iPhone/Mac Objective-C記憶體管理教程和原理剖析(一)基本原理
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版本 1.1 發表於2010-03-08
前言
初學objectice-C的朋友都有一個困惑，總覺得對objective-C的記憶體管理機制琢磨不透，程式經常記憶體洩漏或莫名其妙的崩潰。我在這裡總結了自己對objective-C記憶體管理機制的研究成果和經驗，寫了這麼一個由淺入深的教程。希望對大家有所幫助，也歡迎大家一起探討。
此文涉及的記憶體管理是針對於繼承於NSObject的Class。
一 基本原理
Objective-C的記憶體管理機制與.Net/Java那種全自動的垃圾回收機制是不同的，它本質上還是C語言中的手動管理方式，只不過稍微加了一些自動方法。
1 Objective-C的物件生成於堆之上，生成之後，需要一個指標來指向它。
ClassA *obj1 = [[ClassA alloc] init];
2 Objective-C的物件在使用完成之後不會自動銷燬，需要執行dealloc來釋放空間（銷燬），否則記憶體洩露。
[obj1 dealloc];
這帶來了一個問題。下面程式碼中obj2是否需要呼叫dealloc？
ClassA *obj1 = [[ClassA alloc] init];
ClassA *obj2 = obj1;
[obj1 hello]; //輸出hello
[obj1 dealloc];
[obj2 hello]; //能夠執行這一行和下一行嗎？
[obj2 dealloc];
不能，因為obj1和obj2只是指標，它們指向同一個物件，[obj1 dealloc]已經銷燬這個物件了，不能再呼叫[obj2 hello]和[obj2 dealloc]。obj2實際上是個無效指標。
如何避免無效指標？請看下一條。
3 Objective-C採用了引用計數(ref count或者retain count)。物件的內部儲存一個數字，表示被引用的次數。例如，某個物件被兩個指標所指向（引用）那麼它的retain count為2。需要銷燬物件的時候，不直接呼叫dealloc，而是呼叫release。release會讓retain count減1，只有retain count等於0，系統才會呼叫dealloc真正銷燬這個物件。
ClassA *obj1 = [[ClassA alloc] init]; //物件生成時，retain count = 1
[obj1 release]; //release使retain count減1，retain count = 0，dealloc自動被呼叫,物件被銷燬
我們回頭看看剛剛那個無效指標的問題，把dealloc改成release解決了嗎？
ClassA *obj1 = [[ClassA alloc] init]; //retain count = 1
ClassA *obj2 = obj1; //retain count = 1
[obj1 hello]; //輸出hello
[obj1 release]; //retain count = 0，物件被銷燬
[obj2 hello];
[obj2 release];
[obj1 release]之後，obj2依然是個無效指標。問題依然沒有解決。解決方法見下一條。
4 Objective-C指標賦值時，retain count不會自動增加，需要手動retain。
ClassA *obj1 = [[ClassA alloc] init]; //retain count = 1
ClassA *obj2 = obj1; //retain count = 1
[obj2 retain]; //retain count = 2
[obj1 hello]; //輸出hello
[obj1 release]; //retain count = 2 – 1 = 1
[obj2 hello]; //輸出hello
[obj2 release]; //retain count = 0，物件被銷燬
問題解決！注意，如果沒有呼叫[obj2 release]，這個物件的retain count始終為1，不會被銷燬，記憶體洩露。(1-4可以參考附件中的示例程式memman-no-pool.m)
這樣的確不會記憶體洩露，但似乎有點麻煩，有沒有簡單點的方法？見下一條。
5 Objective-C中引入了autorelease pool（自動釋放物件池），在遵守一些規則的情況下，可以自動釋放物件。（autorelease pool依然不是.Net/Java那種全自動的垃圾回收機制）
5.1 新生成的物件，只要呼叫autorelease就行了，無需再呼叫release！
ClassA *obj1 = [[[ClassA alloc] init] autorelease]; //retain count = 1 但無需呼叫release
5.2 對於存在指標賦值的情況，程式碼與前面類似。
ClassA *obj1 = [[[ClassA alloc] init] autorelease]; //retain count = 1
ClassA *obj2 = obj1; //retain count = 1
[obj2 retain]; //retain count = 2
[obj1 hello]; //輸出hello
//對於obj1，無需呼叫（實際上不能呼叫）release
[obj2 hello]; //輸出hello
[obj2 release]; //retain count = 2-1 = 1
細心的讀者肯定能發現這個物件沒有被銷燬，何時銷燬呢？誰去銷燬它？（可以參考附件中的示例程式memman-with-pool.m）請看下一條。
6 autorelease pool原理剖析。（其實很簡單的，一定要堅持看下去，否則還是不能理解Objective-C的記憶體管理機制。）
6.1 autorelease pool不是天生的，需要手動創立。只不過在新建一個iphone專案時，xcode會自動幫你寫好。autorelease pool的真名是NSAutoreleasePool。
NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
6.2 NSAutoreleasePool內部包含一個數組（NSMutableArray），用來儲存宣告為autorelease的所有物件。如果一個物件宣告為autorelease，系統所做的工作就是把這個物件加入到這個陣列中去。
ClassA *obj1 = [[[ClassA alloc] init] autorelease]; //retain count = 1，把此物件加入autorelease pool中
6.3 NSAutoreleasePool自身在銷燬的時候，會遍歷一遍這個陣列，release陣列中的每個成員。如果此時陣列中成員的retain count為1，那麼release之後，retain count為0，物件正式被銷燬。如果此時陣列中成員的retain count大於1，那麼release之後，retain count大於0，此物件依然沒有被銷燬，記憶體洩露。
6.4 預設只有一個autorelease pool，通常類似於下面這個例子。
int main (int argc, const char *argv[])
{
NSAutoreleasePool *pool;
pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
// do something
[pool release];
return (0);
} // main
所有標記為autorelease的物件都只有在這個pool銷燬時才被銷燬。如果你有大量的物件標記為autorelease，這顯然不能很好的利用記憶體，在iphone這種記憶體受限的程式中是很容易造成記憶體不足的。例如：
int main (int argc, const char *argv[])
{
NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
int i, j;
for (i = 0; i < 100; i++ )
{
for (j = 0; j < 100000; j++ )
[NSString stringWithFormat:@"1234567890"];//產生的物件是autorelease的。
}
[pool release];
return (0);
} // main
（可以參考附件中的示例程式memman-many-objs-one-pool.m，執行時通過監控工具可以發現使用的記憶體在急劇增加，直到pool銷燬時才被釋放）你需要考慮下一條。
7 Objective-C程式中可以巢狀建立多個autorelease pool。在需要大量建立區域性變數的時候，可以建立內嵌的autorelease pool來及時釋放記憶體。（感謝網友hhyytt和neogui的提醒，某些情況下，系統會自動建立autorelease pool, 請參見第四章）
int main (int argc, const char *argv[])
{
NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
int i, j;
for (i = 0; i < 100; i++ )
{
NSAutoreleasePool *loopPool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
for (j = 0; j < 100000; j++ )
[NSString stringWithFormat:@"1234567890"];//產生的物件是autorelease的。
[loopPool release];
}
[pool release];
return (0);
} // main
（可以參考附件中的示例程式memman-many-objs-many-pools.m，佔用記憶體的變化極小）