四、内存管理

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Reference:
Effective Objective-C 2.0
理解 iOS 的内存管理
内存管理基础
Objective-C 中的内存分配
iOS中的block是如何持有对象的

程序都是加载到内存中运行，了解APP工作机制，第一步先了解APP是如何使用内存的。

简述

程序加载到内存中运行时，在内存中分静态数据(只读)和动态数据(读写)两部分，其中动态部分中堆的分配与释放由程序做内存管理，iOS中使用引用计数机制配合自动释放池来做内存管理，又使用ARC来简化引用计数和自动释放的编程：

  • 引用计数：对于堆中的对象，想要保留时使其引用计数+1，想要释放时使其引用计数-1，当对象的引用计数为0时，系统会销毁对象回收内存；
  • ARC技术：依赖编译器的静态分析，在编译时为对象插入保留、释放、自动释放等引用计数管理代码，并在运行时对引用计数管理代码做优化;
  • 自动释放：自动释放标记使对象引用计数延迟-1，即自动释放池销毁时，对象在此自动释放池管理范围内被标记了几次，就会做几次引用计数-1；

概览

iOS内存管理

要点

  • 内存中静态数据不会发生变化，栈则由系统自动管理，编程中内存管理是对堆的分配和回收；
  • iOS中使用引用计数来管理内存，又使用ARC来简化引用计数的编程；
  • 自动释放池满足了对象归当前调用者所有，但又需要延迟释放的引用计数管理需求；
  • ARC中指向对象的指针都需表明自己对对象的所有权，普通指针通过所有权修饰符指明，属性的成员变量则通过属性修饰符指明；
  • 推荐用__autoreleasing来修饰结果参的形参，这样可以减少ARC的开销；
  • 现在的ARC中虽然不再需要使用@autoreleasepool { }来消除大量的局部对象所造成的内存峰值，但依然可以保留这种写法以兼容较老的版本；
  • CoreFoundation中的对象不由ARC管理，当和ARC管理的OC对象互相转换时，需视情况指明对象所有权是否发生变化；
  • ARC中需要注意对象间相互引用、performSelector相关接口和异常捕获时可能出现的内存泄露；
  • block分为全局block、栈block和堆block，MRC中需要持有一个block时，使用它的copy总是没错，ARC中可以将block直接赋值给变量，因为ARC会视情况自动copy；
  • ARC中block会保留其捕获的环境局部变量对对象的引用，所以可能造成循环引用，可以使用弱引用指针来避免循环引用，还可以结合临时强引用指针来避免block执行期间对象被释放；
  • NSString和NSMutableString都是抽象类，iOS中字符串的实际类型为NSCFString、NSCFConstantString和NSTaggedPointerString，它们在内存中的生命周期和管理方式各不相同；
  • 当出现内存问题时，Xcode自带的僵尸对象可以调试野指针问题，Instruments中的Leaks可以检查内存泄露问题，三方框架FBRetainCycleDetector可以检查对象的循环引用问题；

详情

1.内存模型

程序在内存中运行时分静态数据和动态数据：静态数据只读，存储在代码段(.text)和数据段(.data + .bbs)，中这部分数据占用的内存在运行时不会发生变化，在程序终止后被清理；动态数据可读写，存储在栈(stack)和堆(heap)中，这部分数据占用的内存会随着程序运行而动态变化，其中栈的使用由系统管理，而堆的的使用则需要程序进行管理。

内存模型

栈由高位向低位增长，是因程序中函数运行而临时占用的内存，由系统的入栈和出栈操作来自动管理。堆由低位向高位增长，需要由程序自行管理，编程中的内存管理即是指对堆的分配与回收，运行中不再使用的内存却未回收便是内存泄露，还在使用的内存却被回收了便是野指针问题。

栈的内存变化：每一个函数的调用就会向栈中压入一个函数的帧，函数帧中包括函数的形参、局部变量和返回地址等信息，有多少层函数调用就会压多少个帧，当函数执行结束时其函数帧就会出栈，并回到函数的返回地址继续执行，随着函数执行时函数帧的入栈与出栈，程序对栈的占用也随之发生变化。

