iOS開發ARC記憶體管理技術要點

iOS開發ARC記憶體管理技術要點
本文來源於我個人的ARC學習筆記，旨在通過簡明扼要的方式總結出iOS開發中ARC(Automatic Reference Counting，自動引用計數)記憶體管理技術的要點，所以不會涉及全部細節。這篇文章不是一篇標準的ARC使用教程，並假定讀者已經對ARC有了一定瞭解和使用經驗。詳細的關於ARC的資訊請參見蘋果的官方文檔與網上的其他教程：） 本文的主要內容： ARC的本質ARC的開啟與關閉ARC的修飾符ARC與BlockARC與Toll-Free BridgingARC的本質ARC是編譯器（時）特性，而不是運行時特性，更不是記憶體回收行程(GC)。 Automatic Reference Counting (ARC) is a compiler-level feature that simplifies the process of managing object lifetimes (memory management) in Cocoa applications. ARC只是相對於MRC（Manual Reference Counting或稱為非ARC，下文中我們會一直使用MRC來指代非ARC的管理方式）的一次改進，但它和之前的技術本質上沒有區別。具體資訊可以參考ARC編譯器官方文檔。 ARC的開啟與關閉不同於XCode4可以在建立工程時選擇關閉ARC，XCode5在建立的工程是預設開啟ARC，沒有可以關閉ARC的選項。 如果需要對特定檔案開啟或關閉ARC，可以在工程選項中選擇Targets -> Compile Phases -> Compile Sources，在裡面找到對應檔案，添加flag: 開啟ARC：-fobjc-arc關閉ARC：-fno-objc-arc   ARC的修飾符ARC主要提供了4種修飾符，他們分別是:__strong,__weak,__autoreleasing,__unsafe_unretained。 __strong表示引用為強引用。對應在定義property時的"strong"。所有對象只有當沒有任何一個強引用指向時，才會被釋放。 注意：如果在聲明引用時不加修飾符，那麼引用將預設是強引用。當需要釋放強引用指向的對象時，需要將強引用置nil。 __weak表示引用為弱引用。對應在定義property時用的"weak"。弱引用不會影響對象的釋放，即只要對象沒有任何強引用指向，即使有100個弱引用對象指向也沒用，該對象依然會被釋放。不過好在，對象在被釋放的同時，指向它的弱引用會自動被置nil，這個技術叫zeroing weak pointer。這樣有效得防止無效指標、野指標的產生。__weak一般用在delegate關係中防止循環參考或者用來修飾指向由Interface Builder編輯與產生的UI控制項。 __autoreleasing表示在autorelease pool中自動釋放對象的引用，和MRC時代autorelease的用法相同。定義property時不能使用這個修飾符，任何一個對象的property都不應該是autorelease型的。 一個常見的誤解是，在ARC中沒有autorelease，因為這樣一個“自動釋放”看起來好像有點多餘。這個誤解可能源自於將ARC的“自動”和autorelease“自動”的混淆。其實你只要看一下每個iOS App的main.m檔案就能知道，autorelease不僅好好的存在著，並且變得更fashion了：不需要再手工被建立，也不需要再顯式得調用[drain]方法釋放記憶體池。   以下兩行代碼的意義是相同的。 NSString *str = [[[NSString alloc] initWithFormat:@"hehe"] autorelease]; // MRCNSString *__autoreleasing str = [[NSString alloc] initWithFormat:@"hehe"]; // ARC 這裡關於autoreleasepool就不做展開了，詳細地資訊可以參考官方文檔或者其他文章。 __autoreleasing在ARC中主要用在參數傳遞傳回值（out-parameters）和引用傳遞參數（pass-by-reference）的情況下。 __autoreleasing is used to denote arguments that are passed by reference (id *) and are autoreleased on return. 比如常用的NSError的使用： NSError *__autoreleasing error; if (![data writeToFile:filename options:NSDataWritingAtomic error:&error]) { 　　NSLog(@"Error: %@", error); }（在上面的writeToFile方法中error參數的類型為(NSError *__autoreleasing *)） 注意，如果你的error定義為了strong型，那麼，編譯器會幫你隱式地做如下事情，保證最終傳入函數的參數依然是個__autoreleasing類型的引用。 複製代碼NSError *error; NSError *__autoreleasing tempError = error; // 編譯器添加 if (![data writeToFile:filename options:NSDataWritingAtomic error:&tempError]) { 　　error = tempError; // 編譯器添加 　　NSLog(@"Error: %@", error); }複製代碼所以為了提高效率，避免這種情況，我們一般在定義error的時候將其（老老實實地=。