iOS內功篇：內存管理
作者：明仔Su（簡書）
前言
現在iOS開發已經是arc甚至是swift的時代，但是內存管理仍是一個重點關注的問題，如果只知盲目開發而不知個中原理，踩坑就跳不出來了，理解好內存管理，能讓我們寫出更有質量的代碼。
內存管理是程序設計中很重要的一部分，程序在運行的過程中消耗內存，運行結束後釋放占用的內存。如果程序運行時一直分配內存而不及時釋放無用的內存，會造成這樣的後果：程序占用的內存越來越大，直至內存消耗殚盡，程序因無內存可用導致崩潰，這樣的情況我們稱之為內存洩漏。
ObjC的內存管理比較簡潔，然而要深刻理解也不是一件易事，本文將介紹如何使用ObjC進行內存管理。
1、引用計數
在ObjC中，對象什麼時候會被釋放（或者對象占用的內存什麼時候會被回收利用）？
答案是：當對象沒有被任何變量引用（也可以說是沒有指針指向該對象）的時候，就會被釋放。
那怎麼知道對象已經沒有被引用了呢？
ObjC采用引用計數（reference counting）的技術來進行管理：
1）每個對象都有一個關聯的整數，稱為引用計數器
2）當代碼需要使用該對象時，則將對象的引用計數加1
3）當代碼結束使用該對象時，則將對象的引用計數減1
4）當引用計數的值變為0時，表示對象沒有被任何代碼使用，此時對象將被釋放。
與之對應的消息發送方法如下：
1）當對象被創建（通過alloc、new或copy等方法）時，其引用計數初始值為1
2）給對象發送retain消息，其引用計數加1
3）給對象發送release消息，其引用計數減1
4）當對象引用計數歸0時，ObjC給對象發送dealloc消息銷毀對象
下面通過一個簡單的例子來說明：
場景：有一個寵物中心（內存），可以派出小動物（對象）陪小朋友們玩耍（對象引用者），現在xiaoming想和小狗一起玩耍。
新建Dog類，重寫其創建和銷毀的方法：
@implementation Dog
- (instancetype)init {
if (self = [super init]) {
NSLog(@"小狗被派出去啦！初始引用計數為 %ld",self.retainCount);
}
return self;
}
- (void)dealloc {
NSLog(@"小狗回到寵物中心");
[super dealloc];
}
@end在main方法中創建dog對象，給dog發送消息
//模擬：寵物中心派出小狗 Dog * dog = [[Dog alloc]init]; //模擬：xiaoming需要和小狗玩耍，需要將其引用計數加1 [dog retain]; NSLog(@"小狗的引用計數為 %ld",dog.retainCount); //模擬：xiaoming不和小狗玩耍了，需要將其引用計數減1 [dog release]; NSLog(@"小狗的引用計數為 %ld",dog.retainCount); //沒人需要和小狗玩耍了，將其引用計數減1 [dog release]; //將指針置nil，否則變為野指針 dog = nil;
輸出結果為
[34691:7638855] 初始引用計數為 1 [34691:7638855] 小狗的引用計數為 2 [34691:7638855] 小狗的引用計數為 1 [34691:7638855] 銷毀Dog
可以看到，引用計數幫助寵物中心很好的標記了小狗的使用狀態，在完成任務的時候及時收回到寵物中心。
思考幾個問題：
1）NSString引用計數問題
如果我們嘗試查看一個string的引用計數
NSString * str = @"hello guys"; NSLog(@"%ld", str.retainCount);
會發現引用計數為－1，這可以理解為NSString實際上是一個字符串常量，是沒有引用計數的（或者它的引用計數是一個很大的值（使用%lu可以打印查看），對它做引用計數操作沒實質上的影響）。
2）賦值不會擁有某個對象
NSString * name = dog.name;
這裡僅僅是指針賦值操作，並不會增加name的引用計數，需要持有對象必須要發送retain消息。
3）dealloc
由於釋放對象是會調用dealloc方法，因此重寫dealloc方法來查看對象釋放的情況，如果沒有調用則會造成內存洩露。在上面的例子中我們通過重寫dealloc讓小狗被釋放的時候打印日志來告訴我們已經完成釋放。
4）在上面例子中，如果我們增加這樣一個操作
