配内存而不及时释放无用的内存，会造成这样的后果：程序占用的内存越来越大，直至内存消耗殚尽，程序因无内存可用导致崩溃，这样的情况我们称之为内存泄漏。

　　ObjC的内存管理比较简洁，然而要深刻理解也不是一件易事，本文将介绍如何使用ObjC进行内存管理。

1 引用计数

　　在ObjC中，对象什么时候会被释放（或者对象占用的内存什么时候会被回收利用）？

　　　答案是：当对象没有被任何变量引用（也可以说是没有指针指向该对象）的时候，就会被释放。

　　那怎么知道对象已经没有被引用了呢？

　　ObjC采用引用计数（reference counting）的技术来进行管理：
　　　　1）每个对象都有一个关联的整数，称为引用计数器
　　　　2）当代码需要使用该对象时，则将对象的引用计数加1
　　　　3）当代码结束使用该对象时，则将对象的引用计数减1
　　　　4）当引用计数的值变为0时，表示对象没有被任何代码使用，此时对象将被释放。

　　与之对应的消息发送方法如下：

　　　　1）当对象被创建（通过alloc、new或copy等方法）时，其引用计数初始值为1
　　　　2）給对象发送retain消息，其引用计数加1
　　　　3）給对象发送release消息，其引用计数减1
　　　　4）当对象引用计数归0时，ObjC給对象发送dealloc消息销毁对象

　　下面通过一个简单的例子来说明：

　　场景：有一个宠物中心（内存），可以派出小动物（对象）陪小朋友们玩耍（对象引用者），现在xiaoming想和小狗一起玩耍。
　　新建Dog类，重写其创建和销毁的方法

    @implementation Dog

    - (instancetype)init {
        if (self = [super init]) {
            NSLog(@"小狗被派出去啦！初始引用计数为 %ld",self.retainCount);
        }
        return self;
    }

    - (void)dealloc {
        NSLog(@"小狗回到宠物中心");
        [super dealloc];
    }

    @end

　　在main方法中创建dog对象，給dog发送消息

//模拟：宠物中心派出小狗
    Dog * dog = [[Dog alloc]init];

    //模拟：xiaoming需要和小狗玩耍，需要将其引用计数加1
    [dog retain];
    NSLog(@"小狗的引用计数为 %ld",dog.retainCount);

    //模拟：xiaoming不和小狗玩耍了，需要将其引用计数减1
    [dog release];
    NSLog(@"小狗的引用计数为 %ld",dog.retainCount);

    //没人需要和小狗玩耍了，将其引用计数减1
    [dog release];

    //将指针置nil，否则变为野指针
    dog = nil;

　　输出结果为

    [34691:7638855] 初始引用计数为 1
    [34691:7638855] 小狗的引用计数为 2
    [34691:7638855] 小狗的引用计数为 1
    [34691:7638855] 销毁Dog

　　可以看到，引用计数帮助宠物中心很好的标记了小狗的使用状态，在完成任务的时候及时收回到宠物中心。

思考几个问题：

　　1）NSString引用计数问题
　　如果我们尝试查看一个string的引用计数

NSString * str = @"hello guys";
NSLog(@"%ld", str.retainCount);

　　会发现引用计数为－1，这可以理解为NSString实际上是一个字符串常量，是没有引用计数的（或者它的引用计数是一个很大的值（使用%lu可以打印查看），对它做引用计数操作没实质上的影响）。

　　2）赋值不会拥有某个对象

     NSString * name = dog.name;

　　这里仅仅是指针赋值操作，并不会增加name的引用计数，需要持有对象必须要发送retain消息。

　　3）dealloc
　　由于释放对象是会调用dealloc方法，因此重写dealloc方法来查看对象释放的情况，如果没有调用则会造成内存泄露。在上面的例子中我们通过重写dealloc让小狗被释放的时候打印日志来告诉我们已经完成释放。

　　4）在上面例子中，如果我们增加这样一个操作

     //没人需要和小狗玩耍了，将其引用计数减1
     [dog release];
     NSLog(@"%ld",dog.retainCount);

