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iOS内存管理（MRC、ARC）深入浅出

百家作者：iOS开发 2018-04-07 15:10:23

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内存管理方式

首先明确一点，无论在MRC还是ARC情况下，Objective-C采用的是引用计数式的内存管理方式，这一方式的特点：

自己生成的对象，自己持有。例如：NSObject * __strong obj = [[NSObject alloc]init];。
非自己生成的对象，自己也能持有。例如：NSMutableArray * __strong array = [NSMutableArray array];。
不再需要自己持有对象时释放。
无法释放非自己持有的对象。

对象操作	Objective-C方法
生成并持有对象	alloc/new/copy/mutableCopy等方法
持有对象	retain方法
释放对象	release方法
废弃对象	dealloc方法

自己生成的对象，自己持有

在iOS内存管理中有四个关键字，alloc、new、copy、mutableCopy，自身使用这些关键字产生对象,那么自身就持有了对象

// 使用了alloc分配了内存，obj指向了对象，该对象本身引用计数为1,不需要retain
id obj = [[NSObject alloc] init];

// 使用了new分配了内存,objc指向了对象，该对象本身引用计数为1，不需要retain
id obj = [NSObject new];

非自己生成的对象，自己也能持有

// NSMutableArray通过类方法array产生了对象(并没有使用alloc、new、copy、mutableCopt来产生对象),因此该对象不属于obj自身产生的
// 因此，需要使用retain方法让对象计数器+1,从而obj可以持有该对象(尽管该对象不是他产生的)
id obj = [NSMutableArray array];
[obj retain];

不再需要自己持有对象时释放

id obj = [NSMutableArray array];
[obj retain];

// 当obj不在需要持有的对象，那么，obj应该发送release消息
[obj release];

// 释放了对象还进行释放,会导致奔溃
[obj release];

无法释放非自己持有的对象

// 释放一个不属于自己的对象
id obj = [NSMutableArray array];

// obj没有进行retain操作而进行release操作，然后autoreleasePool也会对其进行一次release操作，导致奔溃。
后面会讲到autorelease。
[obj release];

针对[NSMutableArray array]方法取得的对象存在，自己却不持有对象，底层大致实现：

+ (id)object {
//自己持有对象
id obj = [[NSObject alloc]init];

[obj autorelease];

//取得的对象存在，但自己不持有对象
return obj;
}

使用了autorelease方法，将obj注册到autoreleasePool中，不会立即释放，当pool结束时再自动调用release。这样达到取得的对象存在，自己不持有对象。

autorelease

顾名思义：autorelease就是自动释放，它和C语言的局部变量类似，C语言局部变量在程序执行时，超出其作用域时，会被自动废弃。autorelease会像C语言局部变量那样对待对象实例，当超出作用域时，对象实例的release实例方法会被调用。我们可以设定autorelease的作用域。

autorelease具体使用方法

生成并持有NSAutoreleasePool对象
调用已分配对象的autorelease实例方法
废弃NSAutoreleasePool对象

NSAutoreleasePool生命周期

NSAutoreleasePool对象的生命周期就是一个作用域，对于所有调用过autorelease实例方法的对象，在废弃NSAutoreleasePool对象时，都会调用其release实例方法。如上图所示。

用源代码表示如下：

NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
id obj = [[NSObject alloc] init];
[obj autorelease];
[pool drain];

在[pool drain]调用时，NSAutoreleasePool被销毁，obj的release方法会被触发。obj被释放。

autorelease苹果实现

可以通过objc4库的runtime/objc-arr.mm来确认苹果中autorelease的实现。

class AutoreleasePoolPage
{
static inline void *push()
{
相当于生成或持有NSAutoreleasePool类对象
}

static inline void *pop(void *token)
{
相当于废弃NSAutoreleasePool类对象
releaseAll();
}

static inline id autorelease(id obj)
{
相当于NSAutoreleasePool类的addObject类方法
AutoreleasePoolPage *autoreleasePoolPage = 取得正在使用的AutoreleasePoolPage实例;
autoreleasePoolPage->add(obj);
}

id *add(id obj)
{
将对象追加到内部数组中
}

void releaseAll()
{
调用内部数组中对象的release实例方法
}
};

void *objc_autoreleasePoolPush(void)
{
return AutoreleasePoolPage::push();
}

void objc_autoreleasePoolPop(void *ctxt)
{
AutoreleasePoolPage::pop(ctxt);
}

id *objc_autorelease(id obj)
{
return AutoreleasePoolPage::autorelease(obj);
}

我们使用调速器来观察NSAutoreleasePool类方法和autorelease方法的运行过程，如下所示，这些方法调用了关联于objc4库autorelease实现的函数。

//等同于objc_autoreleasePoolPush()
NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];

id obj = [[NSObject alloc] init];

