遠古時代的故事

那些經(jīng)歷過手工管理內(nèi)存(MRC)時代的人們，一定對 iOS 開發(fā)中的內(nèi)存管理記憶猶新。那個時候大約是 2010 年，國內(nèi) iOS 開發(fā)剛剛興起，tinyfool 大叔的大名已經(jīng)如雷貫耳，而我還是一個默默無聞的剛畢業(yè)的小子。那個時候的 iOS 開發(fā)過程是這樣的：

我們先寫好一段 iOS 的代碼，然后屏住呼吸，開始運行它，不出所料，它崩潰了。在 MRC 時代，即使是最牛逼的 iOS 開發(fā)者，也不能保證一次性就寫出完美的內(nèi)存管理代碼。于是，我們開始一步一步調(diào)試，試著打印出每個懷疑對象的引用計數(shù)(Retain Count)，然后，我們小心翼翼地插入合理的 retain 和 release 代碼。經(jīng)過一次又一次的應用崩潰和調(diào)試，終于有一次，應用能夠正常運行了!于是我們長舒一口氣，露出久違的微笑。

是的，這就是那個年代的 iOS 開發(fā)者，通常情況下，我們在開發(fā)完一個功能后，需要再花好幾個小時，才能把引用計數(shù)管理好。

蘋果在 2011 年的時候，在 WWDC 大會上提出了自動的引用計數(shù)(ARC)。ARC 背后的原理是依賴編譯器的靜態(tài)分析能力，通過在編譯時找出合理的插入引用計數(shù)管理代碼，從而徹底解放程序員。

在 ARC 剛剛出來的時候，業(yè)界對此黑科技充滿了懷疑和觀望，加上現(xiàn)有的 MRC 代碼要做遷移本來也需要額外的成本，所以 ARC 并沒有被很快接受。直到 2013 年左右，蘋果認為 ARC 技術足夠成熟，直接將 macOS(當時叫 OS X)上的垃圾回收機制廢棄，從而使得 ARC 迅速被接受。

2014 年的 WWDC 大會上，蘋果推出了 Swift 語言，而該語言仍然使用 ARC 技術，作為其內(nèi)存管理方式。

為什么我要提這段歷史呢?就是因為現(xiàn)在的 iOS 開發(fā)者實在太舒服了，大部分時候，他們根本都不用關心程序的內(nèi)存管理行為。但是，雖然 ARC 幫我們解決了引用計數(shù)的大部分問題，一些年輕的 iOS 開發(fā)者仍然會做不好內(nèi)存管理工作。他們甚至不能理解常見的循環(huán)引用問題，而這些問題會導致內(nèi)存泄漏，最終使得應用運行緩慢或者被系統(tǒng)終止進程。

所以，我們每一個 iOS 開發(fā)者，需要理解引用計數(shù)這種內(nèi)存管理方式，只有這樣，才能處理好內(nèi)存管理相關的問題。

什么是引用計數(shù)

引用計數(shù)(Reference Count)是一個簡單而有效的管理對象生命周期的方式。當我們創(chuàng)建一個新對象的時候，它的引用計數(shù)為 1，當有一個新的指針指向這個對象時，我們將其引用計數(shù)加 1，當某個指針不再指向這個對象是，我們將其引用計數(shù)減 1，當對象的引用計數(shù)變?yōu)?0 時，說明這個對象不再被任何指針指向了，這個時候我們就可以將對象銷毀，回收內(nèi)存。由于引用計數(shù)簡單有效，除了 Objective-C 和 Swift 語言外，微軟的 COM(Component Object Model )、C++11(C++11 提供了基于引用計數(shù)的智能指針 share_prt)等語言也提供了基于引用計數(shù)的內(nèi)存管理方式。 

 

 

 