=）聲明為__autoreleasing類型的： NSError *__autoreleasing error;在這裡，加上__autoreleasing之後，相當於在MRC中對傳回值error做了如下事情： *error = [[[NSError alloc] init] autorelease];*error指向的對象在建立出來後，被放入到了autoreleasing pool中，等待使用結束後的自動釋放，函數外error的使用者並不需要關心*error指向對象的釋放。 另外一點，在ARC中，所有這種指標的指標 （NSError **）的函數參數如果不加修飾符，編譯器會預設將他們認定為__autoreleasing類型。 比如下面的兩段代碼是等同的： - (NSString *)doSomething:(NSNumber **)value{        // do something  }- (NSString *)doSomething:(NSNumber * __autoreleasing *)value{        // do something  }除非你顯式得給value聲明了__strong，否則value預設就是__autoreleasing的。 最後一點，某些類的方法會隱式地使用自己的autorelease pool，在這種時候使用__autoreleasing類型要特別小心。 比如NSDictionary的[enumerateKeysAndObjectsUsingBlock]方法： 複製代碼- (void)loopThroughDictionary:(NSDictionary *)dict error:(NSError **)error{    [dict enumerateKeysAndObjectsUsingBlock:^(id key, id obj, BOOL *stop){           // do stuff            if (there is some error && error != nil)          {                *error = [NSError errorWithDomain:@"MyError" code:1 userInfo:nil];          }    }];}複製代碼會隱式地建立一個autorelease pool，上面代碼實際類似於： 複製代碼- (void)loopThroughDictionary:(NSDictionary *)dict error:(NSError **)error{    [dict enumerateKeysAndObjectsUsingBlock:^(id key, id obj, BOOL *stop){           @autoreleasepool  // 被隱式建立　　　　　　{              if (there is some error && error != nil)              {                    *error = [NSError errorWithDomain:@"MyError" code:1 userInfo:nil];              }          }    }];     // *error 在這裡已經被dict的做枚舉遍曆時建立的autorelease pool釋放掉了 ：(  }    複製代碼為了能夠正常的使用*error，我們需要一個strong型的臨時引用，在dict的枚舉Block中是用這個臨時引用，保證引用指向的對象不會在出了dict的枚舉Block後被釋放，正確的方式如下： 複製代碼- (void)loopThroughDictionary:(NSDictionary *)dict error:(NSError **)error{　　__block NSError* tempError; // 加__block保證可以在Block內被修改  　　[dict enumerateKeysAndObjectsUsingBlock:^(id key, id obj, BOOL *stop)　　{ 　　　　if (there is some error) 　　　　{ 　　　　　　*tempError = [NSError errorWithDomain:@"MyError" code:1 userInfo:nil]; 　　　　}   　　}]  　　if (error != nil) 　　{ 　　　　*error = tempError; 　　} } 複製代碼__unsafe_unretainedARC是在iOS 5引入的，而這個修飾符主要是為了在ARC剛發布時相容iOS 4以及版本更低的裝置，因為這些版本的裝置沒有weak pointer system，簡單的理解這個系統就是我們上面講weak時提到的，能夠在weak引用指向對象被釋放後，把引用值自動設為nil的系統。這個修飾符在定義property時對應的是"unsafe_unretained"，實際可以將它理解為MRC時代的assign：純粹只是將引用指向對象，沒有任何額外的操作，在指向對象被釋放時依然原原本本地指向原來被釋放的對象（所在的記憶體地區）。所以非常不安全。 現在可以完全忽略掉這個修飾符了，因為iOS 4早已退出曆史舞台很多年。 *使用修飾符的正確姿勢（方式=。=）這可能是很多人都不知道的一個問題，包括之前的我，但卻是一個特別要注意的問題。 蘋果的文檔中明確地寫道： You should decorate variables correctly. When using qualifiers in an object variable declaration, the correct format is: ClassName * qualifier variableName;按照這個說明，要定義一個weak型的NSString引用，它的寫法應該是： NSString * __weak str = @"hehe"; // 正確！而不應該是： __weak NSString *str = @"hehe";  // 錯誤！我相信很多人都和我一樣，從開始用ARC就一直用上面那種錯誤的寫法。 那這裡就有疑問了，既然文檔說是錯誤的，為啥編譯器不報錯呢？