//等同于objc_autorelease(obj)
[obj autorelease];

//等同于objc_autoreleasePoolPop(pool)
[pool drain];

在iOS程序启动后，主线程会自动创建一个RunLoop，苹果在主线程 RunLoop 里注册了两个 Observer，其回调都是 _wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler()。

第一个 Observer 监视的事件是 Entry(即将进入Loop)，其回调内会调用 _objc_autoreleasePoolPush() 创建自动释放池。其 order 是-2147483647，优先级最高，保证创建释放池发生在其他所有回调之前。

第二个 Observer 监视了两个事件： BeforeWaiting(准备进入休眠) 时调用_objc_autoreleasePoolPop() 和 _objc_autoreleasePoolPush() 释放旧的池并创建新池；Exit(即将退出Loop) 时调用 _objc_autoreleasePoolPop() 来释放自动释放池。这个 Observer 的 order 是 2147483647，优先级最低，保证其释放池子发生在其他所有回调之后。

在主线程执行的代码，通常是写在诸如事件回调、Timer回调内的。这些回调会被 RunLoop 创建好的 AutoreleasePool 环绕着，所以不会出现内存泄漏，开发者也不一定非得显示创建 Pool 了。runloop相关

尽管如此，在大量产生autorelease的对象时，只要NSAutoreleasePool没有被废弃，那么产生的对象就不能被释放，因此会产生内存不足的现象。例如：

读入大量图像的同时改变其尺寸。图像文件读入到NSData对象，并从中生成UIImage对象，改变该对象尺寸后生成新的UIImage对象。这种情况会产生大量autorelease对象。

for (int i = 0; i < 图片数; ++ i) {
/*
读入图片
大量产生autorelease的对象
由于没有废弃NSAutoreleasePool对象
导致产生内存峰值，可能内存不足而奔溃
*/
}

在这种情况下，应当在适当的位置生成、持有或废弃NSAutoreleasePool对象

for (int i = 0; i < 图片数; ++ i) {
NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
/*
读入图片
大量产生autorelease的对象
*/
[pool drain];
/*
通过释放pool
autorelease的对象被release，就不会产生内存峰值
*/
}

使用容器的block版本的枚举器时，内部会自动添加一个AutoreleasePool：

[array enumerateObjectsUsingBlock:^(id obj, NSUInteger idx, BOOL *stop) {
// 这里被一个局部@autoreleasepool包围着
}];

所有权修饰符及其原理

在 ARC 特性下有 4 种与内存管理息息相关的变量所有权修饰符值得我们关注：

__strong
__weak
__unsafe_unretaied
__autoreleasing

说到变量所有权修饰符，有人可能会跟属性修饰符搞混，这里做一个对照关系小结：

assign 对应的所有权类型是 __unsafe_unretained。
copy 对应的所有权类型是 __strong。
retain 对应的所有权类型是 __strong。
strong 对应的所有权类型是 __strong。
unsafe_unretained对应的所有权类型是__unsafe_unretained。
weak 对应的所有权类型是 __weak。

__strong

__strong 表示强引用，对应定义 property 时用到的 strong。当对象没有任何一个强引用指向它时，它才会被释放。如果在声明引用时不加修饰符，那么引用将默认是强引用。当需要释放强引用指向的对象时，需要保证所有指向对象强引用置为 nil。__strong 修饰符是 id 类型和对象类型默认的所有权修饰符。

原理：

{
id __strong obj = [[NSObject alloc] init];
}

//编译器的模拟代码
id obj = objc_msgSend(NSObject,@selector(alloc));
objc_msgSend(obj,@selector(init));

// 出作用域的时候调用
objc_release(obj);

虽然ARC有效时不能使用release方法，但由此可知编译器自动插入了release。

对象是通过除alloc、new、copy、multyCopy外方法产生的情况

{
id __strong obj = [NSMutableArray array];
}

结果与之前稍有不同：

//编译器的模拟代码
id obj = objc_msgSend(NSMutableArray,@selector(array));
objc_retainAutoreleasedReturnValue(obj);
objc_release(obj);

objc_retainAutoreleasedReturnValue函数主要用于优化程序的运行。它是用于持有(retain)对象的函数，它持有的对象应为返回注册在autoreleasePool中对象的方法，或是函数的返回值。像该源码这样，在调用array类方法之后，由编译器插入该函数。

而这种objc_retainAutoreleasedReturnValue函数是成对存在的，与之对应的函数是objc_autoreleaseReturnValue。它用于array类方法返回对象的实现上。下面看看NSMutableArray类的array方法通过编译器进行了怎样的转换：

