Objective-C中的引用计数

Posted 2020-06-17

 导言

Objective-C语言使用引用计数来管理内存，也就是说，每个对象都有个可以递增或递减的计数器。如果想使某个对象继续存活，那就递增其引用计数；用完了之后，就递减其计数。计数为0，就表示没人关注此对象了，于是，就可以把它销毁。

从Mac OS X 10.8开始，“垃圾收集器”（garbage collector）已经正式废弃了，以Objective-C代码编写Mac OS X程序时不应再使用它，而ios则从未支持过垃圾收集。因此，掌握引用计数机制对于学好Objective-C来说十分重要。Mac OS X程序已经不能再依赖垃圾收集器了，而iOS系统不支持此功能，将来也不会支持。

已经用过ARC的人可能会知道：所有与引用计数有关的方法都无法编译，然而现在先暂时忘掉这件事。那些方法确实无法用在ARC中，不过本文就是要从Objective-C的角度讲解引用计数，而ARC实际上也是一种引用计数机制，所以，还是要谈谈这些在开启ARC功能时不能直接调用的方法。

工作原理

在引用计数架构下，对象有个计数器，用以表示当前有多少个事物想令此对象继续存活下去。这在Objective-C中叫做“保留计数”（retain count），不过也可以叫“引用计数”（reference count）。NSObject协议声明了下面三个方法用于操作计数器，以递增或递减其值：

1）retain 递增保留计数。

2）release 递减保留计数。

3）autorelease 待稍后清理“自动释放池”（autorelease pool）时，再递减保留计数。

 

上图是对象创建及保留计数操作的效果图。

 

上图对象图中，ObjectB与ObjectC都引用了ObjectA。若ObjectB与ObjectC都不再使用ObjectA，则其保留计数降为0，于是便可摧毁了。还有其他对象想令ObjectB与ObjectC继续存活，而应用程序里又有另外一些对象想令那些对象继续存活。如果按“引用树”回溯，那么最终会发现一个“根对象”（root object）。在Mac OS X应用程序中，此对象是NSApplication对象；而在iOS应用程序中，则是UIApplication对象。两者都是应用程序启动时创建的单例。

下面这段代码有助于理解这些方法的用法：

NSMutableArray *array = [[NSMutableArray alloc] init];
NSNumber *number = [[NSNumber alloc] initWithInt:1337];
[array addObject:number];
[number release];
//do something with ‘array‘

[array release];

由于代码中直接调用了release方法，所以在ARC下无法编译。在Objective-C中，调用alloc方法所返回的对象由调用者所拥有。也就是说，调用者已通过alloc方法表达了想令该对象继续存活下去的意愿。不过，这并不是说对象此时的保留计数就是1。在alloc或“initWithInt:”方法的代码实现中，也许还有其他对象也保留了此对象。绝不能说保留计数一定是某个值，只能说你所执行的操作的递增了该计数还是递减了该计数。

创建完数组后，把number对象加入其中。调用数组的“addObject:”方法时，数组也会在number上调用retain方法，以期继续保留此对象。这时，保留计数至少为2。接下来，代码不再需要number对象了，于是将其释放。现在的保留计数至少为1。这样就不能照常使用number变量了。调用release之后，已经无法保证所指的对象仍然存活。当然，根据本例中的代码，我们显然知道number对象在调用了release之后仍然存活，因为数组还在引用着它。然而绝不应该假设此对象一定存活，也就是说，不要像下面这样子编写代码：

NSNumber *number = [[NSNumber alloc] initWithInt:1337];
[array addObject:number];
[number release];
NSLog(@"number = %@", number);

即便上述代码在本例中可以正常执行，也仍然不是个好办法。如果调用release之后，基于某些原因，其保留计数降至为0，那么number对象所占内存也许会回收，这样的话，再调用NSLog可能就将使程序崩溃了。为什么是“可能”，因为对象所占的内存在“解除分配”（deallocated）之后，只是放回“可用内存池”（avaiable pool）。如果执行NSLog时还尚未覆写对象内存，那么该对象仍然有效，这是程序不会崩溃。故，因过早释放对象而导致的bug很难调试。

为避免在不经意间使用了无效对象，一般调用完release之后都会清空指针。这就能保证不会出现可能指向无效对象的指针，这种指针通常称为“悬挂指针”（dangling pointer）。例如，可以这样编写代码来防止此情况发生：

NSNumber *number = [[NSNumber alloc] initWithInt:1337];
[array addObject:number];
[number release];
number = nil;