2.引用计数

iOS中使用引用计数来做内存管理，对象的创建方法为其在堆中分配内存，并将引用计数初始为1，对象创建后想要保留时使其引用计数+1，想要释放时使其引用计数-1，当对象的引用计数为0时，系统会销毁对象回收内存。

引用计数手动管理方法：

  • retain
  • release
  • autorelease

引用计数初始为1的创建方法：

  • alloc
  • new
  • copy
  • mutableCopy

通过以上方法创建的对象归调用者所有，需要调用者在使用后将其引用计数-1

3.ARC技术

ARC编程时指向对象的引用(指针)都需要表明对对象的所有权，普通指针通过所有权修饰符指明(如果没有显示声明所有权修饰符，则缺省为__strong)，属性的成员变量则通过属性修饰符指明，编译时则依据指针对对象的所有权添加引用计数管理代码(引用计数管理的相关C函数，而非MRC中的OC方法)，运行时对于引用计数管理代码又做了适当的优化。ARC既简化了引用计数管理代码的编程，又优化了引用计数管理代码的执行，Objective-C和Objective-C++的对象都可以依赖ARC进行内存管理，CoreFoundation中的对象则需要手动管理引用计数。

ARC中的所有权修饰符

ARC中有以下4种所有权修饰符：

  • __strong：强引用，默认的修饰符，使引用计数+1，对应属性修饰符中的strong、copy和retain；
  • __weak：弱引用，不会引起引用计数变化，对象释放后会自动指向nil，对应属性修饰符中的weak；
  • __unsafe_unretained：不安全的弱引用，不会引起引用计数变化，对象释放后不会自动指向nil，容易造成野指针，但比__weak性能更好，对应属性修饰符中的assign和unsafe_unretained;
  • __autoreleasing：自动释放引用，会使引用计数+1，并在自动释放池释放时延迟-1，常用于申明结果参的形参。

NSNotificationCenter对Observer的引用在iOS9之前是unsafe_unretained的，需要在对象dealloc前removeObserver，否则容易出现野指针问题，iOS9之后对Observer的引用改为了weak，在对象dealloc时没有removeObserver也不再有野指针的问题。

ARC与CoreFoundation

CoreFoundation中的对象不由ARC管理，依然需要手动管理引用计数，ARC中CF对象和OC对象进行相互转换时，需要通过关键字指明转换后对象所有权的变化：

  • __bridge：用于CF和OC对象的相互转换，不发生所有权的变化，引用计数不变。CF对象转OC对象，则对象依然需要在CF中手动管理引用计数；OC对象转CF对象，则对象由ARC管理，CF中可以不对其做手动的引用计数管理。
  • __bridge_retained：等效于CFBridgingRetain，用于OC对象转CF对象，CF保留一次对象的所有权，引用计数+1。相当于转换完成后再调用了一次CFRetain。
  • __bridge_transfer：等效于CFBridgingRelease，用于CF对象转OC对象，CF释放一次对象的所有权，引用计数-1。相当于转换完成后再调用了一次CFRelease。

ARC中的内存泄露

ARC为程序自动添加了引用计数管理代码，但如果编程过程中不注意，依然可能出现内存泄露的情况：

  1. 循环引用造成的内存泄露：A直接或间接的保留了B，B又直接或间接的保留了A，就会出现循环引用，这在block的使用中尤其容易出现，循环引用的对象在互相等对方释放自己，最终是都不会释放，造成内存泄露。ARC可以使用弱引用来避免循环引用的出现，也可以在出现循环引用后手动解除引用环。
  2. performSelector相关API造成的内存泄露：当派发的选择子不明确的时候，ARC中编译器不知道是否应该为返回的对象添加释放的代码，所以ARC选择不添加释放代码的保守做法，这样当选择子是new、alloc、copy和mutableCopy这些应当由调用者释放返回对象的方法时，就会造成内存泄露。可以添加额外的判断，当选择子是需要调用者释放返回对象的方法时，将返回对象转为CoreFoundation对象，再用__bridge_transfer转回OC对象，使其引用计数-1来避免内存泄露。
  3. 异常捕获代码造成的内存泄露：异常捕获代码@try{ } @catch{ } @finally{ }的@try{ }中出现异常时会跳过后面的代码，进入@catch{ }中继续执行，如果@try{ }中创建并持有了临时对像，那么即使ARC为其添加了释放代码，也不会被执行，如此便会造成内存泄露。解决的办法是避免在@try{ }中使用new、alloc、copy和mutableCopy等方法来创建并持有对象，或者为文件添加-fobjc-arc-exceptions标识让ARC生成额外的代码来做处理(影响运行期性能)，更推荐的做法其实是避免使用异常捕获代码。