　　会发现获取到的引用计数为1，为什么不是0呢？

　　这是因为对引用计数为1的对象release时，系统知道该对象将被回收，就不会再对该对象的引用计数进行减1操作，这样可以增加对象回收的效率。
　　另外，对已释放的对象发送消息是不可取的，因为对象的内存已被回收，如果发送消息时，该内存已经被其他对象使用了，得到的结果是无法确定的，甚至会造成崩溃。

2 自动释放池

　　现在已经明确了，当不再使用一个对象时应该将其释放，但是在某些情况下，我们很难理清一个对象什么时候不再使用（比如xiaoming和小狗玩耍结束的时间不确定），这可怎么办？

　　ObjC提供autorelease方法来解决这个问题，当給一个对象发送autorelease消息时，方法会在未来某个时间給这个对象发送release消息将其释放，在这个时间段内，对象还是可以使用的。 　　

　　那autorelease的原理是什么呢？

　　原理就是对象接收到autorelease消息时，它会被添加到了当前的自动释放池中，当自动释放池被销毁时，会給池里所有的对象发送release消息。

　　这里就引出了自动释放池这个概念，什么是自动释放池呢？ 顾名思义，就是一个池，这个池可以容纳对象，而且可以自动释放，这就大大增加了我们处理对象的灵活性。

　　自动释放池怎样创建？

　　ObjC提供两种方法创建自动释放池：
　　方法一：使用NSAutoreleasePool来创建

     NSAutoreleasePool * pool = [[NSAutoreleasePool alloc]init];
     //这里写代码
     [pool release];

　　方法二：使用@autoreleasepool创建

     @autoreleasepool {
     //这里写代码
     }

　　自动释放池创建后，就会成为活动的池子，释放池子后，池子将释放其所包含的所有对象。
　　以上两种方法推荐第一种，因为将内存交给ObjC管理更高效。

　　自动释放池什么时候创建？

　　app使用过程中，会定期自动生成和销毁自动释放池，一般是在程序事件处理之前创建，当然我们也可以自行创建自动释放池，来达到我们一些特定的目的。

　　自动释放池什么时候销毁？

　　自动释放池的销毁时间是确定的，一般是在程序事件处理之后释放，或者由我们自己手动释放。

　　下面举例说明自动释放池的工作流程：
　　场景：现在xiaoming和xiaohong都想和小狗一起玩耍，但是他们的需求不一样，他们的玩耍时间不一样，流程如下

    //创建一个自动释放池
    NSAutoreleasePool * pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
    //模拟：宠物中心派出小狗
    Dog * dog = [[Dog alloc]init];

    //模拟：xiaoming需要和小狗玩耍，需要将其引用计数加1
    [dog retain];
    NSLog(@"小狗的引用计数为 %ld",dog.retainCount);

    //模拟：xiaohong需要和小狗玩耍，需要将其引用计数加1
    [dog retain];
    NSLog(@"小狗的引用计数为 %ld",dog.retainCount);

    //模拟：xiaoming确定不想和小狗玩耍了，需要将其引用计数减1
    [dog release];
    NSLog(@"小狗的引用计数为 %ld",dog.retainCount);

    //模拟：xiaohong不确定何时不想和小狗玩耍了，将其设置为自动释放
    [dog autorelease];
    NSLog(@"小狗的引用计数为 %ld",dog.retainCount);

    //没人需要和小狗玩耍了，将其引用计数减1
    [dog release];

    NSLog(@"释放池子");
    [pool release];
    //创建一个自动释放池
    @autoreleasepool {
        //模拟：宠物中心派出小狗
        Dog * dog = [[Dog alloc]init];

        //模拟：xiaoming需要和小狗玩耍，需要将其引用计数加1
        [dog retain];
        NSLog(@"小狗的引用计数为 %ld",dog.retainCount);

        //模拟：xiaohong需要和小狗玩耍，需要将其引用计数加1
        [dog retain];
        NSLog(@"小狗的引用计数为 %ld",dog.retainCount);

        //模拟：xiaoming确定不想和小狗玩耍了，需要将其引用计数减1
        [dog release];
        NSLog(@"小狗的引用计数为 %ld",dog.retainCount);

        //模拟：xiaohong不确定何时不想和小狗玩耍了，将其设置为自动释放
        [dog autorelease];
        NSLog(@"小狗的引用计数为 %ld",dog.retainCount);