文檔又解釋道： Other variants are technically incorrect but are “forgiven” by the compiler. To understand the issue, seehttp://cdecl.org/. 好吧，看來是蘋果爸爸（=。=）考慮到很多人會用錯，所以在編譯器這邊貼心地幫我們忽略並處理掉了這個錯誤：）雖然不報錯，但是我們還是應該按照正確的方式去使用這些修飾符，如果你以前也常常用錯誤的寫法，那看到這裡記得以後不要這麼寫了，哪天編譯器怒了，再不支援錯誤的寫法，就要鬱悶了。 棧中指標預設值為nil無論是被strong，weak還是autoreleasing修飾，聲明在棧中的指標預設值都會是nil。所有這類型的指標不用再初始化的時候置nil了。雖然好習慣是最重要的，但是這個特性更加降低了“野指標”出現的可能性。 在ARC中，以下代碼會輸出null而不是crash:) - (void)myMethod {    NSString *name;    NSLog(@"name: %@", name);}ARC與Block在MRC時代，Block會隱式地對進入其範圍內的對象（或者說被Block捕獲的指標指向的對象）加retain，來確保Block使用到該對象時，能夠正確的訪問。 這件事情在下面代碼展示的情況中要更加額外小心。 複製代碼MyViewController *myController = [[MyViewController alloc] init…]; // 隱式地調用[myController retain];造成循環參考myController.completionHandler =  ^(NSInteger result) {   [myController dismissViewControllerAnimated:YES completion:nil];}; [self presentViewController:myController animated:YES completion:^{   [myController release]; // 注意，這裡調用[myController release];是在MRC中的一個常規寫法，並不能解決上面循環參考的問題}];複製代碼在這段代碼中，myController的completionHandler調用了myController的方法[dismissViewController...]，這時completionHandler會對myController做retain操作。而我們知道，myController對completionHandler也至少有一個retain（一般準確講是copy），這時就出現了在記憶體管理中最糟糕的情況：循環參考！簡單點說就是：myController retain了completionHandler，而completionHandler也retain了myController。循環參考導致了myController和completionHandler最終都不能被釋放。我們在delegate關係中，對delegate指標用weak就是為了避免這種問題。 不過好在，編譯器會及時地給我們一個警告，提醒我們可能會發生這類型的問題：   對這種情況，我們一般用如下方法解決：給要進入Block的指標加一個__block修飾符。 這個__block在MRC時代有兩個作用： 說明變數可改說明指標指向的對象不做這個隱式的retain操作一個變數如果不加__block，是不能在Block裡面修改的，不過這裡有一個例外：static的變數和全域變數不需要加__block就可以在Block中修改。 使用這種方法，我們對代碼做出修改，解決了循環參考的問題： MyViewController * __block myController = [[MyViewController alloc] init…];// ...myController.completionHandler =  ^(NSInteger result) {    [myController dismissViewControllerAnimated:YES completion:nil];};//之後正常的release或者retain在ARC引入後，沒有了retain和release等操作，情況也發生了改變：在任何情況下，__block修飾符的作用只有上面的第一條：說明變數可改。即使加上了__block修飾符，一個被block捕獲的強引用也依然是一個強引用。這樣在ARC下，如果我們還按照MRC下的寫法，completionHandler對myController有一個強引用，而myController對completionHandler有一個強引用，這依然是循環參考，沒有解決問題：（ 於是我們還需要對原代碼做修改。簡單的情況我們可以這樣寫： __block MyViewController * myController = [[MyViewController alloc] init…];// ...myController.completionHandler =  ^(NSInteger result) {    [myController dismissViewControllerAnimated:YES completion:nil];    myController = nil;  // 注意這裡，保證了block結束myController強引用的解除};在completionHandler之後將myController指標置nil，保證了completionHandler對myController強引用的解除，不過也同時解除了myController對myController對象的強引用。這種方法過於簡單粗暴了，在大多數情況下，我們有更好的方法。 這個更好的方法就是使用weak。