Objective-C中的内存管理及MRC

Posted 2023-02-26 __Sunshine_

本文主要介绍以下几部分：

一、内存管理的概念

1、为什么要管理内存？
因为移动设备的内存极其有限，不回收不再使用的对象和变量会耗费内存使系统崩溃。

2、Objective-C中内存管理的范围：管理任何继承自NSObject的对象。不管理基本数据类型。
因为基本数据类型储存在栈区，由系统管理；而OC对象存储在堆区，其内存不连续，不能自动释放，所以系统不负责管理。所以也可以理解为OC的内存管理就是对 堆区中对象的内存管理。

3、相关术语：
对象所有权：任何可以继续存在的对象都有一个或者多个所有者，任何自己创建（alloc, new或 copy的方式）的对象都归自己所有，也可用retain来获得一个对象的所有权。
对象的引用计数器(reference count)：每个对象都有自己的引用计数器，用来记录对象被引用（不等于被指针指向）的次数，并被系统用来判断对象是否要被回收（唯一的依据）。刚创建时，默认 引用计数器 = 1，当 引用计数器 = 0时，对象被销毁、回收空间（例外：对象值为nil时， 引用计数器 = 0也不回收）。

每个OC对象内部，都有4个字节的存储空间来存储引用计数器。
如何操作引用计数器：

对象的销毁：当某个对象的引用计数器 = 0时，它要被系统销毁、回收所占的内存。
当对象要被销毁时，系统会自动发送一条dealloc消息给对象（等于告诉对象：你要挂了，你还有什么遗言），对象可以直接调用[super dealloc]销毁掉（没遗言了，直接走），但一般会重写dealloc方法（写点遗嘱），来释放相关的资源（一无所有地来，也一无所有地走）。
一旦对象被回收了，就不能再引用它所占据的存储空间了（否则程序崩溃，也称野指针错误）。

内存管理分类：
包括有MRC（Manual Reference Counting，手动管理，ios4.1之前）、ARC（automatic Reference Counting，自动引用计数，iOS4.1之后的新计数，推荐使用）、垃圾回收（garbage collection，iOS不支持）。

实际使用ARC（系统默认），但要理解MRC。

二、 MRC下的内存管理

手动改为MRC模式：

内存管理的原则：
只要还有人引用这个对象（引用计数器 >= 1），对象就不会被回收；
要想引用这个对象，应让引用计数器+1；
不想引用这个对象，应让引用计数器-1；
谁创建（alloc, new, copy），谁release；
谁retain，谁release；
即：有始有终，有增必有减。

内存管理内容：
野指针（僵尸对象），内存泄露

1、单个对象的内存管理

1）防止野指针错误
野指针错误是：访问了一块坏的内存（已经被回收，不可用）。
僵尸对象：所占内存已经被回收的对象，僵尸对象不能再被使用。（为了效率，Xcode默认是不检测僵尸对象）

//开启僵尸对象检测前
#import <Foundation/Foundation.h>
#import "Person.h"
int main(int argc, const char * argv[]) 

    void *p = 0;
    @autoreleasepool 
        Person *per = [Person new];
        NSLog(@"before release, per retainCount:%ld", [per retainCount]);
        [per release];
        NSLog(@"after release, per retainCount:%ld", [per retainCount]);

    
    return 0;

//输出结果：
before release, per retainCount:1
after release, per retainCount:1

开启僵尸检测：

同样是以上代码，开启僵尸对象检测后运行程序则报错：

注意
i：对比：

ii：不能使用[p retain]使僵尸对象起死回生。
Iii:为避免使用僵尸对象，在对象被dealloc销毁之后，原指针赋值为nil：

Person *per = [Person new];
[per release];
per = nil;
NSLog(@"per retainCount:%ld", [per retainCount]);
//输出结果：per retainCount:0