        //没人需要和小狗玩耍了，将其引用计数减1
        [dog release];

        NSLog(@"释放池子");
    }

　　输出结果如下：

     [34819:7801589] 初始引用计数为 1
     [34819:7801589] 小狗的引用计数为 2
     [34819:7801589] 小狗的引用计数为 3
     [34819:7801589] 小狗的引用计数为 2
     [34819:7801589] 小狗的引用计数为 2
     [34819:7801589] 释放池子
     [34819:7801589] 销毁Dog

　　可以看到，当池子释放后，dog对象才被释放，因此在池子释放之前，xiaohong都可以尽情地和小狗玩耍。

　　使用自动释放池需要注意：

　　1）自动释放池实质上只是在释放的时候給池中所有对象对象发送release消息，不保证对象一定会销毁，如果自动释放池向对象发送release消息后对象的引用计数仍大于1，对象就无法销毁。

　　2）自动释放池中的对象会集中同一时间释放，如果操作需要生成的对象较多占用内存空间大，可以使用多个释放池来进行优化。比如在一个循环中需要创建大量的临时变量，可以创建内部的池子来降低内存占用峰值。

　　3）autorelease不会改变对象的引用计数

　　自动释放池的常见问题：

　　在管理对象释放的问题上，自动帮助我们释放池节省了大量的时间，但是有时候它却未必会达到我们期望的效果，比如在一个循环事件中，如果循环次数较大或者事件处理占用内存较大，就会导致内存占用不断增长，可能会导致不希望看到的后果。
　　示例代码：

     for (int i = 0; i < 100000; i ++) {
         NSString * log  = [NSString stringWithFormat:@"%d", i];
         NSLog(@"%@", log);
     }

　　前面讲过，自动释放池的释放时间是确定的，这个例子中自动释放池会在循环事件结束时释放，那问题来了：在这个十万次的循环中，每次都会生成一个字符串并打印，这些字符串对象都放在池子中并直到循环结束才会释放，因此在循环期间内存不增长。

　　这类问题的解决方案是在循环中创建新的自动释放池，多少个循环释放一次由我们自行决定。

     for (int i = 0; i < 100000; i ++) {
         @autoreleasepool {
             NSString * log  = [NSString stringWithFormat:@"%d", i];
             NSLog(@"%@", log);
         }
     }

3 iOS的内存管理规则

　　3.1 基本原则

　　无规矩不成方圆，在iOS开发中也存在规则来约束开发者进行内存管理，总的来讲有三点：
　　1）当你通过new、alloc或copy方法创建一个对象时，它的引用计数为1，当不再使用该对象时，应该向对象发送release或者autorelease消息释放对象。
　　2）当你通过其他方法获得一个对象时，如果对象引用计数为1且被设置为autorelease，则不需要执行任何释放对象的操作；
　　3）如果你打算取得对象所有权，就需要保留对象并在操作完成之后释放，且必须保证retain和release的次数对等。

　　应用到文章开头的例子中，小朋友每申请一个小狗（生成对象），最后都要归还到宠物中心（释放对象），如果只申请而不归还（对象创建了没有释放），那宠物中心的小狗就会越来越少（可用内存越来越少），到最后一个小狗都没有了（内存被耗尽），其他小朋友就再也没有小狗可申请了（无资源可申请使用），因此，必须要遵守规则：申请必须归还（规则1），申请几个必须归还几个（规则3），如果小狗被设定归还时间则不用小朋友主动归还（规则2）。

　　有兴趣的读者可以思考：

　　以上原则可以总结成一句简洁的话，是什么呢？

　　3.2 ARC

　　 在MRC时代，必须严格遵守以上规则，否则内存问题将成为恶魔一样的存在，然而来到ARC时代，事情似乎变得轻松了，不用再写无止尽的ratain和release似乎让开发变得轻松了，对初学者变得更友好。