（或者為了考慮iOS4的相容性用unsafe_unretained，具體用法和weak相同，考慮到現在iOS4裝置可能已經絕跡了，這裡就不講這個方法了）（關於這個方法的本質我們後面會談到） 為了保證completionHandler這個Block對myController沒有強引用，我們可以定義一個臨時的弱引用weakMyViewController來指向原myController的對象，並把這個弱引用傳入到Block內，這樣就保證了Block對myController持有的是一個弱引用，而不是一個強引用。如此，我們繼續修改代碼： MyViewController *myController = [[MyViewController alloc] init…];// ...MyViewController * __weak weakMyViewController = myController;myController.completionHandler =  ^(NSInteger result) {    [weakMyViewController dismissViewControllerAnimated:YES completion:nil];};這樣循環參考的問題就解決了，但是卻不幸地引入了一個新的問題：由於傳入completionHandler的是一個弱引用，那麼當myController指向的對象在completionHandler被調用前釋放，那麼completionHandler就不能正常的運作了。在一般的單線程環境中，這種問題出現的可能性不大，但是到了多線程環境，就很不好說了，所以我們需要繼續完善這個方法。 為了保證在Block內能夠訪問到正確的myController，我們在block內新定義一個強引用strongMyController來指向weakMyController指向的對象，這樣多了一個強引用，就能保證這個myController對象不會在completionHandler被調用前釋放掉了。於是，我們對代碼再次做出修改： 複製代碼MyViewController *myController = [[MyViewController alloc] init…];// ...MyViewController * __weak weakMyController = myController;myController.completionHandler =  ^(NSInteger result) {    MyViewController *strongMyController = weakMyController; 　　if (strongMyController) {        // ...        [strongMyController dismissViewControllerAnimated:YES completion:nil];        // ...    }    else {        // Probably nothing...    }};複製代碼到此，一個完善的解決方案就完成了：） 官方文檔對這個問題的說明到這裡就結束了，但是可能很多朋友會有疑問，不是說不希望Block對原myController對象增加強引用麼，這裡為啥堂而皇之地在Block內新定義了一個強引用，這個強引用不會造成循環參考嗎？理解這個問題的關鍵在於理解被Block捕獲的引用和在Block內定義的引用的區別。為了搞得明白這個問題，這裡需要瞭解一些Block的實現原理，但由於篇幅的緣故，本文在這裡就不展開了，詳細的內容可以參考其他的文章，這裡精選唐巧的文章和另外2位作者的博文：這個和這個，講的都比較清楚。 這裡假設大家已經對Block的實現原理有所瞭解了。我們就直入主題了！注意前方高能（=。=） 為了更清楚地說明問題，這裡用一個簡單的程式舉例。比如我們有如下程式： 複製代碼#include <stdio.h> int main(){    int b = 10;        int *a = &b;        void (^blockFunc)() = ^(){            int *c = a;     };        blockFunc();        return 1;}複製代碼程式中，同為int型的指標，a是被Block捕獲的變數，而c是在Block內定義的變數。我們用clang -rewrite-objc處理後，可以看到如下代碼： 原main函數： 複製代碼int main(){    int b = 10;     int *a = &b;     void (*blockFunc)() = (void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, a);     ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)blockFunc)->FuncPtr)((__block_impl *)blockFunc);     return 1;}複製代碼Block的結構： 複製代碼struct __main_block_impl_0 {  struct __block_impl impl;  struct __main_block_desc_0* Desc;    int *a; // 被捕獲的引用 a 出現在了block的結構體裡面    __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int *_a, int flags=0) : a(_a) {    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;    impl.Flags = flags;    impl.FuncPtr = fp;    Desc = desc;  }};複製代碼實際執行的函數： 複製代碼static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {  int *a = __cself->a; // bound by copy          int *c = a; // 在block中聲明的引用 c 在函數中聲明，存在於函數棧上     }複製代碼我們可以清楚得看到，a和c存在的位置完全不同，如果Block存在於堆上（在ARC下Block預設在堆上），那麼a作為Block結構體的一個成員，也自然會存在於堆上，而c無論如何，永遠位於Block內實際執行代碼的函數棧內。