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IOS中內存管理那些事

編輯：關於IOS教程

Objective-C 和 Swift 語言的內存管理方式都是基於引用計數「Reference Counting」的，引用計數是一個簡單而有效管理對象生命周期的方式。引用計數分為手動引用計數「ARC: AutomaticReference Counting」和自動引用計數「MRC: Manual Reference Counting」，現在都是用 ARC 了，但是我們還是很有必要了解 MRC。

1. 引用計數的原理是什麼？

當我們創建一個新對象時，他的引用計數為1；

當有一個新的指針指向這個對象時，他的引用計數就加1；

當對象關聯的某個指針不再指向他時，他的引用計數就減1；

當對象的引用計數為0時，說明此對象不再被任何指針指向，這時我們就可以將對象銷毀，回收內存。

由於引用計數簡單有效，除了 Objective-C 語言外，Microsoft 的 COM「Component Object Model」、C++11（基於引用計數的智能指針 share_prt）等語言也提供了基於引用計數的內存管理方式。

舉個例子：

新建工程，Xcode 默認開啟的是 ARC，我們這裡針對「AppDelegate.m」文件使用 MRC，進行以下配置：

選擇目標工程，然後在「Build Phases」的「Compile Sources」下的「AppDelegate.m」文件配置編譯器參數「Compiler Flags」值為「-fno-objc-arc」

- (BOOL)application:(UIApplication *)application didFinishLaunchingWithOptions:(NSDictionary *)launchOptions {
  NSObject *objO = [NSObject new];
  NSLog(@"Reference Count: %lu", (unsigned long)[objO retainCount]); // 1
  NSObject *objB = [objO retain];
  NSLog(@"Reference Count: %lu", (unsigned long)[objO retainCount]); // 2
  [objO release];
  NSLog(@"Reference Count: %lu", (unsigned long)[objO retainCount]); // 1
  [objO release];
  NSLog(@"Reference Count: %lu", (unsigned long)[objO retainCount]); // 1
  
  [objO setValue:nil forKey:@"test"]; // 僵屍對象，向野指針發送消息會報錯（EXC_BAD_ACCESS）
  
  return YES;
}

Xcode 默認不會監控僵屍對象，這裡我們配置開啟他，然後就可以看到具體的跟蹤信息了：

也可以通過選擇「Product」下的「Profile」來打開「Instruments」工具集。然後選擇「Zombies」，再單擊右下角的「Choose」按鈕進入檢測界面，這時點擊左上角的「Record」紅色圓點按鈕開始檢測。

1.1 上面例子，為什麼最後一次通過 retainCount 獲取的值為1，而不是為0呢？

因為該對象的內存已經被回收，我們向一個被回收的對象發送 retainCount 消息，他的輸出結果是不確定的，如果該對象所占內存被復用了，那麼就可能造成程序異常崩潰。

而且當最後一次執行 release 時，系統已經知道馬上要回收內存了，就沒必要再將 retainCount 減1，因為不管減不減1，該對象都會被回收，回收後他所在內存區域（包括 retainCount 值）就沒有意義了。不將retainCount 減1變為0，可以減少一次內存操作，加快對象的回收。

1.2 什麼是僵屍對象、野指針、空指針呢？

僵屍對象：所占用內存已經被回收的對象，僵屍對象不能再使用。

野指針：指向僵屍對象（不可用內存）的指針，給野指針發送消息會報錯（EXC_BAD_ACCESS）。

空指針：沒有指向任何對象的指針（存儲的是 nil、NULL），給空指針發送消息不會報錯；空指針的一個經典使用場景就是在開發中獲取服務器 API 數據時，轉換野指針為空指針，避免發送消息報錯。

2. 為什麼需要引用計數？

從上面簡單例子，我們還看不出引用計數真正的用處，因為該對象的生命周期只是在一個方法內。在真實的應用場景中，我們在方法內使用臨時對象，通常不需要修改他的引用計數，只需要在方法返回前銷毀對象就可以了。

