iOS/OS X記憶體管理（一）：基本概念與原理

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在Objective-C的記憶體管理中，其實就是引用計數（reference count）的管理。記憶體管理就是在程式需要時程式設計師分配一段記憶體空間，而當使用完之後將它釋放。如果程式設計師對記憶體資源使用不當，有時不僅會造成記憶體資源浪費，甚至會導致程式crach。我們將會從引用計數和記憶體管理規則等基本概念開始，然後講述有哪些記憶體管理方法，最後注意有哪些常見記憶體問題。

memory management from apple document

基本概念

引用計數（Reference Count）

為了解釋引用計數，我們做一個類比：員工在辦公室使用燈的情景。

引用Pro Multithreading and Memory Management for iOS and OS X的圖

當第一個人進入辦公室時，他需要使用燈，於是開燈，引用計數為1；
當另一個人進入辦公室時，他也需要燈，引用計數為2；每當多一個人進入辦公室時，引用計數加1；
當有一個人離開辦公室時，引用計數減1，當引用計數為0時，也就是最後一個人離開辦公室時，他不再需要使用燈，關燈離開辦公室。

記憶體管理規則

從上面員工在辦公室使用燈的例子，我們對比一下燈的動作與Objective-C物件的動作有什麼相似之處：

因為我們是通過引用計數來管理燈，那麼我們也可以通過引用計數來管理使用Objective-C物件。

引用Pro Multithreading and Memory Management for iOS and OS X的圖

而Objective-C物件的動作對應有哪些方法以及這些方法對引用計數有什麼影響？

當你alloc一個物件objc，此時RC=1；在某個地方你又retain這個物件objc，此時RC加1，也就是RC=2；由於呼叫alloc/retain一次，對應需要呼叫release一次來釋放物件objc，所以你需要release物件objc兩次，此時RC=0；而當RC=0時，系統會自動呼叫dealloc方法釋放物件。

Autorelease Pool

在開發中，我們常常都會使用到區域性變數，區域性變數一個特點就是當它超過作用域時，就會自動釋放。而autorelease pool跟區域性變數類似，當執行程式碼超過autorelease pool塊時，所有放在autorelease pool的物件都會自動呼叫release。它的工作原理如下：

建立一個NSAutoreleasePool物件；
在autorelease pool塊的物件呼叫autorelease方法；
釋放NSAutoreleasePool物件。

引用Pro Multithreading and Memory Management for iOS and OS X的圖

iOS 5/OS X Lion前的（等下會介紹引入ARC的寫法）例項程式碼如下：

NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
// put object into pool
id obj = [[NSObject alloc] init];
[obj autorelease];
[pool drain];
/* 超過autorelease pool作用域範圍時，obj會自動呼叫release方法 */

由於放在autorelease pool的物件並不會馬上釋放，如果有大量圖片資料放在這裡的話，將會導致記憶體不足。

for (int i = 0; i < numberOfImages; i++)
{
/* 處理圖片，例如載入
* 太多autoreleased objects存在
* 由於NSAutoreleasePool物件沒有被釋放
* 在某個時刻，會導致記憶體不足
*/
}

ARC管理方法

iOS/OS X記憶體管理方法有兩種：手動引用計數(Manual Reference Counting)和自動引用計數(Automatic Reference Counting)。從OS X Lion和iOS 5開始，不再需要程式設計師手動呼叫retain和release方法來管理Objective-C物件的記憶體，而是引入一種新的記憶體管理機制Automatic Reference Counting(ARC)，簡單來說，它讓編譯器來代替程式設計師來自動加入retain和release方法來持有和放棄物件的所有權。

在ARC記憶體管理機制中，id和其他物件型別變數必須是以下四個ownership qualifiers其中一個來修飾：

__strong(預設，如果不指定其他，編譯器就預設加入)
__weak
__unsafe_unretained
__autoreleasing

所以在管理Objective-C物件記憶體的時候，你必須選擇其中一個，下面會用一些列子來逐個解釋它們的含義以及如何選擇它們。

__strong ownership qualifier

如果我想建立一個字串，使用完之後將它釋放呼叫，使用MRC管理記憶體的寫法應該是這樣：

{
NSString *text = @"Hello, world"; //@"Hello, world"物件的RC=1
NSLog(@"%@", text);
[text release]; //@"Hello, world"物件的RC=0
}