　　ObjC2.0引入了垃圾回收机制，然而由于垃圾回收机制会对移动设备产生某些不好的影响（例如由于垃圾清理造成的卡顿），iOS并不支持这个机制，苹果的解决方案就是ARC（自动引用计数）。

　　iOS5以后，我们可以开启ARC模式，ARC可以理解成一位管家，这个管家会帮我们向对象发送retain和release语句，不再需要我们手动添加了，我们可以更舒心地创建或引用对象，简化内存管理步骤，节省大量的开发时间。

　　实际上，ARC不是垃圾回收，也并不是不需要内存管理了，它是隐式的内存管理，编译器在编译的时候会在代码插入合适的ratain和release语句，相当于在背后帮我们完成了内存管理的工作。

　　下面将自动释放池的例子转化成ARC来看看

 @autoreleasepool {

         Dog * dog = [[Dog alloc]init];

         [xiaoming playWithDog:dog];

         [xiaohong playWithDog:dog];

         NSLog(@"释放池子");
     }

　　怎么样，是不是简洁了很多，是不是很熟悉的感觉呢。

　　注意：
　　1）如果你的工程历史比较久，可以将其从MRC转换成ARC，跟上时代的步伐更好地维护
　　2）如果你的工程引用了某些不支持ARC的库，可以在Build Phases的Compile Sources将对应的m文件的编译器参数配置为-fno-objc-arc
　　3）ARC能帮我们简化内存管理问题，但不代表它是万能的，还是有它不能处理的情况，这就需要我们自己手动处理，比如循环引用、非ObjC对象、Core Foundation中的malloc()或者free()等等

　　有兴趣的读者可以思考：

　　MRC有什么缺点？ARC有什么局限性？请列举。

　　3.3 ARC的修饰符

　　ARC提供四种修饰符，分别是strong, weak, autoreleasing, unsafe_unretained

　　__strong：强引用，持有所指向对象的所有权，无修饰符情况下的默认值。如需强制释放，可置nil。

　　比如我们常用的定时器

　　NSTimer * timer = [NSTimer timerWith...];

　　相当于

　　NSTimer * __strong timer = [NSTimer timerWith...];

　　当不需要使用时，强制销毁定时器

　　[timer invalidate];
　　timer = nil;

　　__weak：弱引用，不持有所指向对象的所有权，引用指向的对象内存被回收之后，引用本身会置nil，避免野指针。

　　比如避免循环引用的弱引用声明：

     __weak __typeof(self) weakSelf = self;

　　__autoreleasing：自动释放对象的引用，一般用于传递参数

　　比如一个读取数据的方法

     - (void)loadData:(NSError **)error;

　　当你调用时会发现这样的提示

     NSError * error;
     [dataTool loadData:(NSError *__autoreleasing *)]

　　这是编译器自动帮我们插入以下代码

     NSError * error;
     NSError * __autoreleasing tmpErr = error;
     [dataTool loadData:&tmpErr];

　　__unsafe_unretained：为兼容iOS5以下版本的产物，可以理解成MRC下的weak，现在基本用不到，这里不作描述。

　　有兴趣的读者可以思考：

　　1）__strong NSTimer * timer 和 NSTimer * __strong timer哪个写法是正确的, 为什么编译器不报错？
　　2）使用__autoreleasing可能会遇到哪些问题？

　　3.4 属性的内存管理

　　ObjC2.0引入了@property，提供成员变量访问方法、权限、环境、内存管理类型的声明，下面主要说明ARC中属性的内存管理。

　　属性的参数分为三类，基本数据类型默认为(atomic,readwrite,assign)，对象类型默认为(atomic,readwrite,strong)，其中第三个参数就是该属性的内存管理方式修饰，修饰词可以是以下之一：

　　1）assign：直接赋值

　　assign一般用来修饰基本数据类型

     @property (nonatomic, assign) NSInteger count;

　　当然也可以修饰ObjC对象，但是不推荐，因为被assign修饰的对象释放后，指针还是指向释放前的内存，在后续操作中可能会导致内存问题引发崩溃。

　　2）retain：release旧值，再retain新值（引用计数＋1）

　　retain和strong一样，都用来修饰ObjC对象。
　　使用set方法赋值时，实质上是会先保留新值，再释放旧值，再设置新值，避免新旧值一样时导致对象被释放的的问题。

　　MRC写法如下

     - (void)setCount:(NSObject *)count {
         [count retain];
         [_count release];
         _count = count;
     }