為了更形象一些，我們再來看一段 Objective-C 的代碼。新建一個工程，因為現(xiàn)在默認的工程都開啟了自動的引用計數(shù) ARC(Automatic Reference Count)，我們先修改工程設置，給 AppDelegate.m 加上 -fno-objc-arc 的編譯參數(shù)(如下圖所示)，這個參數(shù)可以啟用手工管理引用計數(shù)的模式。 

 

 

 

然后，我們在中輸入如下代碼，可以通過 Log 看到相應的引用計數(shù)的變化。

- (BOOL)application:(UIApplication *)application  
       didFinishLaunchingWithOptions:(NSDictionary *)launchOptions 
{     
    NSObject *object = [[NSObject alloc] init];     
    NSLog(@"Reference Count = %u", [object retainCount]); 
    NSObject *another = [object retain]; 
    NSLog(@"Reference Count = %u", [object retainCount]); 
    [another release]; 
    NSLog(@"Reference Count = %u", [object retainCount]); 
    [object release];    // 到這里時，object 的內(nèi)存被釋放了 
    return YES; 
}  

運行結(jié)果：

Reference Count = 1 
Reference Count = 2 
Reference Count = 1  

對 Linux 文件系統(tǒng)比較了解的同學可能發(fā)現(xiàn)，引用計數(shù)的這種管理方式類似于文件系統(tǒng)里面的硬鏈接。在 Linux 文件系統(tǒng)中，我們用 ln 命令可以創(chuàng)建一個硬鏈接(相當于我們這里的 retain)，當刪除一個文件時(相當于我們這里的 release)，系統(tǒng)調(diào)用會檢查文件的 link count 值，如果大于 1，則不會回收文件所占用的磁盤區(qū)域。直到最后一次刪除前，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn) link count 值為 1，則系統(tǒng)才會執(zhí)行直正的刪除操作，把文件所占用的磁盤區(qū)域標記成未用。

我們?yōu)槭裁葱枰糜嫈?shù)

從上面那個簡單的例子中，我們還看不出來引用計數(shù)真正的用處。因為該對象的生命期只是在一個函數(shù)內(nèi)，所以在真實的應用場景下，我們在函數(shù)內(nèi)使用一個臨時的對象，通常是不需要修改它的引用計數(shù)的，只需要在函數(shù)返回前將該對象銷毀即可。

引用計數(shù)真正派上用場的場景是在面向?qū)ο蟮某绦蛟O計架構(gòu)中，用于對象之間傳遞和共享數(shù)據(jù)。我們舉一個具體的例子：

假如對象 A 生成了一個對象 M，需要調(diào)用對象 B 的某一個方法，將對象 M 作為參數(shù)傳遞過去。在沒有引用計數(shù)的情況下，一般內(nèi)存管理的原則是 “誰申請誰釋放”，那么對象 A 就需要在對象 B 不再需要對象 M 的時候，將對象 M 銷毀。但對象 B 可能只是臨時用一下對象 M，也可能覺得對象 M 很重要，將它設置成自己的一個成員變量，那這種情況下，什么時候銷毀對象 M 就成了一個難題。 

 

 

 

對于這種情況，有一個暴力的做法，就是對象 A 在調(diào)用完對象 B 之后，馬上就銷毀參數(shù)對象 M，然后對象 B 需要將參數(shù)另外復制一份，生成另一個對象 M2，然后自己管理對象 M2 的生命期。但是這種做法有一個很大的問題，就是它帶來了更多的內(nèi)存申請、復制、釋放的工作。本來一個可以復用的對象，因為不方便管理它的生命期，就簡單的把它銷毀，又重新構(gòu)造一份一樣的，實在太影響性能。如下圖所示： 

 

 

