Objective-C中的引用計數

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 導言

Objective-C語言使用引用計數來管理記憶體，也就是說，每個對象都有個可以遞增或遞減的計數器。如果想使某個對象繼續存活，那就遞增其引用計數；用完了之後，就遞減其計數。計數為0，就表示沒人關注此對象了，於是，就可以把它銷毀。

從Mac OS X 10.8開始，“垃圾收集器”（garbage collector）已經正式廢棄了，以Objective-C代碼編寫Mac OS X程式時不應再使用它，而iOS則從未支援過垃圾收集。因此，掌握引用計數機制對於學好Objective-C來說十分重要。Mac OS X程式已經不能再依賴垃圾收集器了，而iOS系統不支援此功能，將來也不會支援。

已經用過ARC的人可能會知道：所有與引用計數有關的方法都無法編譯，然而現在先暫時忘掉這件事。那些方法確實無法用在ARC中，不過本文就是要從Objective-C的角度講解引用計數，而ARC實際上也是一種引用計數機制，所以，還是要談談這些在開啟ARC功能時不能直接調用的方法。

工作原理

在引用計數架構下，對象有個計數器，用以表示當前有多少個事物想令此對象繼續存活下去。這在Objective-C中叫做“保留計數”（retain count），不過也可以叫“引用計數”（reference count）。NSObject協議聲明了下面三個方法用於操作計數器，以遞增或遞減其值：

1）retain 遞增保留計數。

2）release 遞減保留計數。

3）autorelease 待稍後清理“自動釋放池”（autorelease pool）時，再遞減保留計數。

 

是對象建立及保留計數操作的。

 

對象圖中，ObjectB與ObjectC都引用了ObjectA。若ObjectB與ObjectC都不再使用ObjectA，則其保留計數降為0，於是便可摧毀了。還有其他對象想令ObjectB與ObjectC繼續存活，而應用程式裡又有另外一些對象想令那些對象繼續存活。如果按“引用樹”回溯，那麼最終會發現一個“根對象”（root object）。在Mac OS X應用程式中，此對象是NSApplication對象；而在iOS應用程式中，則是UIApplication對象。兩者都是應用程式啟動時建立的單例。

下面這段代碼有助於理解這些方法的用法：

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

由於代碼中直接調用了release方法，所以在ARC下無法編譯。在Objective-C中，調用alloc方法所返回的對象由調用者所擁有。也就是說，調用者已通過alloc方法表達了想令該對象繼續存活下去的意願。不過，這並不是說對象此時的保留計數就是1。在alloc或“initWithInt:”方法的代碼實現中，也許還有其他對象也保留了此對象。絕不能說保留計數一定是某個值，只能說你所執行的操作的遞增了該計數還是遞減了該計數。

建立完數組後，把number對象加入其中。調用數組的“addObject:”方法時，數組也會在number上調用retain方法，以期繼續保留此對象。這時，保留計數至少為2。接下來，代碼不再需要number對象了，於是將其釋放。現在的保留計數至少為1。這樣就不能照常使用number變數了。調用release之後，已經無法保證所指的對象仍然存活。當然，根據本例中的代碼，我們顯然知道number對象在調用了release之後仍然存活，因為數組還在引用著它。然而絕不應該假設此對象一定存活，也就是說，不要像下面這樣子編寫代碼：

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

即便上述代碼在本例中可以正常執行，也仍然不是個好辦法。如果調用release之後，基於某些原因，其保留計數降至為0，那麼number對象所佔記憶體也許會回收，這樣的話，再調用NSLog可能就將使程式崩潰了。為什麼是“可能”，因為對象所佔的記憶體在“解除配置”（deallocated）之後，只是放回“可用記憶體池”（avaiable pool）。如果執行NSLog時還尚未覆寫對象記憶體，那麼該對象仍然有效，這是程式不會崩潰。故，因過早釋放對象而導致的bug很難調試。

為避免在不經意間使用了無效對象，一般調用完release之後都會清null 指標。這就能保證不會出現可能指向無效對象的指標，這種指標通常稱為“懸掛指標”（dangling pointer）。例如，可以這樣編寫代碼來防止此情況發生：