2）防止内存泄露
内存泄露的本质：对象的retainCount不为0，但已经没有指针指向对象，使得对象的retainCount在程序结束后都不能等于0，不能被系统销毁、回收。
引起内存泄露的情况有：
i：retain和release个数不匹配

//  main.m
#import <Foundation/Foundation.h>
#import "Person.h"
int main(int argc, const char * argv[]) 
    void *p = 0;
    @autoreleasepool 
        
        Person *per = [Person new]; //创建对象，retainCount = 1
        [per retain];               //retain 一次，retainCount = 2
        [per retain];               //retain 两次，retainCount = 3
        [per release];              //release 一次，retainCount = 2
        NSLog(@"per retainCount:%ld", per.retainCount);
    
    return 0;

//输出结果：per retainCount:2

程序结束后对象得不到释放，造成内存泄露。

Ii:对象使用的过程中被赋值了nil或者指向其他对象

//  main.m
#import <Foundation/Foundation.h>
#import "Person.h"
int main(int argc, const char * argv[]) 

    void *p = 0;
    @autoreleasepool 
        Person *per = [Person new]; //创建对象，retainCount = 1
        NSLog(@"per retainCount:%ld", per.retainCount);
        //设置对象为nil，实际是让per指向了一个特殊的地址（无效地址）
        per = nil;

        //对nil的release无效，也无法使原对象的retainCount减1
        [per release];
        NSLog(@"per retainCount:%ld", per.retainCount);  
    
    return 0;

//运行结果：
per retainCount:1
per retainCount:0

Iii:在函数或者方法中不当的使用retain或者release造成的内存泄露。
和情况 i 类似。

2、多个对象的内存管理

1）
如例子，有两个类Person类和Car类：

//  Person.h
#import <Foundation/Foundation.h>
#import "Car.h"
@interface Person : NSObject

    Car *_car;              //人拥有一辆车，Car类的实例作为Person的成员变量

-(void)setCar:(Car *)car;   //设置车
-(void)drive;               //开车的行为
@end
//  Person.m
#import "Person.h"
@implementation Person
-(void)setCar:(Car *)car
    _car = car;

-(void)drive
    [_car run];

-(void)dealloc            //重写dealloc方法
    NSLog(@"person dealloc");
    [super dealloc];

@end
//  Car.h
#import <Foundation/Foundation.h>
@interface Car : NSObject
-(void)run;     
@end
//  Car.m
#import "Car.h"
@implementation Car
-(void)run
    NSLog(@"car is running");

-(void)dealloc            //重写dealloc方法
    NSLog(@"car dealloc");
    [super dealloc];

@end
//  main.m
#import <Foundation/Foundation.h>
#import "Person.h"
#import "Car.h"
int main(int argc, const char * argv[]) 

    void *p = 0;
    @autoreleasepool 
        Person *per = [Person new];
        Car *car = [Car new];

        [per setCar:car];   //设置人拥有的车
        [per drive];        //人开车

        [car release];      //车先销毁
        [per release];      //人再销毁
    
    return 0;

//运行结果：
car is running
car dealloc
person dealloc

看似合理，却隐含问题。问题在于在[car release]之后，车已经被销毁，但此时per的成员变量_car仍指向一块被回收的内存（僵尸对象），就成了野指针，若不慎操作，如在[car release]之后又调用了[per drive]，又访问了那块被回收的内存，则引起野指针错误：

[car release];      //车先销毁
[per drive];        //人开车
[per release];      //人再销毁

//运行结果：

所以解决办法是，要让[car release]之后，车的retainCount不为0，这样车就不会被销毁，人还可以开车，做法是在Person类的setCar方法中使得car的retainCount加1，但要注意，既然是Person类给car的retainCount加1，也应由Person类来负责给它减1，而减1的行为可以在Person类的实例被销毁前再完成，即在dealloc中完成。所以Person类的setCar和dealloc方法改写如下：

//  Person.m
-(void)setCar:(Car *)car
    _car = [car retain];    //使car的retainCount加1