//沒人需要和小狗玩耍了，將其引用計數減1 [dog release]; NSLog(@"%ld",dog.retainCount);
會發現獲取到的引用計數為1，為什麼不是0呢？
這是因為對引用計數為1的對象release時，系統知道該對象將被回收，就不會再對該對象的引用計數進行減1操作，這樣可以增加對象回收的效率。
另外，對已釋放的對象發送消息是不可取的，因為對象的內存已被回收，如果發送消息時，該內存已經被其他對象使用了，得到的結果是無法確定的，甚至會造成崩潰。
2、自動釋放池
現在已經明確了，當不再使用一個對象時應該將其釋放，但是在某些情況下，我們很難理清一個對象什麼時候不再使用（比如xiaoming和小狗玩耍結束的時間不確定），這可怎麼辦？
ObjC提供autorelease方法來解決這個問題，當給一個對象發送autorelease消息時，方法會在未來某個時間給這個對象發送release消息將其釋放，在這個時間段內，對象還是可以使用的。
那autorelease的原理是什麼呢？
原理就是對象接收到autorelease消息時，它會被添加到了當前的自動釋放池中，當自動釋放池被銷毀時，會給池裡所有的對象發送release消息。
這裡就引出了自動釋放池這個概念，什麼是自動釋放池呢？ 顧名思義，就是一個池，這個池可以容納對象，而且可以自動釋放，這就大大增加了我們處理對象的靈活性。
自動釋放池怎樣創建？
ObjC提供兩種方法創建自動釋放池：
方法一：使用NSAutoreleasePool來創建
NSAutoreleasePool * pool = [[NSAutoreleasePool alloc]init]; //這裡寫代碼 [pool release];
方法二：使用@autoreleasepool創建
@autoreleasepool {
//這裡寫代碼
}自動釋放池創建後，就會成為活動的池子，釋放池子後，池子將釋放其所包含的所有對象。
以上兩種方法推薦第一種，因為將內存交給ObjC管理更高效。
自動釋放池什麼時候創建？
app使用過程中，會定期自動生成和銷毀自動釋放池，一般是在程序事件處理之前創建，當然我們也可以自行創建自動釋放池，來達到我們一些特定的目的。
自動釋放池什麼時候銷毀？
自動釋放池的銷毀時間是確定的，一般是在程序事件處理之後釋放，或者由我們自己手動釋放。
下面舉例說明自動釋放池的工作流程：
場景：現在xiaoming和xiaohong都想和小狗一起玩耍，但是他們的需求不一樣，他們的玩耍時間不一樣，流程如下
//創建一個自動釋放池
NSAutoreleasePool * pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
//模擬：寵物中心派出小狗
Dog * dog = [[Dog alloc]init];
//模擬：xiaoming需要和小狗玩耍，需要將其引用計數加1
[dog retain];
NSLog(@"小狗的引用計數為 %ld",dog.retainCount);
//模擬：xiaohong需要和小狗玩耍，需要將其引用計數加1
[dog retain];
NSLog(@"小狗的引用計數為 %ld",dog.retainCount);
//模擬：xiaoming確定不想和小狗玩耍了，需要將其引用計數減1
[dog release];
NSLog(@"小狗的引用計數為 %ld",dog.retainCount);
//模擬：xiaohong不確定何時不想和小狗玩耍了，將其設置為自動釋放
[dog autorelease];
NSLog(@"小狗的引用計數為 %ld",dog.retainCount);
//沒人需要和小狗玩耍了，將其引用計數減1
[dog release];
NSLog(@"釋放池子");
[pool release];
//創建一個自動釋放池
@autoreleasepool {
//模擬：寵物中心派出小狗
Dog * dog = [[Dog alloc]init];
//模擬：xiaoming需要和小狗玩耍，需要將其引用計數加1
[dog retain];
NSLog(@"小狗的引用計數為 %ld",dog.retainCount);
//模擬：xiaohong需要和小狗玩耍，需要將其引用計數加1
[dog retain];
NSLog(@"小狗的引用計數為 %ld",dog.retainCount);
//模擬：xiaoming確定不想和小狗玩耍了，需要將其引用計數減1
[dog release];