+ (id)array
{
return [[NSMutableArray alloc] init];
}

//编译器模拟代码
+ (id)array
{
id obj = objc_msgSend(NSMutableArray,@selector(alloc));
objc_msgSend(obj,@selector(init));

// 代替我们调用了autorelease方法
return objc_autoreleaseReturnValue(obj);
}

我们可以看见调用了objc_autoreleaseReturnValue函数且这个函数会返回注册到自动释放池的对象，但是，这个函数有个特点，它会查看调用方的命令执行列表，如果发现接下来会调用objc_retainAutoreleasedReturnValue则不会将返回的对象注册到autoreleasePool中而仅仅返回一个对象。达到了一种最优效果。如下图：

省略了autoreleasePool注册

__weak

__weak 表示弱引用，对应定义 property 时用到的 weak。弱引用不会影响对象的释放，而当对象被释放时，所有指向它的弱引用都会自定被置为 nil，这样可以防止野指针。使用__weak修饰的变量，即是使用注册到autoreleasePool中的对象。__weak 最常见的一个作用就是用来避免循环循环。需要注意的是，__weak 修饰符只能用于 iOS5 以上的版本，在 iOS4 及更低的版本中使用 __unsafe_unretained 修饰符来代替。

__weak 的几个使用场景：

在 Delegate 关系中防止循环引用。
在 Block 中防止循环引用。
用来修饰指向由 Interface Builder 创建的控件。比如：@property (weak, nonatomic) IBOutlet UIButton *testButton;。

原理

{
id __weak obj = [[NSObject alloc] init];
}

编译器转换后的代码如下:

id obj;
id tmp = objc_msgSend(NSObject,@selector(alloc));
objc_msgSend(tmp,@selector(init));
objc_initweak(&obj,tmp);
objc_release(tmp);
objc_destroyWeak(&object);

对于__weak内存管理也借助了类似于引用计数表的散列表，它通过对象的内存地址做为key，而对应的__weak修饰符变量的地址作为value注册到weak表中，在上述代码中objc_initweak就是完成这部分操作，而objc_destroyWeak

则是销毁该对象对应的value。当指向的对象被销毁时，会通过其内存地址，去weak表中查找对应的__weak修饰符变量，将其从weak表中删除。所以，weak在修饰只是让weak表增加了记录没有引起引用计数表的变化.

对象通过objc_release释放对象内存的动作如下:

objc_release
因为引用计数为0所以执行dealloc
_objc_rootDealloc
objc_dispose
objc_destructInstance
objc_clear_deallocating

而在对象被废弃时最后调用了objc_clear_deallocating，该函数的动作如下:

从weak表中获取已废弃对象内存地址对应的所有记录
将已废弃对象内存地址对应的记录中所有以weak修饰的变量都置为nil
从weak表删除已废弃对象内存地址对应的记录
根据已废弃对象内存地址从引用计数表中找到对应记录删除

据此可以解释为什么对象被销毁时对应的weak指针变量全部都置为nil，同时，也看出来销毁weak步骤较多，如果大量使用weak的话会增加CPU的负荷。

还需要确认一点是：__weak修饰符的变量，即是使用注册到autoreleasePool中的对象。

{
id __weak obj1 = obj;
NSLog(@"obj2-%@",obj1);
}

编译器转换上述代码如下:

id obj1;
objc_initweak(&obj1,obj);
id tmp = objc_loadWeakRetained(&obj1);
objc_autorelease(tmp);
NSLog(@"%@",tmp);
objc_destroyWeak(&obj1);

objc_loadWeakRetained函数获取附有__weak修饰符变量所引用的对象并retain, objc_autorelease函数将对象放入autoreleasePool中，据此当我们访问weak修饰指针指向的对象时，实际上是访问注册到自动释放池的对象。因此，如果大量使用weak的话，在我们去访问weak修饰的对象时，会有大量对象注册到自动释放池,这会影响程序的性能。

解决方案：要访问weak修饰的变量时，先将其赋给一个strong变量，然后进行访问

为什么访问weak修饰的对象就会访问注册到自动释放池的对象呢?

因为weak不会引起对象的引用计数器变化，因此，该对象在运行过程中很有可能会被释放。所以，需要将对象注册到自动释放池中并在autoreleasePool销毁时释放对象占用的内存。

__unsafe_unretained

ARC 是在 iOS5 引入的，而 __unsafe_unretained 这个修饰符主要是为了在ARC刚发布时兼容iOS4以及版本更低的系统，因为这些版本没有弱引用机制。这个修饰符在定义property时对应的是unsafe_unretained。__unsafe_unretained 修饰的指针纯粹只是指向对象，没有任何额外的操作，不会去持有对象使得对象的 retainCount +1。而在指向的对象被释放时依然原原本本地指向原来的对象地址，不会被自动置为 nil，所以成为了野指针，非常不安全。