-(void)dealloc        
    NSLog(@"person dealloc");
    [_car release];         //使car的retainCount减1
    [super dealloc];

这样就没问题了么？
结合上面单个对象内存泄露的情况，除了进行retain和release操作的个数不相等（在main函数或者其他的方法或函数）外，还可能造成内存泄露的情况是：指针在对象被销毁前指向nil或者其他对象。如：上例中，在car对象被销毁前，又设置了car2对象被person对象作成员，则原car对象得不到释放，造成内存泄露：

        Person *per = [Person new];
        Car *car = [Car new];

        [per setCar:car];   //设置人拥有的车

        [car release];      //车先销毁

        Car *car2 = [Car new];
        [per setCar:car2];

        [car2 release];     //car2被销毁
        [per release];      //人再销毁
//输出结果：
person dealloc
car dealloc   //只有car2被释放，car未被释放

解决方法是：要让Person类的实例的_car指针指向其他Car对象前，先把原指向的对象release，即使刚开始的第一次release消息发给了nil也是合法的。即把setCar函数改写为：

-(void)setCar:(Car *)car
    [_car release];
    _car = [car retain];    //使car的retainCount加1

但此时要注意的问题是：如果已经指向了car对象，之后又再次将car对象作为Person类的setCar的参数，此时要是对car发送了release消息，则car对象已经被销毁，而接着发送retain消息给car对象（也就是刚刚销毁掉的对象，也叫僵尸对象），则又是野指针错误。所以要在发送release给原_car指向的对象前，先判断传进函数的参数car对象与原_car对象是否是同一个对象：

-(void)setCar:(Car *)car
    if (_car != car)           //1、先判断两者是否为同一对象
        [_car release];         //2、如果两者不同，先释放上一个对象
        _car = [car retain];    //3、使形参的retainCount加1
    
    // 如果两者为同一对象，则什么都不做

对其他OC对象，在setter方法中也是要执行以上三步，而对于基本数据类型（系统自动管理其内存），则可以直接将形参赋值给成员变量。

2）@property 参数

Xcode4.4之后，@property 的使用可以：生成一个以“_”开头的属性、生成set和get方法的声明和实现。
在@property中可以添加参数：
格式： @property (参数1，参数2) 数据类型 方法名

可以修改setter、getter的方法名，但一般只用于 BOOL 类型，把getter方法名以“is-”开头。如

@interface Person : NSObject
//修改setter、getter的方法名
@property (nonatomic, assign, setter=setVip:, getter=isVip) BOOL vip;
@end
//  main.m
#import <Foundation/Foundation.h>
#import "Person.h"
    @autoreleasepool 
        Person *per = [Person new];
        [per setVip:YES];           //OK
        per.setVip = YES;           //error!
        NSLog(@"%d", [per isVip]);  //OK
        NSLog(@"%d", per.isVip);    //OK
    
    return 0;

3）@class

i）@class的作用和使用
它可以简单地引用一个类，如在 Person.h 中将 #import “Car.h” 改为

@class Car;
//  Person.h
#import <Foundation/Foundation.h>
@class Car;
@interface Person : NSObject

    Car *_car;              //人拥有一辆车

@end

它的作用是告诉编译器：Car是一个类，没了，不要期望我告诉你关于它的更多信息（比如实例变量和方法）。推荐在类的 .h文件上使用@class。
但要记得在 Person.m 文件中使用 #import “Car.h” ，否则不能使用 Car类的实例变量。
经在Xcode6.1上测试，如果没#import “Car.h”也可以使用Car类的方法：

ii）为什么要用@class
可以通过对比这两种引用一个类的方法来说明@class的优势：

特别是对于循环依赖关系来说，@class 有着 #import 所没有的优势：
如当Person类的对象per有一辆car，所以需要引用Car类；Car类的对象car需要有一位person作为主人owner，所以需要引用Person类。所以这两个对象的关系如图：