NSLog(@"小狗的引用計數為 %ld",dog.retainCount);
//模擬：xiaohong不確定何時不想和小狗玩耍了，將其設置為自動釋放
[dog autorelease];
NSLog(@"小狗的引用計數為 %ld",dog.retainCount);
//沒人需要和小狗玩耍了，將其引用計數減1
[dog release];
NSLog(@"釋放池子");
}輸出結果如下：
[34819:7801589] 初始引用計數為 1 [34819:7801589] 小狗的引用計數為 2 [34819:7801589] 小狗的引用計數為 3 [34819:7801589] 小狗的引用計數為 2 [34819:7801589] 小狗的引用計數為 2 [34819:7801589] 釋放池子 [34819:7801589] 銷毀Dog
可以看到，當池子釋放後，dog對象才被釋放，因此在池子釋放之前，xiaohong都可以盡情地和小狗玩耍。
使用自動釋放池需要注意：
1）自動釋放池實質上只是在釋放的時候給池中所有對象對象發送release消息，不保證對象一定會銷毀，如果自動釋放池向對象發送release消息後對象的引用計數仍大於1，對象就無法銷毀。
2）自動釋放池中的對象會集中同一時間釋放，如果操作需要生成的對象較多占用內存空間大，可以使用多個釋放池來進行優化。比如在一個循環中需要創建大量的臨時變量，可以創建內部的池子來降低內存占用峰值。
3）autorelease不會改變對象的引用計數
自動釋放池的常見問題：
在管理對象釋放的問題上，自動幫助我們釋放池節省了大量的時間，但是有時候它卻未必會達到我們期望的效果，比如在一個循環事件中，如果循環次數較大或者事件處理占用內存較大，就會導致內存占用不斷增長，可能會導致不希望看到的後果。
示例代碼：
for (int i = 0; i < 100000; i ++) {
NSString * log = [NSString stringWithFormat:@"%d", i];
NSLog(@"%@", log);
}前面講過，自動釋放池的釋放時間是確定的，這個例子中自動釋放池會在循環事件結束時釋放，那問題來了：在這個十萬次的循環中，每次都會生成一個字符串並打印，這些字符串對象都放在池子中並直到循環結束才會釋放，因此在循環期間內存不增長。
這類問題的解決方案是在循環中創建新的自動釋放池，多少個循環釋放一次由我們自行決定。
for (int i = 0; i < 100000; i ++) {
@autoreleasepool {
NSString * log = [NSString stringWithFormat:@"%d", i];
NSLog(@"%@", log);
}
}3、iOS的內存管理規則
3.1 基本原則
無規矩不成方圓，在iOS開發中也存在規則來約束開發者進行內存管理，總的來講有三點：
1）當你通過new、alloc或copy方法創建一個對象時，它的引用計數為1，當不再使用該對象時，應該向對象發送release或者autorelease消息釋放對象。
2）當你通過其他方法獲得一個對象時，如果對象引用計數為1且被設置為autorelease，則不需要執行任何釋放對象的操作；
3）如果你打算取得對象所有權，就需要保留對象並在操作完成之後釋放，且必須保證retain和release的次數對等。
應用到文章開頭的例子中，小朋友每申請一個小狗（生成對象），最後都要歸還到寵物中心（釋放對象），如果只申請而不歸還（對象創建了沒有釋放），那寵物中心的小狗就會越來越少（可用內存越來越少），到最後一個小狗都沒有了（內存被耗盡），其他小朋友就再也沒有小狗可申請了（無資源可申請使用），因此，必須要遵守規則：申請必須歸還（規則1），申請幾個必須歸還幾個（規則3），如果小狗被設定歸還時間則不用小朋友主動歸還（規則2）。
有興趣的讀者可以思考：
以上原則可以總結成一句簡潔的話，是什麼呢？
3.2 ARC
在MRC時代，必須嚴格遵守以上規則，否則內存問題將成為惡魔一樣的存在，然而來到ARC時代，事情似乎變得輕松了，不用再寫無止盡的ratain和release似乎讓開發變得輕松了，對初學者變得更友好。
ObjC2.0引入了垃圾回收機制，然而由於垃圾回收機制會對移動設備產生某些不好的影響（例如由於垃圾清理造成的卡頓），iOS並不支持這個機制，蘋果的解決方案就是ARC（自動引用計數）。
