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iOS开发ARC内存管理技术要义

www.MyException.Cn  网友分享于:2015-02-08  浏览:0次
iOS开发ARC内存管理技术要点

本文来源于我个人的ARC学习笔记,旨在通过简明扼要的方式总结出iOS开发中ARC(Automatic Reference Counting,自动引用计数)内存管理技术的要点,所以不会涉及全部细节。这篇文章不是一篇标准的ARC使用教程,并假定读者已经对ARC有了一定了解和使用经验。详细的关于ARC的信息请参见苹果的官方文档与网上的其他教程:)

本文的主要内容:

  • ARC的本质

  • ARC的开启与关闭

  • ARC的修饰符

  • ARC与Block

  • ARC与Toll-Free Bridging

ARC的本质


ARC是编译器(时)特性,而不是运行时特性,更不是垃圾回收器(GC)。

Automatic Reference Counting (ARC) is a compiler-level feature that simplifies the process of managing object lifetimes (memory management) in Cocoa applications.

ARC只是相对于MRC(Manual Reference Counting或称为非ARC,下文中我们会一直使用MRC来指代非ARC的管理方式)的一次改进,但它和之前的技术本质上没有区别。具体信息可以参考ARC编译器官方文档。

ARC的开启与关闭


不同于XCode4可以在创建工程时选择关闭ARC,XCode5在创建的工程是默认开启ARC,没有可以关闭ARC的选项。

如果需要对特定文件开启或关闭ARC,可以在工程选项中选择Targets -> Compile Phases -> Compile Sources,在里面找到对应文件,添加flag:

  • 打开ARC:-fobjc-arc

  • 关闭ARC:-fno-objc-arc

如图:

ARC的修饰符


ARC主要提供了4种修饰符,他们分别是:__strong,__weak,__autoreleasing,__unsafe_unretained。

__strong

表示引用为强引用。对应在定义property时的"strong"。所有对象只有当没有任何一个强引用指向时,才会被释放。

注意:如果在声明引用时不加修饰符,那么引用将默认是强引用。当需要释放强引用指向的对象时,需要将强引用置nil。

__weak

表示引用为弱引用。对应在定义property时用的"weak"。弱引用不会影响对象的释放,即只要对象没有任何强引用指向,即使有100个弱引用对象指向也没用,该对象依然会被释放。不过好在,对象在被释放的同时,指向它的弱引用会自动被置nil,这个技术叫zeroing weak pointer。这样有效得防止无效指针、野指针的产生。__weak一般用在delegate关系中防止循环引用或者用来修饰指向由Interface Builder编辑与生成的UI控件。

__autoreleasing

表示在autorelease pool中自动释放对象的引用,和MRC时代autorelease的用法相同。定义property时不能使用这个修饰符,任何一个对象的property都不应该是autorelease型的。

一个常见的误解是,在ARC中没有autorelease,因为这样一个“自动释放”看起来好像有点多余。这个误解可能源自于将ARC的“自动”和autorelease“自动”的混淆。其实你只要看一下每个iOS App的main.m文件就能知道,autorelease不仅好好的存在着,并且变得更fashion了:不需要再手工被创建,也不需要再显式得调用[drain]方法释放内存池。

以下两行代码的意义是相同的。

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NSString *str = [[[NSString alloc] initWithFormat:@"hehe"] autorelease]; // MRC
NSString *__autoreleasing str = [[NSString alloc] initWithFormat:@"hehe"]; // ARC

 这里关于autoreleasepool就不做展开了,详细地信息可以参考官方文档或者其他文章。

__autoreleasing在ARC中主要用在参数传递返回值(out-parameters)和引用传递参数(pass-by-reference)的情况下。

__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:

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NSError *__autoreleasing error; 
? (![data writeToFile:filename options:NSDataWritingAtomic error:&error]) 
?{ 
  NSLog(, error); 
}

(在上面的writeToFile方法中error参数的类型为(NSError *__autoreleasing *))

注意,如果你的error定义为了strong型,那么,编译器会帮你隐式地做如下事情,保证最终传入函数的参数依然是个__autoreleasing类型的引用。

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NSError *error; 
NSError *__autoreleasing tempError = error; // 编译器添加 
if (![data writeToFile:filename options:NSDataWritingAtomic error:&tempError]) 
?{ 
  error = tempError; // 编译器添加 
  NSLog(@"Error: %@", error); 
}

所以为了提高效率,避免这种情况,我们一般在定义error的时候将其(老老实实地=。=)声明为__autoreleasing类型的:

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NSError *__autoreleasing error;

在这里,加上__autoreleasing之后,相当于在MRC中对返回值error做了如下事情:

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*error = [[[NSError alloc] init] autorelease];

*error指向的对象在创建出来后,被放入到了autoreleasing pool中,等待使用结束后的自动释放,函数外error的使用者并不需要关心*error指向对象的释放。

另外一点,在ARC中,所有这种指针的指针 (NSError **)的函数参数如果不加修饰符,编译器会默认将他们认定为__autoreleasing类型。

比如下面的两段代码是等同的:

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- (NSString *)doSomething:(NSNumber **)value
{
        // do something  
}
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- (NSString *)doSomething:(NSNumber * __autoreleasing *)value
{
        // do something  
}