我們另外還有一種辦法，就是對象 A 在構(gòu)造完對象 M 之后，始終不銷毀對象 M，由對象 B 來完成對象 M 的銷毀工作。如果對象 B 需要長時間使用對象 M，它就不銷毀它，如果只是臨時用一下，則可以用完后馬上銷毀。這種做法看似很好地解決了對象復制的問題，但是它強烈依賴于 AB 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，由于對象 M 的申請是在對象 A 中，釋放在對象 B 中，使得它的內(nèi)存管理代碼分散在不同對象中，管理起來也非常費勁。如果這個時候情況再復雜一些，例如對象 B 需要再向?qū)ο?C 傳遞對象 M，那么這個對象在對象 C 中又不能讓對象 C 管理。所以這種方式帶來的復雜性更大，更不可取。 

 

 

 

所以引用計數(shù)很好的解決了這個問題，在參數(shù) M 的傳遞過程中，哪些對象需要長時間使用這個對象，就把它的引用計數(shù)加 1，使用完了之后再把引用計數(shù)減 1。所有對象都遵守這個規(guī)則的話，對象的生命期管理就可以完全交給引用計數(shù)了。我們也可以很方便地享受到共享對象帶來的好處。

不要向已經(jīng)釋放的對象發(fā)送消息

有些同學想測試當對象釋放時，其 retainCount 是否變成了 0，他們的試驗代碼如下：

- (BOOL)application:(UIApplication *)application didFinishLaunchingWithOptions:(NSDictionary *)launchOptions 
{    NSObject *object = [[NSObject alloc] init];    NSLog(@"Reference Count = %u", [object retainCount]); 
    [object release];    NSLog(@"Reference Count = %u", [object retainCount]);    return YES; 
}  

但是，如果你真的這么實驗，你得到的輸出結(jié)果可能是以下這樣：

Reference Count = 1 
Reference Count = 1  

我們注意到，最后一次輸出，引用計數(shù)并沒有變成 0。這是為什么呢?因為該對象的內(nèi)存已經(jīng)被回收，而我們向一個已經(jīng)被回收的對象發(fā)了一個 retainCount 消息，所以它的輸出結(jié)果應該是不確定的，如果該對象所占的內(nèi)存被復用了，那么就有可能造成程序異常崩潰。

那為什么在這個對象被回收之后，這個不確定的值是 1 而不是 0 呢?這是因為當最后一次執(zhí)行 release 時，系統(tǒng)知道馬上就要回收內(nèi)存了，就沒有必要再將 retainCount 減 1 了，因為不管減不減 1，該對象都肯定會被回收，而對象被回收后，它的所有的內(nèi)存區(qū)域，包括 retainCount 值也變得沒有意義。不將這個值從 1 變成 0，可以減少一次內(nèi)存的寫操作，加速對象的回收。

拿我們之前提到的 Linux 文件系統(tǒng)舉列，Linux 文件系統(tǒng)下刪除一個文件，也不是真正的將文件的磁盤區(qū)域進行抹除操作，而只是刪除該文件的索引節(jié)點號。這也和引用計數(shù)的內(nèi)存回收方式類似，即回收時只做標記，并不抹除相關的數(shù)據(jù)。

ARC 下的內(nèi)存管理問題

ARC 能夠解決 iOS 開發(fā)中 90% 的內(nèi)存管理問題，但是另外還有 10% 內(nèi)存管理，是需要開發(fā)者自己處理的，這主要就是與底層 Core Foundation 對象交互的那部分，底層的 Core Foundation 對象由于不在 ARC 的管理下，所以需要自己維護這些對象的引用計數(shù)。

對于 ARC 盲目依賴的 iOS 新人們，由于不知道引用計數(shù)，他們的問題主要體現(xiàn)在：

1. 過度使用 block 之后，無法解決循環(huán)引用問題。
2. 遇到底層 Core Foundation 對象，需要自己手工管理它們的引用計數(shù)時，顯得一籌莫展。

循環(huán)引用(Reference Cycle)問題

引用計數(shù)這種管理內(nèi)存的方式雖然很簡單，但是有一個比較大的瑕疵，即它不能很好的解決循環(huán)引用問題。如下圖所示：對象 A 和對象 B，相互引用了對方作為自己的成員變量，只有當自己銷毀時，才會將成員變量的引用計數(shù)減 1。因為對象 A 的銷毀依賴于對象 B 銷毀，而對象 B 的銷毀與依賴于對象 A 的銷毀，這樣就造成了我們稱之為循環(huán)引用(Reference Cycle)的問題，這兩個對象即使在外界已經(jīng)沒有任何指針能夠訪問到它們了，它們也無法被釋放。 