在OC的编程中并推荐编写异常安全代码(异常捕获)，因为OC的语言设计中认为只有严重到需要程序终止的错误才应该抛出异常，那么既然抛出异常时程序应该终止，也就无需捕获异常书写异常安全代码。对于可被接受或进一步处理的错误，OC中推荐通过返回nil/0或使用NSError来传递错误信息，并在接收到错误信息后做相应处理。

4.自动释放

有时不想再保留对象但又不想对象被马上释放时，比如函数中生成的对象作为函数的返回值，可以使用autorelease来标记对象，让对象在其所在的自动释放池drain时自动释放，达到延迟释放的效果。

autorelease与__autorelease

MRC和ARC中分别用autorelease和__autorelease为对象做自动释放标记，在一个自动释放池管理范围内对象被标记了几次自动释放，自动释放池drain时就会为其做几次引用计数-1。

ARC中通常用来__autorelease声明结果参(二级指针形参)的实参，关于这种使用场景需要清楚的有：

  1. 强引用的局域对象在出了作用域时引用计数-1，__autoreleasing指向的局域对象，会延迟释放，即离开作用域引用计数也不会-1，而是在当前自动释放池释放时才引用计数-1；
  2. 强引用形参会使引用计数+1，但是是函数作用域的局域对象，出了函数作用域引用计数-1，__autoreleasing修饰的形参不会使引用计数+1，出了函数作用域也不会-1；
  3. 当形参是结果参时(二级指针)如果传入的实参未做autoreleasing修饰，为结果参赋值时，ARC会添加一个autoreleasing的指针指向所赋的结果，使结果参返回后延迟释放；如果实参已经有__autoreleasing修饰，则在为结果参赋值时ARC不会添加额外的代码。

autoreleasePool

关于自动释放池需要清楚的有以下几点：

  1. 每个线程通过自己的自动释放池栈维护着线程中添加的自动释放池，对象被标记为自动释放时会添加到栈顶的自动释放池中；
  2. 每个线程都会为其自动释放池栈中创建一个默认自动释放池，主线程会监听main runloop的活动并通过入栈和出栈来周期性的新建和销毁自动释放池，子线程的默认自动释放池在使用时懒加载，在线程退出时清空；
  3. @autoreleasepool { }添加了自动释放池，但在离开其作用域后就已经释放了，可用其来做精细内存管理；
  4. 在MRC和早期的ARC中推荐用@autoreleasepool { }来消除内存峰值，现在的ARC中生成的局部对象，在离开局部作用域后就已经被释放了，已经不需要自动释放池来消除内存峰值，但依然可以保留这种写法以兼容老版本。

5.Block与内存管理

Block自身的内存管理

block其实是一个结构体，但也有一个指向类的isa指针，所以也可视为一种特殊的对象。block的isa指向抽象类NSBlock的子类__NSMallocBlock__、__NSStackBlock__或__NSGlobalBlock__，根据其实际类的不同可将block分为堆block、栈block和全局block，它们在内存中有不同的管理方法：

  • 全局block(__NSGlobalBlock__)：和C函数一样储存在代码段，无需内存管理；
  • 栈block(__NSStackBlock__)：类似于函数中的局部变量，由系统自动管理；
  • 堆block(__NSMallocBlock__)：和普通对象一样由引用计数进行管理，支持ARC；