此时只能用 @class 引用类，否则(用 #import)则编译报错。

4）循环retain问题
在上面循环依赖这类情况，

//  Person.h
#import <Foundation/Foundation.h>
@class Car;
@interface Person : NSObject
@property (nonatomic, retain) Car *car;     //使用了retain
-(void)setCar:(Car *)car;   //设置车
-(void)drive;               //开车的行为
@end
//  Car.h
#import <Foundation/Foundation.h>
@class Person;
@interface Car : NSObject
@property (nonatomic, retain) Person *owner;    //使用了retain
-(void)run;
@end
//  main.m
#import <Foundation/Foundation.h>
#import "Person.h"
#import "Car.h"
int main(int argc, const char * argv[]) 
    @autoreleasepool 
        Person *per = [Person new];
        Car *car = [Car new];

        per.car = car;      //互相设置成员变量
        car.owner = per;

        [per drive];
        [car release];      //各自release
        [per release];
        NSLog(@"per.retainCount = %ld, car.retainCount = %ld", per.retainCount, car.retainCount);
    
    return 0;

//运行结果：
car is running
per.retainCount = 1, car.retainCount = 1

所以知道程序结束，两个对象的 retainCount 仍不为0，都得不到释放，造成内存泄露。示意图如下：

解决办法：两端互相引用时，一端用 retain ，一端用 assign （注意：在setter中使用assign，就不用在dealloc中release了）：

3、NSString类的内存管理

看一下代码及输出：

NSString *str_1 = @"a";
NSString *str_2 = [NSString stringWithString:str_1];
NSString *str_3 = [NSString stringWithFormat:@"c"];
NSString *str_4 = [[NSString alloc] initWithString:@"d"];
NSString *str_5 = [[NSString alloc] initWithFormat:@"e"];
NSString *str_6 = [[NSString alloc] init];

NSLog(@"str_1 : %p ,      retainCount : %ld", str_1, [str_1 retainCount]);
NSLog(@"str_2 : %p ,      retainCount : %ld", str_2, [str_2 retainCount]);
NSLog(@"str_3 : %p ,      retainCount : %ld", str_3, [str_3 retainCount]);
NSLog(@"str_4 : %p ,      retainCount : %ld", str_4, [str_4 retainCount]);
NSLog(@"str_5 : %p ,      retainCount : %ld", str_5, [str_5 retainCount]);
NSLog(@"str_6 : %p ,      retainCount : %ld", str_6, [str_6 retainCount]);
//输出结果：
str_1 : 0x1000020a0 ,      retainCount : -1
str_2 : 0x1000020a0 ,      retainCount : -1
str_3 : 0x6315 ,      retainCount : -1
str_4 : 0x1000020e0 ,      retainCount : -1
str_5 : 0x6515 ,      retainCount : -1
str_6 : 0x7fff7651bd00 ,      retainCount : -1

由输出的地址可以看出，str_1、str_2、str_4都是存储在常量内存区，而str_6存储在栈区，而对所有的NSString对象发送retainCount信息都是无意义的，可能因为系统对NSString类的对象有特殊的处理，不需要我们对它们进行内存管理。

4、自动释放池及autorelease

自动释放池是在程序运行过程中创建的、以栈结构（先进后出）存在的
与Java的全自动化GC不同，自动释放池是半自动化的管理机制。

在iOS5.0之前是创建和释放的：

NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
[pool release];     //[pool drain]; mac上

而iOS5.0之后是：

@autoreleasepool //创建
…
//销毁

Autorelease

可以在自动释放池内使用autorelease，作用是暂时保存某个对象，然后在自动释放池销毁的时候对每个对象发送release消息（注意只是发送release消息，能不能销毁对象得看对象的retainCount是否为0）。使用的好处：确保对象能正确释放、又能返回有效的对象，而且使用者不需要再关心调用release的时间、对象被释放的时间