這也導致了兩個變數生命週期的完全不同：c在Block的函數運行完畢，即會被釋放，而a呢，只有在Block被從堆上釋放的時候才會釋放。 回到我們的MyViewController的例子中，同上理，如果我們直接讓Block捕獲我們的myController引用，那麼這個引用會被複製後（參考型別也會被複製）作為Block的成員變數存在於其所在的堆空間中，也就是為Block增加了一個指向myController對象的強引用，這就是造成循環參考的本質原因。對於MyViewController的例子，Block的結構體可以理解是這個樣子：（準確的結構體肯定和以下這個有區別，但也肯定是如下這種形式：） 複製代碼struct __main_block_impl_0 {  struct __block_impl impl;  struct __main_block_desc_0* Desc;    MyViewController * __strong myController;  // 被捕獲的強引用myController    __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int *_a, int flags=0) : a(_a) {    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;    impl.Flags = flags;    impl.FuncPtr = fp;    Desc = desc;  }};複製代碼而反觀我們給Block傳入一個弱引用weakMyController，這時我們Block的結構： 複製代碼struct __main_block_impl_0 {  struct __block_impl impl;  struct __main_block_desc_0* Desc;    MyViewController * __weak weakMyController;  // 被捕獲的弱引用weakMyController    __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int *_a, int flags=0) : a(_a) {    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;    impl.Flags = flags;    impl.FuncPtr = fp;    Desc = desc;  }};複製代碼再看在Block內聲明的強引用strongMyController，它雖然是強引用，但存在於函數棧中，在函數執行期間，它一直存在，所以myController對象也一直存在，但是當函數執行完畢，strongMyController即被銷毀，於是它對myController對象的強引用也被解除，這時Block對myController對象就不存在強參考關聯性了！加入了strongMyController的函數大體會是這個樣子： 複製代碼static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {   MyViewController * __strong strongMyController = __cself->weakMyController;      // ....     }複製代碼綜上所述，在ARC下（在MRC下會略有不同），Block捕獲的引用和Block內聲明的引用無論是存在空間與生命週期都是截然不同的，也正是這種不同，造成了我們對他們使用方式的區別。 以上就解釋了之前提到的所有問題，希望大家能看明白：） 好的，最後再提一點，在ARC中，對Block捕獲對象的記憶體管理已經簡化了很多，由於沒有了retain和release等操作，實際只需要考慮循環參考的問題就行了。比如下面這種，是沒有記憶體泄露的問題的： 複製代碼TestObject *aObject = [[TestObject alloc] init];    aObject.name = @"hehe"; self.aBlock = ^(){        NSLog(@"aObject's name = %@",aObject.name);        };複製代碼我們上面提到的解決方案，只是針對Block產生循環參考的問題，而不是說所有的Block捕獲引用都要這麼處理，一定要注意！ ARC與Toll-Free BridgingThere are a number of data types in the Core Foundation framework and the Foundation framework that can be used interchangeably. This capability, called toll-free bridging, means that you can use the same data type as the parameter to a Core Foundation function call or as the receiver of an Objective-C message.  Toll-Free Briding保證了在程式中，可以方便和諧的使用Core Foundation類型的對象和Objective-C類型的對象。詳細的內容可參考官方文檔。