然而，引用計數真正派上用場的場景是在面向對象的程序設計架構中，用於對象之間傳遞和共享數據。

舉個例子：

假如對象 A 生成了一個對象 O，需要調用對象 B 的某個方法，將對象 O 作為參數傳遞過去。

在沒有引用計數的情況下，一般內存管理的原則是「誰申請誰釋放」，那麼對象 A 就需要在對象 B 不再需要對象 O 的時候，將對象 O 銷毀。但對象 B 可能臨時用一下對象 O，也可以覺得他重要，將他設置為自己的一個成員變量，在這種情況下，什麼時候銷毀對象 O 就成了一個難題了。

對於以上情況有兩種做法：

（1）對象 A 在調用完對象 B 的某個方法之後，馬上銷毀參數對象 O，然後對象 B 需要將對象 O 復制一份，生成另一個對象 O2，同時自己來管理對象 O2 的生命周期。但是這種做法有一個很大的問題，就是他帶來更多的內存申請、復制、釋放的工作。本來可以復用的對象，因為不方便管理他的生命周期，就簡單地把他銷毀，又重新構造一份一樣的，實在太影響性能。

（2）對象 A 只負責生成對象 O，之後就由對象 B 負責完成對象 O 的銷毀工作。如果對象 B 只是臨時用一下對象 O，就可以用完後馬上銷毀，如果對象 B 需要長時間使用對象 O，就不銷毀他。這種做法看似解決了對象復制的問題，但是他強烈依賴於 A 和 B 兩個對象的配合，代碼維護者需要明確地記住這種編程約定。而且，由於對象 O 的生成和釋放在不同對象中，使得他的內存管理代碼分散在不同對象中，管理起來也很費勁。如果這個時候情況更加復雜一些，例如對象 B 需要再向對象 C 傳遞參數對象 O，那麼這個對象在對象 C 中又不能讓對象 C 管理。所以這種方法帶來的復雜度更高，更加不可取。

引用計數的出現很好地解決這個問題，在參數對象 O 的傳遞過程中，哪些對象需要長時間使用他，就把他的引用計數加1，使用完就減1。所有對象遵守這個規則，對象的生命周期管理就可以完全交給引用計數了。我們也可以很方便地享受到共享對象帶來的好處。

2.1 什麼是循環引用「Reference Cycles」問題，怎麼解決呢？

引用計數這種內存管理方式雖然簡單，但有一個瑕疵就是他不能自動解決循環引用的問題。

舉個例子：

對象 A 和對象 B 相互引用對方作為自己的成員變量，只有當自己銷毀時，才將自己的成員變量的引用計數減1，因為對象 A 和對象 B 的銷毀相互依賴，這樣就造成我們所說的循環引用問題了。

循環引用會導致即使外界已經沒有任何指針能夠訪問他們了，但是他們所占資源仍然無法釋放的情況。

解決循環引用問題主要有兩種方法：

（1）明確知道哪裡存在循環引用，合理時機主動斷開環中的一個引用，使得對象得以回收。這種方法不常用，因為他依賴開發人員自己手工顯式控制，相當於回到以前「誰申請誰釋放」的內存管理年代。

（2）使用弱引用「Weak Reference」，「weak」「__weak」類型，這種方法常用。弱引用雖然持有對象，但是並不增加他的引用計數。弱引用的一個經典使用場景就是委托代理「delegate」協議模式。

2.2 Xcode 中有什麼工具可以檢測循環引用嗎？

在 Xcode 中有「Instruments」工具集可以很方便地檢測循環引用。

舉個例子：

- (void)viewDidLoad {
  [super viewDidLoad];
  
  NSMutableArray *mArrFirst = [NSMutableArray array];
  NSMutableArray *mArrSecond = [NSMutableArray array];
  [mArrFirst addObject:mArrSecond];
  [mArrSecond addObject:mArrFirst];
}

可以選擇「Product」下的「Profile」來打開「Instruments」工具集。

然後選擇「Leaks」，再單擊右下角的「Choose」按鈕進入檢測界面，這時點擊左上角的「Record」紅色圓點按鈕開始檢測。