 

 

 

不止兩對象存在循環(huán)引用問題，多個對象依次持有對方，形式一個環(huán)狀，也可以造成循環(huán)引用問題，而且在真實編程環(huán)境中，環(huán)越大就越難被發(fā)現(xiàn)。下圖是 4 個對象形成的循環(huán)引用問題。 

 

 

 

解決循環(huán)引用問題主要有兩個辦法，第一個辦法是我明確知道這里會存在循環(huán)引用，在合理的位置主動斷開環(huán)中的一個引用，使得對象得以回收。如下圖所示： 

 

 

 

主動斷開循環(huán)引用這種方式常見于各種與 block 相關的代碼邏輯中。例如在我們公司開源的 YTKNetwork 網(wǎng)絡庫中，網(wǎng)絡請求的回調(diào) block 是被持有的，但是如果這個 block 中又存在對于 View Controller 的引用，就很容易產(chǎn)生從循環(huán)引用，因為：

• Controller 持有了網(wǎng)絡請求對象
• 網(wǎng)絡請求對象持有了回調(diào)的 block
• 回調(diào)的 block 里面使用了 self，所以持有了 Controller

解決辦法就是，在網(wǎng)絡請求結(jié)束后，網(wǎng)絡請求對象執(zhí)行完 block 之后，主動釋放對于 block 的持有，以便打破循環(huán)引用。相關的代碼見：

// https://github.com/yuantiku/YTKNetwork/blob/master/YTKNetwork/YTKBaseRequest.m 
// 第 147 行： 
- (void)clearCompletionBlock { 
    // 主動釋放掉對于 block 的引用 
    self.successCompletionBlock = nil; 
    self.failureCompletionBlock = nil; 
}  

不過，主動斷開循環(huán)引用這種操作依賴于程序員自己手工顯式地控制，相當于回到了以前 “誰申請誰釋放” 的內(nèi)存管理年代，它依賴于程序員自己有能力發(fā)現(xiàn)循環(huán)引用并且知道在什么時機斷開循環(huán)引用回收內(nèi)存(這通常與具體的業(yè)務邏輯相關)，所以這種解決方法并不常用，更常見的辦法是使用弱引用 (weak reference) 的辦法。

弱引用雖然持有對象，但是并不增加引用計數(shù)，這樣就避免了循環(huán)引用的產(chǎn)生。在 iOS 開發(fā)中，弱引用通常在 delegate 模式中使用。舉個例子來說，兩個 ViewController A 和 B，ViewController A 需要彈出 ViewController B，讓用戶輸入一些內(nèi)容，當用戶輸入完成后，ViewController B 需要將內(nèi)容返回給 ViewController A。這個時候，View Controller 的 delegate 成員變量通常是一個弱引用，以避免兩個 ViewController 相互引用對方造成循環(huán)引用問題，如下所示： 

 

 

 

 

使用 Xcode 檢測循環(huán)引用

Xcode 的 Instruments 工具集可以很方便的檢測循環(huán)引用。為了測試效果，我們在一個測試用的 ViewController 中填入以下代碼，該代碼中的 firstArray 和 secondArray 相互引用了對方，構(gòu)成了循環(huán)引用。

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

在 Xcode 的菜單欄選擇：Product -> Profile，然后選擇 “Leaks”，再點擊右下角的”Profile” 按鈕開始檢測。如下圖 

 

 

 

這個時候 iOS 模擬器會運行起來，我們在模擬器里進行一些界面的切換操作。稍等幾秒鐘，就可以看到 Instruments 檢測到了我們的這次循環(huán)引用。Instruments 中會用一條紅色的條來表示一次內(nèi)存泄漏的產(chǎn)生。如下圖所示： 