1）autorelease的基本用法
如：

int main(int argc, const char * argv[]) 
    @autoreleasepool                                     //自动释放池开始创建
        Person *per = [[[Person alloc] init] autorelease];//1、把新创建的对象放到自动释放池，并返回对象本身给per
                                                         //2、对象的计数器不受影响，per.retainCount = 1
     // 3、自动释放池被销毁时，发送release给per对象，相当调用[per release]，此时per.retainCount = 0，per对象被释放
    return 0;

2）autorelease的原理
autorelease只是延迟了对 release 的调用。每个对象调用 autorelease 方法的时候，系统只是把该对象放入当前的自动释放池，当释放池要销毁的时候，池中所有的对象都被调用了 release 方法。

3）autorelease使用注意：
i: 要把对象放进自动释放池，要在autoreleasepool中、显式地调用 autorelease ，两者缺一不可。至于对象的创建，无论是在释放池内还是外创建的都没关系。

ii: 自动释放池可以嵌套使用。但对于一个对象，在每个释放池只能放进一次（即只调用一次 autorelease 方法，若不慎调用多次，不报错，也只放进一次），若要在不同的释放池，则在不同的释放池各调用一次 autorelease，而且放进的是当前的自动释放池栈顶的释放池：

int main(int argc, const char * argv[]) 
    @autoreleasepool  //pool_1
        Person *per = [[Person alloc] init];//创建对象，per.retainCount = 1
        @autoreleasepool  //pool_2
            @autoreleasepool  //pool_3
                [per retain];           //per.retainCount = 2
                [per autorelease];      //放进第二个释放池，per.retainCount = 2
                NSLog(@"per.retainCount = %ld", per.retainCount);
             //pool_1销毁，调用[per release]一次，per.retainCount = 1
         //pool_2销毁，但因对象per没放进pool_2，不发送release消息给对象per
    //pool_3销毁，调用[per release]一次，per.retainCount = 0，调用[per dealloc]把对象销毁
    return 0;

iii: 自动释放池中不适合放进占用内存比较大的对象或者大量循环操作。
因为延迟释放机制，要是放进大内存的对象或大量循环，则会造成内存峰值的上升。

4）autorelease 的应用：
经常用来在类方法中快速创建一个对象：

//  Person.h
#import <Foundation/Foundation.h>
@interface Person : NSObject
+(Person *)person;                              //声明类方法person
@end

//  Person.m
#import "Person.h"
@implementation Person
+(Person *)person                              //实现类方法person
    return [[[Person alloc] init] autorelease]; //创建新对象、初始化、放进释放池，返回对象本身

@end

//  main.m
#import <Foundation/Foundation.h>
#import "Person.h"
int main(int argc, const char * argv[]) 
    @autoreleasepool 
        Person *per2 = [Person person];         //调用类方法person，得到一个已经放进释放池的对象
        return 0;

注意这种情况要在释放池内部调用类方法person，否则不能放进释放池。

但上面的快速创建对象是有缺陷的。我们先看下类方法new、alloc的返回值

//Allocates a new instance of the receiving class, sends it an init message, and returns the initialized object.
+ (instancetype)new;    
//Returns a new instance of the receiving class.
+ (instancetype)alloc;  

它们都是NSObject的类方法，返回值类型都是instancetype，在方法中返回的是与接收信息的类相同类型的新对象，使得继承自NSObject类的类在调用这两个类方法后都能得到与自己类型相同的对象。而上面Person类创建了快速创建对象的类方法person，若它的子类（如Student类）也要快速创建对象，只能再次创建个类方法student，否则调用[Student person]只能返回一个Person类型的对象，无法使用Student类特有的属性和方法。所以要将上面的类方法修改如下：

+(instancetype)person                              //实现类方法person，返回值类型为instancetype
    return [[[self alloc] init] autorelease];       //创建新对象、初始化、放进释放池，返回对象本身

注意返回值类型instancetype不能改为id，因为id不进行类型检测，instancetype要更安全。

小结：