iOS5以後，我們可以開啟ARC模式，ARC可以理解成一位管家，這個管家會幫我們向對象發送retain和release語句，不再需要我們手動添加了，我們可以更舒心地創建或引用對象，簡化內存管理步驟，節省大量的開發時間。
實際上，ARC不是垃圾回收，也並不是不需要內存管理了，它是隱式的內存管理，編譯器在編譯的時候會在代碼插入合適的ratain和release語句，相當於在背後幫我們完成了內存管理的工作。
下面將自動釋放池的例子轉化成ARC來看看
@autoreleasepool {
Dog * dog = [[Dog alloc]init];
[xiaoming playWithDog:dog];
[xiaohong playWithDog:dog];
NSLog(@"釋放池子");
}怎麼樣，是不是簡潔了很多，是不是很熟悉的感覺呢。
注意：
1）如果你的工程歷史比較久，可以將其從MRC轉換成ARC，跟上時代的步伐更好地維護
2）如果你的工程引用了某些不支持ARC的庫，可以在Build Phases的Compile Sources將對應的m文件的編譯器參數配置為-fno-objc-arc
3）ARC能幫我們簡化內存管理問題，但不代表它是萬能的，還是有它不能處理的情況，這就需要我們自己手動處理，比如循環引用、非ObjC對象、Core Foundation中的malloc()或者free()等等
有興趣的讀者可以思考：
MRC有什麼缺點？ARC有什麼局限性？請列舉。
3.3 ARC的修飾符
ARC提供四種修飾符，分別是strong, weak, autoreleasing, unsafe_unretained。
__strong：強引用，持有所指向對象的所有權，無修飾符情況下的默認值。如需強制釋放，可置nil。
比如我們常用的定時器
NSTimer * timer = [NSTimer timerWith...];
相當於
NSTimer * __strong timer = [NSTimer timerWith...];
當不需要使用時，強制銷毀定時器
[timer invalidate]; timer = nil;
__weak：弱引用，不持有所指向對象的所有權，引用指向的對象內存被回收之後，引用本身會置nil，避免野指針。
比如避免循環引用的弱引用聲明：
__weak __typeof(self) weakSelf = self;
__autoreleasing：自動釋放對象的引用，一般用於傳遞參數
比如一個讀取數據的方法
- (void)loadData:(NSError **)error;
當你調用時會發現這樣的提示
NSError * error; [dataTool loadData:(NSError *__autoreleasing *)]
這是編譯器自動幫我們插入以下代碼
NSError * error; NSError * __autoreleasing tmpErr = error; [dataTool loadData:&tmpErr];
__unsafe_unretained：為兼容iOS5以下版本的產物，可以理解成MRC下的weak，現在基本用不到，這裡不作描述。
有興趣的讀者可以思考：
1）__strong NSTimer * timer 和 NSTimer * __strong timer哪個寫法是正確的, 為什麼編譯器不報錯？
2）使用__autoreleasing可能會遇到哪些問題？
3.4 屬性的內存管理
ObjC2.0引入了@property，提供成員變量訪問方法、權限、環境、內存管理類型的聲明，下面主要說明ARC中屬性的內存管理。
屬性的參數分為三類，基本數據類型默認為(atomic,readwrite,assign)，對象類型默認為(atomic,readwrite,strong)，其中第三個參數就是該屬性的內存管理方式修飾，修飾詞可以是以下之一：
1）assign：直接賦值
assign一般用來修飾基本數據類型
@property (nonatomic, assign) NSInteger count;
當然也可以修飾ObjC對象，但是不推薦，因為被assign修飾的對象釋放後，指針還是指向釋放前的內存，在後續操作中可能會導致內存問題引發崩潰。
2）retain：release舊值，再retain新值（引用計數＋1）
retain和strong一樣，都用來修飾ObjC對象。
使用set方法賦值時，實質上是會先保留新值，再釋放舊值，再設置新值，避免新舊值一樣時導致對象被釋放的的問題。