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

屬性存取方法中的記憶體管理

如前所述，對象圖由相互關聯的對象所構成。剛才那個例子中的數組通過在其元素上調用retain方法來保留那些對象。不光數組，其他對象也可以保留別的對象，這一般通過訪問“屬性”來實現，而訪問屬性時，會用到相關執行個體變數的擷取方法和設定方法。若屬性為“strong關係”（strong relationship），則設定的屬性值會保留。比方說，有個名叫foo的屬性由名為_foo的執行個體變數所實現，那麼，該屬性的設定方法會是這樣：

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

此方法將保留新值並釋放舊值，然後更新執行個體變數，令其指向新值。順序很重要。假如還未保留新值就先把舊值釋放了，而兩個值又指向同一個對象，那麼，先執行release操作就可能導致系統將此對象永久回收。而後續的retain操作則無法令這個已經徹底回收的對象複生，於是執行個體變數就成了懸掛指標。

自動釋放池

在Objective-C的引用計數架構中，自動釋放池是一項重要特性。調用release會立刻遞減對象的保留計數（而且還可能令系統回收此對象），然而有時候可以不調用它，改為調用autorelease，此方法會在稍後遞減計數，通常是在下一次“事件迴圈”（event loop）時遞減，不過也可能執行得更早些。 

此特性很有用，尤其是在方法中返回對象時更應該用它。在這種情況下，我們並總是想令方法調用者手工保留其值。比方說，有下面這個方法：

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

此時返回的str對象其保留計數比期望值要多1，因為調用者alloc會令保留計數加1，而又沒有與之對應的釋放操作。保留計數多1，就意味著調用者要負責處理多出來的這一次保留操作。必須設法將其抵消。這並不是說保留計數本身就一定是1，它可能大於1，不過那取決於“initWithFormat:”方法內的實現細節。你要考慮的是如何將多出來的這一次保留操作抵消掉。但是，不能在方法呢你釋放str，否則還沒等方法返回，系統就把該對象回收了。這裡應該用autorelease，它會在稍後釋放對象，從而給調用者留下了足夠長的時間，使其可以在需要時先保留傳回值。換句話說，此方法可以保證對象在跨越“方法調用邊界”（method call boundary）後一定存活。實際上，釋放操作會在清空最外層的自動釋放池時執行，除非你有自己的自動釋放池，否則這個時機指的就是當前線程的下一次事件迴圈。改寫stringValue方法，使用autorelease來釋放對象：

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

修改之後，stringValue方法把NSString對象返回給調用者，此對象必然存活。所以我們能夠如此使用它：

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

由於返回的str對象將於稍後自動釋放，所以多出來的那一次保留操作時自然就會抵消，無須再執行記憶體管理操作。因為自動釋放池中的釋放操作要等到下一次事件迴圈時才會執行，所以NSLog語句在使用str對象前不需要手工執行保留操作。但是，假如要持有此對象的話（比如將其設定給執行個體變數），那就需要保留，並於稍後釋放：

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

由此可見，autorelease能延長對象生命期，使其在跨越方法調用邊界後依然可以存活一段時間。

保留環

使用引用計數機制時，經常要注意的一個問題就是“保留環”（retain cycle），也就是呈環狀相互引用的多個對象。這將導致記憶體泄露，因為迴圈中的對象其保留計數不會降為0。對於迴圈中的每個對象來說，至少還有另外一個對象引用著它。

 

如，在這個迴圈裡，所以對象的保留計數都是1。在垃圾收集環境中，通常將這種情況認定為“孤島”（island of isolation）。此時，垃圾收集器會把三個對象全部回收。而在Objective-C的引用計數架構中，則享受不到這一便利。通常採用“弱引用”（weak reference）來解決此問題，或是從外界命令迴圈中的某個對象不再保留另外一個對象。這兩種辦法都能打破保留環，從而避免記憶體泄露。 

小結

引用計數機制通過可以遞增遞減的計數器來管理記憶體。對象建立好之後，其保留計數至少為1。若保留計數為正，則對象繼續存活。當保留計數降為0時，對象就被銷毀。

在對象生命週期中，其餘對象通過引用來保留或釋放此對象。保留與釋放操作分別會遞增及遞減保留計數。

 

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