　　ARC对应写法

     - (void)setCount:(NSObject *)count {
         _count = count;
     }

　　3）copy：release旧值，再copy新值（拷贝内容）

　　一般用来修饰String、Dict、Array等需要保护其封装性的对象，尤其是在其内容可变的情况下，因此会拷贝（深拷贝）一份内容給属性使用，避免可能造成的对源内容进行改动。

　　使用set方法赋值时，实质上是会先拷贝新值，再释放旧值，再设置新值。
　　实际上，遵守NSCopying的对象都可以使用copy，当然，如果你确定是要共用同一份可变内容，你也可以使用strong或retain。

     @property (nonatomic, copy) NSString * name;

　　4）weak：ARC新引入修饰词，可代替assign，比assign多增加一个特性（置nil，见上文）。

　　weak和strong一样用来修饰ObjC对象。
　　使用set方法赋值时，实质上不保留新值，也不释放旧值，只设置新值。

　　比如常用的代理的声明

     @property (weak) id<MyDelegate> delegate;

　　Xib控件的引用

     @property (weak, nonatomic) IBOutlet UIImageView *productImage;

　　5）strong：ARC新引入修饰词，可代替retain

　　可参照retain，这里不再作描述。

　　有兴趣的读者可以思考：

　　1）各个属性修饰词和3.3中的修饰词的对应关系？
　　2）属性的本质是什么？

　　3.5 block的内存管理

　　iOS中使用block必须自己管理内存，错误的内存管理将导致循环引用等内存泄漏问题，这里主要说明在ARC下block声明和使用的时候需要注意的两点：
　　1）如果你使用@property去声明一个block的时候，一般使用copy来进行修饰（当然也可以不写，编译器自动进行copy操作），尽量不要使用retain。

     @property (nonatomic, copy) void(^block)(NSData * data);

　　2）block会对内部使用的对象进行强引用，因此在使用的时候应该确定不会引起循环引用，当然保险的做法就是添加弱引用标记。

     __weak typeof(self) weakSelf = self;

　　有兴趣的读者可以深入了解：

　　1、block的内部实现原理是什么？
　　2、从内存位置来看block有几种类型？它们的内存管理方式各是怎样的？
　　3、对于不同类型的外部变量，block的内存管理都是怎样的？

4 经典内存泄漏及其解决方案

　　虽然ARC好处多多，然而也并无法避免内存泄漏问题，下面介绍在ARC中常见的内存泄漏。

　　4.1 僵尸对象和野指针

　　僵尸对象：内存已经被回收的对象。

　　野指针：指向僵尸对象的指针，向野指针发送消息会导致崩溃。

　　野指针错误形式在Xcode中通常表现为：Thread 1：EXC_BAD_ACCESS，因为你访问了一块已经不属于你的内存。
　　例子代码：(没有出现错误的筒子多运行几遍，因为获取野指针指向的结果是不确定的)

 Dog * dog = [[Dog alloc]init];
     NSLog(@"before");
     NSLog(@"%s",object_getClassName(dog));
     [dog release];
     NSLog(@"after");
     NSLog(@"%s",object_getClassName(dog));

　　运行结果：

     [15184:5811062] before
     [15184:5811062] Dog
     [15184:5811062] after
     (lldb)

　　可以看到，当运行到第六行的时候崩溃了，并給出了EXC_BAD_ACCESS的提示。

　　解决方案：

　　对象已经被释放后，应将其指针置为空指针（没有指向任何对象的指针，给空指针发送消息不会报错）。

　　然而在实际开发中实际遇到EXC_BAD_ACCESS错误时，往往很难定位到错误点，幸好Xcode提供方便的工具給我们来定位及分析错误。
　　1）在product－scheme－edit scheme－diagnostics中将enable zombie objects勾选上，下次再出现这样的错误就可以准确定位了。
　　运行结果：

     [15169:5801945] before
     [15169:5801945] Dog
     [15169:5801945] after
     [15169:5801945] _NSZombie_Dog