 

 

我們可以切換到 Leaks 這欄，點擊”Cycles & Roots”，就可以看到以圖形方式顯示出來的循環(huán)引用。這樣我們就可以非常方便地找到循環(huán)引用的對象了。 

 

 

 

Core Foundation 對象的內(nèi)存管理

下面我們就來簡單介紹一下對底層 Core Foundation 對象的內(nèi)存管理。底層的 Core Foundation 對象，在創(chuàng)建時大多以 XxxCreateWithXxx 這樣的方式創(chuàng)建，例如：

// 創(chuàng)建一個 CFStringRef 對象 
CFStringRef str= CFStringCreateWithCString(kCFAllocatorDefault, “hello world", kCFStringEncodingUTF8); 
 
// 創(chuàng)建一個 CTFontRef 對象 
CTFontRef fontRef = CTFontCreateWithName((CFStringRef)@"ArialMT", fontSize, NULL);  

對于這些對象的引用計數(shù)的修改，要相應的使用 CFRetain 和 CFRelease 方法。如下所示：

// 創(chuàng)建一個 CTFontRef 對象 
CTFontRef fontRef = CTFontCreateWithName((CFStringRef)@"ArialMT", fontSize, NULL); 
 
// 引用計數(shù)加 1 
CFRetain(fontRef); 
// 引用計數(shù)減 1 
CFRelease(fontRef);  

對于 CFRetain 和 CFRelease 兩個方法，讀者可以直觀地認為，這與 Objective-C 對象的 retain 和 release 方法等價。

所以對于底層 Core Foundation 對象，我們只需要延續(xù)以前手工管理引用計數(shù)的辦法即可。

除此之外，還有另外一個問題需要解決。在 ARC 下，我們有時需要將一個 Core Foundation 對象轉(zhuǎn)換成一個 Objective-C 對象，這個時候我們需要告訴編譯器，轉(zhuǎn)換過程中的引用計數(shù)需要做如何的調(diào)整。這就引入了bridge相關的關鍵字，以下是這些關鍵字的說明：

• __bridge: 只做類型轉(zhuǎn)換，不修改相關對象的引用計數(shù)，原來的 Core Foundation 對象在不用時，需要調(diào)用 CFRelease 方法。
• __bridge_retained：類型轉(zhuǎn)換后，將相關對象的引用計數(shù)加 1，原來的 Core Foundation 對象在不用時，需要調(diào)用 CFRelease 方法。
• __bridge_transfer：類型轉(zhuǎn)換后，將該對象的引用計數(shù)交給 ARC 管理，Core Foundation 對象在不用時，不再需要調(diào)用 CFRelease 方法。

我們根據(jù)具體的業(yè)務邏輯，合理使用上面的 3 種轉(zhuǎn)換關鍵字，就可以解決 Core Foundation 對象與 Objective-C 對象相對轉(zhuǎn)換的問題了。

總結(jié)

在 ARC 的幫助下，iOS 開發(fā)者的內(nèi)存管理工作已經(jīng)被大大減輕，但是我們?nèi)匀恍枰斫庖糜嫈?shù)這種內(nèi)存管理方式的優(yōu)點和常見問題，特別要注意解決循環(huán)引用問題。對于循環(huán)引用問題有兩種主要的解決辦法，一是主動斷開循環(huán)引用，二是使用弱引用的方式避免循環(huán)引用。對于 Core Foundation 對象，由于不在 ARC 管理之下，我們?nèi)匀恍枰永m(xù)以前手工管理引用計數(shù)的辦法。

在調(diào)試內(nèi)存問題時，Instruments 工具可以很好地對我們進行輔助，善用 Instruments 可以節(jié)省我們大量的調(diào)試時間。

愿每一個 iOS 開發(fā)者都可以掌握 iOS 的內(nèi)存管理技能。