__unsafe_unretained 的应用场景：

在 ARC 环境下但是要兼容 iOS4.x 的版本，用__unsafe_unretained 替代 __weak 解决强循环循环的问题。

__autoreleasing

将对象赋值给附有__autoreleasing修饰符的变量等同于MRC时调用对象的autorelease方法。

@autoeleasepool {
// 如果看了上面__strong的原理，就知道实际上对象已经注册到自动释放池里面了
id __autoreleasing obj = [[NSObject alloc] init];
}

编译器转换上述代码如下:

id pool = objc_autoreleasePoolPush();
id obj = objc_msgSend(NSObject,@selector(alloc));
objc_msgSend(obj,@selector(init));
objc_autorelease(obj);
objc_autoreleasePoolPop(pool);
@autoreleasepool {
id __autoreleasing obj = [NSMutableArray array];
}

编译器转换上述代码如下:

id pool = objc_autoreleasePoolPush();
id obj = objc_msgSend(NSMutableArray,@selector(array));
objc_retainAutoreleasedReturnValue(obj);
objc_autorelease(obk);
objc_autoreleasePoolPop(pool);

上面两种方式，虽然第二种持有对象的方法从alloc方法变为了objc_retainAutoreleasedReturnValue函数，都是通过objc_autorelease，注册到autoreleasePool中。

ARC 模式规则

ARC 模式下，还有一些需要注意的规则：

不能显式使用 retain/release/retainCount/autorelease。
不能使用 NSAllocateObject/NSDeallocateObject。
需要遵守内存管理的方法命名规则。在 ARC 模式和 MRC 模式下，以 alloc/new/copy/mutableCopy 开头的方法在返回对象时都必须返回给调用方所应当持有的对象。在 ARC 模式下，追加一条：以 init 开头的方法必须是实例方法并且必须要返回对象。返回的对象应为 id 类型或声明该方法的类的对象类型，或是该类的超类型或子类型。该返回的对象并不注册到 Autorelease Pool 中，基本上只是对 alloc 方法返回值的对象进行初始化处理并返回该对象。需要注意的是：- (void)initialize; 方法虽然是以 init 开头但是并不包含在上述规则中。
不要显式调用 dealloc。
使用 @autoreleasepool 块替代 NSAutoreleasePool。
不能使用区域（NSZone）。
对象型变量不能作为 C 语言结构体（struct/union）的成员。
显式转换 id 和 void *。

Toll-Free Bridging

MRC 下的 Toll－Free Bridging 因为不涉及内存管理的转移，相互之间可以直接交换使用，当使用 ARC 时，由于Core Foundation 框架并不支持 ARC，此时编译器不知道该如何处理这个同时有 ObjC 指针和 CFTypeRef 指向的对象，所以除了转换类型，还需指定内存管理所有权的改变，可通过 __bridge、__bridge_retained 和 CFBridgingRetain、__bridge_transfer 和 CFBridgingRelease。

__bridge

只是声明类型转变，但是不做内存管理规则的转变。比如：

CFStringRef s1 = (__bridge CFStringRef) [[NSString alloc] initWithFormat:@"Hello, %@!", name];

只是做了 NSString 到 CFStringRef 的转化，但管理规则未变，依然要用 Objective-C 类型的 ARC 来管理 s1，你不能用 CFRelease() 去释放 s1。

__bridge_retained or CFBridgingRetain

表示将指针类型转变的同时，将内存管理的责任由原来的 Objective-C 交给Core Foundation 来处理，也就是，将 ARC 转变为 MRC。比如，还是上面那个例子

NSString *s1 = [[NSString alloc] initWithFormat:@"Hello, %@!", name];
CFStringRef s2 = (__bridge_retained CFStringRef)s1;
// or CFStringRef s2 = (CFStringRef)CFBridgingRetain(s1);
// do something with s2
//...
CFRelease(s2); // 注意要在使用结束后加这个

我们在第二行做了转化，这时内存管理规则由 ARC 变为了 MRC，我们需要手动的来管理 s2 的内存，而对于 s1，我们即使将其置为 nil，也不能释放内存。

__bridge_transfer or CFBridgingRelease

这个修饰符和函数的功能和上面那个 __bridge_retained 相反，它表示将管理的责任由 Core Foundation 转交给 Objective-C，即将管理方式由 MRC 转变为 ARC。比如：

CFStringRef result = CFURLCreateStringByAddingPercentEscapes(. . .);
NSString *s = (__bridge_transfer NSString *)result;
//or NSString *s = (NSString *)CFBridgingRelease(result);
return s;

这里我们将 result 的管理责任交给了 ARC 来处理，我们就不需要再显式地将 CFRelease() 了。

参考文献和链接：