　　可以看到，当运行到第六行时并没有崩溃，并给出了NSZombie的提示。

　　2）在Xcode－open developer tool－Instruments打开工具集，选择Zombies工具可以对已安装的应用进行僵尸对象检测。

　　4.2 循环引用

　　循环引用是ARC中最常出现的问题，对于可能引发循环引用的一些原因在前一篇文章iOS总结篇：影响控制器正常释放的常见问题中有提及，大家可以看看。

　　一般来讲循环引用也是可以使用工具来检测到的，分为两种：
　　1）在product－Analyze中使用静态分析来检测代码中可能存在循环引用的问题。

　　2）在Xcode－open developer tool－Instruments打开工具集，选择Leaks工具可以对已安装的应用进行内存泄漏检测，此工具能检测静态分析不会提示，但是到运行时才会出现的内存泄漏问题。

　　Leaks工具虽然强大，但是它不能检测到block循环引用导致的内存泄漏，这种情况一般需要自行排查问题（考验你的基本功时候到了），傻瓜式的方案当然是重写对象的dealloc方法来监测对象是否正常释放，来确认没有形成循环引用。

　　由于ARC中循环引用出现的几率相对较大，很多大神或者团队都提供了很多解决此问题的思路和方法，甚至开发了插件和类库来帮助开发者更好地检测问题，有兴趣的读者可以研究一下，是否好用，孰好孰坏就由读者自行评判了。

　　4.3 循环中对象占用内存大

　　这个问题常见于循环次数较大，循环体生成的对象占用内存较大的情景。
　　例子代码：我需要10000个演员来打仗

     for (int i = 0; i < 10000; i ++) {
         Person * soldier = [[Person alloc]init];
         [soldier fight];
     }

　　该循环内产生大量的临时对象，直至循环结束才释放，可能导致内存泄漏，解决方法和上文中提到的自动释放池常见问题类似：在循环中创建自己的autoReleasePool，及时释放占用内存大的临时变量，减少内存占用峰值。

     for (int i = 0; i < 10000; i ++) {
         @autoreleasepool {
             Person * soldier = [[Person alloc]init];
             [soldier fight];
         }
     }

　　然而有时候autoReleasePool也不是万能的：
　　例子：假如有2000张图片，每张1M左右，现在需要获取所有图片的尺寸，你会怎么做？
　　如果这样做

     for (int i = 0; i < 2000; i ++) {
         CGSize size = [UIImage imageNamed:[NSString stringWithFormat:@"%d.jpg",i]].size;
         //add size to array
     }

　　用imageNamed方法加载图片占用Cache的内存，autoReleasePool也不能释放，对此问题需要另外的解决方法，当然保险的当然是双管齐下了

     for (int i = 0; i < 2000; i ++) {
         @autoreleasepool {
             CGSize size = [UIImage imageWithContentsOfFile:filePath].size;
             //add siez to array
          }
     }

　　4.4 无限循环

　　这个是比4.3更极端的情况，无论你出于什么原因，当你启动了一个无限循环的时候，ARC会默认该方法用不会执行完毕，方法里面的对象就永不释放，内存无限上涨，导致内存泄漏。
　　例子：

     NSLog(@"start !");
     dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
         BOOL isSucc = YES;
         while (isSucc) {
             [NSThread sleepForTimeInterval:1.0];
             NSLog(@"create an obj");
         }
     });

　　输出结果为

     [7026:3555827] start !
     [7026:3556236] create an obj
     [7026:3556236] create an obj
     [7026:3556236] create an obj
     [7026:3556236] create an obj
     [7026:3555827] dealloc
     [7026:3556236] create an obj
     [7026:3556236] create an obj
     [7026:3556236] create an obj

　　可以看到，当控制器释放后该循环还在继续。 　　

　　对于这类问题解决方案是什么呢？留给读者思考吧～ ^_^

　　提示：解决方法有autoreleasepool、block、timer等等

后记

　　关于iOS内存管理的知识点很多，如果展开来讲，本文涉及的知识点都可以写成一篇长文，因此，本文只是做一个概述，试图起到抛砖引玉的作用，帮助iOS开发的初学者更快地理解内存管理。
　　关于第四点“经典内存泄漏及其解决方案”，将专门写一篇文章在本文的基础上详细介绍（图文并茂 ^_^），敬请期待。