MRC寫法如下
- (void)setCount:(NSObject *)count {
[count retain];
[_count release];
_count = count;
}ARC對應寫法
- (void)setCount:(NSObject *)count {
_count = count;
}3）copy：release舊值，再copy新值（拷貝內容）
一般用來修飾String、Dict、Array等需要保護其封裝性的對象，尤其是在其內容可變的情況下，因此會拷貝（深拷貝）一份內容給屬性使用，避免可能造成的對源內容進行改動。
使用set方法賦值時，實質上是會先拷貝新值，再釋放舊值，再設置新值。
實際上，遵守NSCopying的對象都可以使用copy，當然，如果你確定是要共用同一份可變內容，你也可以使用strong或retain。
@property (nonatomic, copy) NSString * name;
4）weak：ARC新引入修飾詞，可代替assign，比assign多增加一個特性（置nil，見上文）。
weak和strong一樣用來修飾ObjC對象。
使用set方法賦值時，實質上不保留新值，也不釋放舊值，只設置新值。
比如常用的代理的聲明
@property (weak) iddelegate;
Xib控件的引用
@property (weak, nonatomic) IBOutlet UIImageView *productImage;
5）strong：ARC新引入修飾詞，可代替retain
可參照retain，這裡不再作描述。
有興趣的讀者可以思考：
1）各個屬性修飾詞和3.3中的修飾詞的對應關系？
2）屬性的本質是什麼？
3.5 block的內存管理
iOS中使用block必須自己管理內存，錯誤的內存管理將導致循環引用等內存洩漏問題，這裡主要說明在ARC下block聲明和使用的時候需要注意的兩點：
1）如果你使用@property去聲明一個block的時候，一般使用copy來進行修飾（當然也可以不寫，編譯器自動進行copy操作），盡量不要使用retain。
@property (nonatomic, copy) void(^block)(NSData * data);
2）block會對內部使用的對象進行強引用，因此在使用的時候應該確定不會引起循環引用，當然保險的做法就是添加弱引用標記。
__weak typeof(self) weakSelf = self;
有興趣的讀者可以深入了解：
1、block的內部實現原理是什麼？
2、從內存位置來看block有幾種類型？它們的內存管理方式各是怎樣的？
3、對於不同類型的外部變量，block的內存管理都是怎樣的？
4 經典內存洩漏及其解決方案
雖然ARC好處多多，然而也並無法避免內存洩漏問題，下面介紹在ARC中常見的內存洩漏。
4.1 僵屍對象和野指針
僵屍對象：內存已經被回收的對象。
野指針：指向僵屍對象的指針，向野指針發送消息會導致崩潰。
野指針錯誤形式在Xcode中通常表現為：Thread 1：EXC_BAD_ACCESS，因為你訪問了一塊已經不屬於你的內存。
例子代碼：(沒有出現錯誤的筒子多運行幾遍，因為獲取野指針指向的結果是不確定的)
Dog * dog = [[Dog alloc]init]; NSLog(@"before"); NSLog(@"%s",object_getClassName(dog)); [dog release]; NSLog(@"after"); NSLog(@"%s",object_getClassName(dog));
運行結果：
[15184:5811062] before [15184:5811062] Dog [15184:5811062] after (lldb)
可以看到，當運行到第六行的時候崩潰了，並給出了EXC_BAD_ACCESS的提示。
解決方案：
對象已經被釋放後，應將其指針置為空指針（沒有指向任何對象的指針，給空指針發送消息不會報錯）。
然而在實際開發中實際遇到EXC_BAD_ACCESS錯誤時，往往很難定位到錯誤點，幸好Xcode提供方便的工具給我們來定位及分析錯誤。
1）在product－scheme－edit scheme－diagnostics中將enable zombie objects勾選上，下次再出現這樣的錯誤就可以准確定位了。
運行結果：