而如果是使用ARC方式的話，就text物件無需呼叫release方法，而是當text變數超過作用域時，編譯器來自動加入[text release]方法來釋放記憶體。

{
NSString *text = @"Hello, world"; //@"Hello, world"物件的RC=1
NSLog(@"%@", text);
}
/*
* 當text超過作用域時，@"Hello, world"物件會自動釋放，RC=0
*/

而當你將text賦值給其他變數anotherText時，MRC需要retain一下來持有所有權，當text和anotherText使用完之後，各個呼叫release方法來釋放。

{
NSString *text = @"Hello, world"; //@"Hello, world"物件的RC=1
NSLog(@"%@", text);
NSString *anotherText = text; //@"Hello, world"物件的RC=1
[anotherText retain]; //@"Hello, world"物件的RC=2
NSLog(@"%@", anotherText);
[text release]; //@"Hello, world"物件的RC=1
[anotherText release]; //@"Hello, world"物件的RC=0
}

而使用ARC的話，並不需要呼叫retain和release方法來持有跟釋放物件。

{
NSString *text = @"Hello, world"; //@"Hello, world"物件的RC=1
NSLog(@"%@", text);
NSString *anotherText = text; //@"Hello, world"物件的RC=2
NSLog(@"%@", anotherText);
}
/*
* 當text和anotherText超過作用域時，會自動呼叫[text release]和[anotherText release]方法， @"Hello, world"物件的RC=0
*/

除了當__strong變數超過作用域時，編譯器會自動加入release語句來釋放記憶體，如果你將__strong變數重新賦給它其他值，那麼編譯器也會自動加入release語句來釋放變數指向之前的物件。例如：

{
NSString *text = @"Hello, world"; //@"Hello, world"物件的RC=1
NSString *anotherText = text; //@"Hello, world"物件的RC=2
NSString *anotherText = @"Sam Lau"; // 由於anotherText物件引用另一個物件@"Sam Lau"，那麼就會自動呼叫[anotherText release]方法，使得@"Hello, world"物件的RC=1, @"Sam Lau"物件的RC=1
}
/*
* 當text和anotherText超過作用域時，會自動呼叫[text release]和[anotherText release]方法，
* @"Hello, world"物件的RC=0和@"Sam Lau"物件的RC=0
*/

如果變數var被__strong修飾，當變數var指向某個物件objc，那麼變數var持有某個物件objc的所有權。

前面已經提過記憶體管理的四條規則：

我們總結一下編譯器是按以下方法來實現的：

對於規則1和規則2，是通過__strong變數來實現；
對於規則3來說，當變數超過它的作用域或被賦值或成員變數被丟棄時就能實現；
對於規則4，當RC=0時，系統就會自動呼叫。

__weak ownership qualifier

其實編譯器根據__strong修飾符來管理物件記憶體。但是__strong並不能解決引用迴圈(Reference Cycle)問題：物件A持有物件B，反過來，物件B持有物件A；這樣會導致不能釋放記憶體造成記憶體洩露問題。

引用Pro Multithreading and Memory Management for iOS and OS X的圖

舉一個簡單的例子，有一個類Test有個屬性objc，有兩個物件test1和test2的屬性objc互相引用test1和test2：

@interface Test : NSObject
@property (strong, nonatomic) id objc;
@end

{
Test *test1 = [Test new]; /* 物件a */
/* test1有一個強引用到物件a */
Test *test2 = [Test new]; /* 物件b */
/* test2有一個強引用到物件b */
test1.objc = test2; /* 物件a的成員變數objc有一個強引用到物件b */
test2.objc = test1; /* 物件b的成員變數objc有一個強引用到物件a */
}
/* 當變數test1超過它作用域時，它指向a物件會自動release
* 當變數test2超過它作用域時，它指向b物件會自動release
*
* 此時，b物件的objc成員變數仍持有一個強引用到物件a
* 此時，a物件的objc成員變數仍持有一個強引用到物件b
* 於是發生記憶體洩露
*/