属性存取方法中的内存管理

如前所述，对象图由相互关联的对象所构成。刚才那个例子中的数组通过在其元素上调用retain方法来保留那些对象。不光数组，其他对象也可以保留别的对象，这一般通过访问“属性”来实现，而访问属性时，会用到相关实例变量的获取方法和设置方法。若属性为“strong关系”（strong relationship），则设置的属性值会保留。比方说，有个名叫foo的属性由名为_foo的实例变量所实现，那么，该属性的设置方法会是这样：

-(void)setFoo:(id)foo {
         [foo retain];
         [_foo release];
         _foo = foo;
}

此方法将保留新值并释放旧值，然后更新实例变量，令其指向新值。顺序很重要。假如还未保留新值就先把旧值释放了，而两个值又指向同一个对象，那么，先执行release操作就可能导致系统将此对象永久回收。而后续的retain操作则无法令这个已经彻底回收的对象复生，于是实例变量就成了悬挂指针。

自动释放池

在Objective-C的引用计数架构中，自动释放池是一项重要特性。调用release会立刻递减对象的保留计数（而且还可能令系统回收此对象），然而有时候可以不调用它，改为调用autorelease，此方法会在稍后递减计数，通常是在下一次“事件循环”（event loop）时递减，不过也可能执行得更早些。 

此特性很有用，尤其是在方法中返回对象时更应该用它。在这种情况下，我们并总是想令方法调用者手工保留其值。比方说，有下面这个方法：

-(NSString *)stringValue {
         NSString *str = [[NSString alloc] initWithFormat:@"I am this: %@", self];
         return str;
}

此时返回的str对象其保留计数比期望值要多1，因为调用者alloc会令保留计数加1，而又没有与之对应的释放操作。保留计数多1，就意味着调用者要负责处理多出来的这一次保留操作。必须设法将其抵消。这并不是说保留计数本身就一定是1，它可能大于1，不过那取决于“initWithFormat:”方法内的实现细节。你要考虑的是如何将多出来的这一次保留操作抵消掉。但是，不能在方法呢你释放str，否则还没等方法返回，系统就把该对象回收了。这里应该用autorelease，它会在稍后释放对象，从而给调用者留下了足够长的时间，使其可以在需要时先保留返回值。换句话说，此方法可以保证对象在跨越“方法调用边界”（method call boundary）后一定存活。实际上，释放操作会在清空最外层的自动释放池时执行，除非你有自己的自动释放池，否则这个时机指的就是当前线程的下一次事件循环。改写stringValue方法，使用autorelease来释放对象：

-(NSString *)stringValue {
         NSString *str = [[NSString alloc] initWithFormat:@"I am this: %@", self];
         return [str autorelease];
}

修改之后，stringValue方法把NSString对象返回给调用者，此对象必然存活。所以我们能够如此使用它：

NSString *str = [self stringValue];
NSLog(@"The string is: %@", str);

由于返回的str对象将于稍后自动释放，所以多出来的那一次保留操作时自然就会抵消，无须再执行内存管理操作。因为自动释放池中的释放操作要等到下一次事件循环时才会执行，所以NSLog语句在使用str对象前不需要手工执行保留操作。但是，假如要持有此对象的话（比如将其设置给实例变量），那就需要保留，并于稍后释放：

_instanceVariable = [[self stringValue] retain];
//...

[_instaceVariable release];

由此可见，autorelease能延长对象生命期，使其在跨越方法调用边界后依然可以存活一段时间。

保留环

使用引用计数机制时，经常要注意的一个问题就是“保留环”（retain cycle），也就是呈环状相互引用的多个对象。这将导致内存泄露，因为循环中的对象其保留计数不会降为0。对于循环中的每个对象来说，至少还有另外一个对象引用着它。

 

如上图，在这个循环里，所以对象的保留计数都是1。在垃圾收集环境中，通常将这种情况认定为“孤岛”（island of isolation）。此时，垃圾收集器会把三个对象全部回收。而在Objective-C的引用计数架构中，则享受不到这一便利。通常采用“弱引用”（weak reference）来解决此问题，或是从外界命令循环中的某个对象不再保留另外一个对象。这两种办法都能打破保留环，从而避免内存泄露。 

小结

引用计数机制通过可以递增递减的计数器来管理内存。对象创建好之后，其保留计数至少为1。若保留计数为正，则对象继续存活。当保留计数降为0时，对象就被销毁。

在对象生命周期中，其余对象通过引用来保留或释放此对象。保留与释放操作分别会递增及递减保留计数。