以下是官方文檔中給出的一些例子： 複製代碼NSLocale *gbNSLocale = [[NSLocale alloc] initWithLocaleIdentifier:@"en_GB"];CFLocaleRef gbCFLocale = (CFLocaleRef) gbNSLocale;CFStringRef cfIdentifier = CFLocaleGetIdentifier (gbCFLocale);NSLog(@"cfIdentifier: %@", (NSString *)cfIdentifier);// logs: "cfIdentifier: en_GB"CFRelease((CFLocaleRef) gbNSLocale); CFLocaleRef myCFLocale = CFLocaleCopyCurrent();NSLocale * myNSLocale = (NSLocale *) myCFLocale;[myNSLocale autorelease];NSString *nsIdentifier = [myNSLocale localeIdentifier];CFShow((CFStringRef) [@"nsIdentifier: " stringByAppendingString:nsIdentifier]);// logs identifier for current locale複製代碼在MRC時代，由於Objective-C類型的對象和Core Foundation類型的對象都是相同的release和retain操作規則，所以Toll-Free Bridging的使用比較簡單，但是自從ARC加入後，Objective-C類型的對象記憶體管理規則改變了，而Core Foundation依然是之前的機制，換句話說，Core Foundation不支援ARC。 這個時候就必須要要考慮一個問題了，在做Core Foundation與Objective-C類型轉換的時候，用哪一種規則來管理對象的記憶體。顯然，對於同一個對象，我們不能夠同時用兩種規則來管理，所以這裡就必須要確定一件事情：哪些對象用Objective-C（也就是ARC）的規則，哪些對象用Core Foundation的規則（也就是MRC）的規則。或者說要確定物件類型轉換了之後，記憶體管理的ownership的改變。 If you cast between Objective-C and Core Foundation-style objects, you need to tell the compiler about the ownership semantics of the object using either a cast (defined in objc/runtime.h) or a Core Foundation-style macro (defined inNSObject.h) 於是蘋果在引入ARC之後對Toll-Free Bridging的操作也加入了對應的方法與修飾符，用來指明用哪種規則管理記憶體，或者說是記憶體管理權的歸屬。 這些方法和修飾符分別是： __bridge（修飾符）只是宣告類型轉變，但是不做記憶體管理規則的轉變。 比如： CFStringRef s1 = (__bridge CFStringRef) [[NSString alloc] initWithFormat:@"Hello, %@!", name];只是做了NSString到CFStringRef的轉化，但管理規則未變，依然要用Objective-C類型的ARC來管理s1，你不能用CFRelease()去釋放s1。 __bridge_retained（修飾符） or CFBridgingRetain（函數）表示將指標類型轉變的同時，將記憶體管理的責任由原來的Objective-C交給Core Foundation來處理，也就是，將ARC轉變為MRC。 比如，還是上面那個例子 NSString *s1 = [[NSString alloc] initWithFormat:@"Hello, %@!", name];CFStringRef s2 = (__bridge_retained CFStringRef)s1;// do something with s2//...CFRelease(s2); // 注意要在使用結束後加這個我們在第二行做了轉化，這時記憶體管理規則由ARC變為了MRC，我們需要手動的來管理s2的記憶體，而對於s1，我們即使將其置為nil，也不能釋放記憶體。 等同的，我們的程式也可以寫成： NSString *s1 = [[NSString alloc] initWithFormat:@"Hello, %@!", name];CFStringRef s2 = (CFStringRef)CFBridgingRetain(s1);// do something with s2//...CFRelease(s2); // 注意要在使用結束後加這個__bridge_transfer（修飾符） or CFBridgingRelease（函數）這個修飾符和函數的功能和上面那個__bridge_retained相反，它表示將管理的責任由Core Foundation轉交給Objective-C，即將管理方式由MRC轉變為ARC。 比如： CFStringRef result = CFURLCreateStringByAddingPercentEscapes(. . .);NSString *s = (__bridge_transfer NSString *)result;//or NSString *s = (NSString *)CFBridgingRelease(result);return s;這裡我們將result的管理責任交給了ARC來處理，我們就不需要再顯式地將CFRelease()了。 對了，這裡你可能會注意到一個細節，和ARC中那個4個主要的修飾符（__strong,__weak,...）不同，這裡修飾符的位置是放在類型前面的，雖然官方文檔中沒有說明，但看官方的標頭檔可以知道。小夥伴們，記得別把位置寫錯哦：）     呼~ 好了，以上就是本篇文章的主要內容。這次採用了新的排版，感覺比以前有條理得多，希望的大家看的舒服。 文章中如果有任何錯誤或者問題，可以在下面留言或者給我發信，期待你們的回複。