[15169:5801945] before [15169:5801945] Dog [15169:5801945] after [15169:5801945] _NSZombie_Dog
可以看到，當運行到第六行時並沒有崩潰，並給出了NSZombie的提示。
2）在Xcode－open developer tool－Instruments打開工具集，選擇Zombies工具可以對已安裝的應用進行僵屍對象檢測。
4.2 循環引用
循環引用是ARC中最常出現的問題，對於可能引發循環引用的一些原因在前一篇文章iOS總結篇：影響控制器正常釋放的常見問題中有提及，大家可以看看。
一般來講循環引用也是可以使用工具來檢測到的，分為兩種：
1）在product－Analyze中使用靜態分析來檢測代碼中可能存在循環引用的問題。
2）在Xcode－open developer tool－Instruments打開工具集，選擇Leaks工具可以對已安裝的應用進行內存洩漏檢測，此工具能檢測靜態分析不會提示，但是到運行時才會出現的內存洩漏問題。
Leaks工具雖然強大，但是它不能檢測到block循環引用導致的內存洩漏，這種情況一般需要自行排查問題（考驗你的基本功時候到了），傻瓜式的方案當然是重寫對象的dealloc方法來監測對象是否正常釋放，來確認沒有形成循環引用。
由於ARC中循環引用出現的幾率相對較大，很多大神或者團隊都提供了很多解決此問題的思路和方法，甚至開發了插件和類庫來幫助開發者更好地檢測問題，有興趣的讀者可以研究一下，是否好用，孰好孰壞就由讀者自行評判了。
4.3 循環中對象占用內存大
這個問題常見於循環次數較大，循環體生成的對象占用內存較大的情景。
例子代碼：我需要10000個演員來打仗
for (int i = 0; i < 10000; i ++) {
Person * soldier = [[Person alloc]init];
[soldier fight];
}該循環內產生大量的臨時對象，直至循環結束才釋放，可能導致內存洩漏，解決方法和上文中提到的自動釋放池常見問題類似：在循環中創建自己的autoReleasePool，及時釋放占用內存大的臨時變量，減少內存占用峰值。
for (int i = 0; i < 10000; i ++) {
@autoreleasepool {
Person * soldier = [[Person alloc]init];
[soldier fight];
}
}然而有時候autoReleasePool也不是萬能的：
例子：假如有2000張圖片，每張1M左右，現在需要獲取所有圖片的尺寸，你會怎麼做？
如果這樣做
for (int i = 0; i < 2000; i ++) {
CGSize size = [UIImage imageNamed:[NSString stringWithFormat:@"%d.jpg",i]].size;
//add size to array
}用imageNamed方法加載圖片占用Cache的內存，autoReleasePool也不能釋放，對此問題需要另外的解決方法，當然保險的當然是雙管齊下了
for (int i = 0; i < 2000; i ++) {
@autoreleasepool {
CGSize size = [UIImage imageWithContentsOfFile:filePath].size;
//add siez to array
}
}4.4 無限循環
這個是比4.3更極端的情況，無論你出於什麼原因，當你啟動了一個無限循環的時候，ARC會默認該方法用不會執行完畢，方法裡面的對象就永不釋放，內存無限上漲，導致內存洩漏。
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");
}
});輸出結果為
[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，當控制器釋放後該循環還在繼續。
對於這類問題解決方案是什麼呢？留給讀者思考吧～ ^_^
提示：解決方法有autoreleasepool、block、timer等等
後記
關於iOS內存管理的知識點很多，如果展開來講，本文涉及的知識點都可以寫成一篇長文，因此，本文只是做一個概述，試圖起到拋磚引玉的作用，幫助iOS開發的初學者更快地理解內存管理。
關於第四點“經典內存洩漏及其解決方案”，將專門寫一篇文章在本文的基礎上詳細介紹（圖文並茂），敬請期待。