声明一个block时，block可以使用环境变量，对环境中全局变量和静态变量的使用不会影响block的类型，可如果使用了环境中的局部变量，声明的block将会是一个栈block，如果没有使用环境中的局部变量，则将会是一个全局block。对栈block进行copy会得到一个其在堆中的拷贝，而栈block的生命周期仅限于其声明时的作用域，所以若要持有一个栈block，MRC中需要手动调用栈block的copy来使用堆block，而ARC中则在将栈block赋值给变量时就自动进行了copy，而又因为全局block和堆block的copy返回的都是其自身，所以在需要持有一个block时，使用它的copy总是没错。

Block中对象的内存管理

ARC中block会保留其捕获的环境局部变量对对象的引用，也就是说如果block中出现的环境局部变量是一个强引用指针，则block也会对该指针指向的对象强引用，如果捕获的环境局部变量是弱引用指针，则block对指针指向的对象也是弱应用，至于环境局部变量是自动释放引用指针，则不能在block中使用。

因为block的上述特性，如果block中要使用的局部变量是一个强引用指针，且指针指向的对象直接或间接的又强引用了该block，则会出现循环引用，造成内存泄露。针对这种情况，可以先用一个弱引用指针指向要使用的对象，再在block中使用弱引用指针，则能避免循环引用；而如果还需要防止block中代码执行期间，弱引用指针指向的对象被释放掉，则又可以在block中用先用一个临时的强引用指针来持有弱引用指针指向的对象，这个临时的强引用指针，作为block的局部变量，对对象的持有在block的作用域结束时即会释放。

6.NSString的内存问题

iOS中NSString和NSMutableString都是抽象类，字符串的实际类型为：NSCFString、NSCFConstantString和NSTaggedPointerString，它们在内存中的存储和管理方式都各不相同：

  • __NSCFString：对象字符串，运行时创建，存储在堆中，通过引用计数管理；
  • __NSCFConstantString：常量字符串，编译期创建，存储在常量区，无需内存管理；
  • NSTaggedPointerString：变量字符串，运行时创建，存储在指针变量中(栈中)，系统自动管理；

在创建一个字符串时，得到的字符串的实际类型遵循以下规律：

  1. NSCFConstantString和NSTaggedPointerString是NSString的直接子类，NSCFString是NSMutableString的直接子类，所以创建一个可变字符串和对字符串mutableCopy得到的必然是__NSCFString；
  2. 字面量语法生成的NSString在编译期创建，实际类型为NSCFConstantString，再次创建相同的NSCFConstantString时不会重复创建，而是指向相同的常量字符串；
  3. withFormart:系列方法创建的NSString在运行时创建，实际类型为NSCFString或NSTaggedPointerString：当字符串支持Tagged Pointer优化时则创建的NSString实际类型为NSTaggedPointerString，否则为NSCFString；
  4. withString:系列方法和copy得到的NSString实际类型和原字符串实际类型一致；

Tagged Pointer：由于在64位系统中一个指针的长度已经达到了8个字节，对于一些信息量较少的对象(如NSSting、NSNumber、NSDate等)，其本身需要的内存空间可能都不足8个字节，再将其创建在堆中，并用一个8个字节长度的指针去指向它，就有一些性能和内存上的浪费，针对这种情况苹果为这些类引入了各自的Tagged Pointer对象进行优化 – 用指针的前后各半个字节存储对象的标记信息，中间的7个字节存储对象的值，对象不再保存在堆中，而是直接保存在指针中。对于NSString，如果字符串可以被ASCII编码、六位编码或五位编码，并被存储在7个字节中，则运行时创建的NSString实际类型为NSTaggedPointerString，但即使是五位编码(五位表示一个字符)，7个字节中最多保存(7*8)/5 = 11个字符，所以运行时创建的NSString如果大于11个字符则必然为__NSCFString

7.内存问题调试

可以使用Xcode自带的僵尸对象功能来调试野指针问题，使用Instruments中的Leaks来检查内存是否泄露，当出现内存泄露时可以使用三方框架FBRetainCycleDetector来检查对象的循环引用，至于相关工具如何使用，在本篇中则不做赘述。

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