如何解決？於是我們引用一個__weakownership qualifier，被它修飾的變數都不持有物件的所有權，而且當變數指向的物件的RC為0時，變數設定為nil。例如：

__weak NSString *text = @"Sam Lau";
NSLog(@"%@", text);

由於text變數被__weak修飾，text並不持有@"Sam Lau"物件的所有權，@"Sam Lau"物件一建立就馬上被釋放，並且編譯器給出警告⚠️，所以列印結果為(null)。

所以，針對剛才的引用迴圈問題，只需要將Test類的屬性objc設定weak修飾符，那麼就能解決。

@interface Test : NSObject
@property (weak, nonatomic) id objc;
@end

{
Test *test1 = [Test new]; /* 物件a */
/* test1有一個強引用到物件a */
Test *test2 = [Test new]; /* 物件b */
/* test2有一個強引用到物件b */
test1.objc = test2; /* 物件a的成員變數objc不持有物件b */
test2.objc = test1; /* 物件b的成員變數objc不持有物件a */
}
/* 當變數test1超過它作用域時，它指向a物件會自動release
* 當變數test2超過它作用域時，它指向b物件會自動release
*/

__unsafe_unretained ownership qualifier

__unsafe_unretained ownership qualifier，正如名字所示，它是不安全的。它跟__weak相似，被它修飾的變數都不持有物件的所有權，但當變數指向的物件的RC為0時，變數並不設定為nil，而是繼續儲存物件的地址；這樣的話，物件有可能已經釋放，但繼續訪問，就會造成非法訪問(Invalid Access)。例子如下：

__unsafe_unretained id obj0 = nil;
{
id obj1 = [[NSObject alloc] init]; // 物件A
/* 由於obj1是強引用，所以obj1持有物件A的所有權，物件A的RC=1 */
obj0 = obj1;
/* 由於obj0是__unsafe_unretained，它不持有物件A的所有權，但能夠引用它，物件A的RC=1 */
NSLog(@"A: %@", obj0);
}
/* 當obj1超過它的作用域時，它指向的物件A將會自動釋放 */
NSLog(@"B: %@", obj0);
/* 由於obj0是__unsafe_unretained，當它指向的物件RC=0時，它會繼續儲存物件的地址，所以兩個地址相同 */

列印結果是記憶體地址相同：

如果將__unsafe_unretained改為weak的話，兩個列印結果將不同。

__weak id obj0 = nil;
{
id obj1 = [[NSObject alloc] init]; // 物件A
/* 由於obj1是強引用，所以obj1持有物件A的所有權，物件A的RC=1 */
obj0 = obj1;
/* 由於obj0是__unsafe_unretained，它不持有物件A的所有權，但能夠引用它，物件A的RC=1 */
NSLog(@"A: %@", obj0);
}
/* 當obj1超過它的作用域時，它指向的物件A將會自動釋放 */
NSLog(@"B: %@", obj0);
/* 由於obj0是__weak，當它指向的物件RC=0時，它會自動設定為nil，所以兩個列印結果將不同*/

__autoreleasing ownership qualifier

引入ARC之後，讓我們看看autorelease pool有哪些變化。沒有ARC之前的寫法如下：

NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
// put object into pool
id obj = [[NSObject alloc] init];
[obj autorelease];
[pool drain];
/* 超過autorelease pool作用域範圍時，obj會自動呼叫release方法 */

引入ARC之後，寫法比之前更加簡潔：

@autoreleasepool {
id __autoreleasing obj = [[NSObject alloc] init];
}

相比之前的建立、使用和釋放NSAutoreleasePool物件，現在你只需要將程式碼放在@autoreleasepool塊即可。你也不需要呼叫autorelease方法了，只需要用__autoreleasing修飾變數即可。

引用Pro Multithreading and Memory Management for iOS and OS X的圖

但是我們很少或基本上不使用autorelease pool。當我們使用XCode建立工程後，有一個app的入口檔案main.m使用了它：

int main(int argc, char * argv[]) {
@autoreleasepool {
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__weak ownership qualifier

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