除非你显式得给value声明了__strong,否则value默认就是__autoreleasing的。

最后一点,某些类的方法会隐式地使用自己的autorelease pool,在这种时候使用__autoreleasing类型要特别小心。

比如NSDictionary的[enumerateKeysAndObjectsUsingBlock]方法:

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- (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];
          }
?
    }];
?}

会隐式地创建一个autorelease pool,上面代码实际类似于:

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- (void)loopThroughDictionary:(NSDictionary *)dict error:(NSError **)error
{
    [dict enumerateKeysAndObjectsUsingBlock:^(id key, id obj, BOOL *stop){
 
          @autoreleasepool  // 被隐式创建
      {
              if (there is some error && error != nil)
              {
                    *error = [NSError errorWithDomain:@"MyError" ?code:1 userInfo:nil];
              }
?          }
    }];
 
    // *error 在这里已经被dict的做枚举遍历时创建的autorelease pool释放掉了 :(  
?}

为了能够正常的使用*error,我们需要一个strong型的临时引用,在dict的枚举Block中是用这个临时引用,保证引用指向的对象不会在出了dict的枚举Block后被释放,正确的方式如下:

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- (void)loopThroughDictionary:(NSDictionary *)dict error:(NSError **)error
{
  __block NSError* tempError; // 加__block保证可以在Block内被修改  
  [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; 
  } ?
}

__unsafe_unretained

ARC是在iOS 5引入的,而这个修饰符主要是为了在ARC刚发布时兼容iOS 4以及版本更低的设备,因为这些版本的设备没有weak pointer system,简单的理解这个系统就是我们上面讲weak时提到的,能够在weak引用指向对象被释放后,把引用值自动设为nil的系统。这个修饰符在定义property时对应的是"unsafe_unretained",实际可以将它理解为MRC时代的assign:纯粹只是将引用指向对象,没有任何额外的操作,在指向对象被释放时依然原原本本地指向原来被释放的对象(所在的内存区域)。所以非常不安全。

现在可以完全忽略掉这个修饰符了,因为iOS 4早已退出历史舞台很多年。

*使用修饰符的正确姿势(方式=。=)

这可能是很多人都不知道的一个问题,包括之前的我,但却是一个特别要注意的问题。

苹果的文档中明确地写道:

You should decorate variables correctly. When using qualifiers in an object variable declaration,

the correct format is:

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ClassName * qualifier variableName;

按照这个说明,要定义一个weak型的NSString引用,它的写法应该是:

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NSString * __weak str = @"hehe"// 正确!

而不应该是:

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__weak NSString *str = @"hehe";  // 错误!

我相信很多人都和我一样,从开始用ARC就一直用上面那种错误的写法。

那这里就有疑问了,既然文档说是错误的,为啥编译器不报错呢?文档又解释道:

Other variants are technically incorrect but are “forgiven” by the compiler. To understand the issue, seehttp://cdecl.org/.

好吧,看来是苹果爸爸(=。=)考虑到很多人会用错,所以在编译器这边贴心地帮我们忽略并处理掉了这个错误:)虽然不报错,但是我们还是应该按照正确的方式去使用这些修饰符,如果你以前也常常用错误的写法,那看到这里记得以后不要这么写了,哪天编译器怒了,再不支持错误的写法,就要郁闷了。

栈中指针默认值为nil

无论是被strong,weak还是autoreleasing修饰,声明在栈中的指针默认值都会是nil。所有这类型的指针不用再初始化的时候置nil了。虽然好习惯是最重要的,但是这个特性更加降低了“野指针”出现的可能性。

在ARC中,以下代码会输出null而不是crash:)

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- (void)myMethod 
{
    NSString *name;
    NSLog(@"name: %@", name);
}

ARC与Block


在MRC时代,Block会隐式地对进入其作用域内的对象(或者说被Block捕获的指针指向的对象)加retain,来确保Block使用到该对象时,能够正确的访问。

这件事情在下面代码展示的情况中要更加额外小心。

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MyViewController *myController = [[MyViewController alloc] init…];
 
// 隐式地调用[myController retain];造成循环引用
myController.completionHandler =  ^(NSInteger result) {
   [myController dismissViewControllerAnimated:YES completion:nil];
};
 
[self presentViewController:myController animated:YES completion:^{
   [myController release]; // 注意,这里调用[myController release];是在MRC中的一个常规写法,并不能解决上面循环引用的问题
}];

在这段代码中,myController的completionHandler调用了myController的方法[dismissViewController...],这时completionHandler会对myController做retain操作。而我们知道,myController对completionHandler也至少有一个retain(一般准确讲是copy),这时就出现了在内存管理中最糟糕的情况:循环引用!简单点说就是:myController retain了completionHandler,而completionHandler也retain了myController。循环引用导致了myController和completionHandler最终都不能被释放。我们在delegate关系中,对delegate指针用weak就是为了避免这种问题。

不过好在,编译器会及时地给我们一个警告,提醒我们可能会发生这类型的问题:

对这种情况,我们一般用如下方法解决:给要进入Block的指针加一个__block修饰符。

这个__block在MRC时代有两个作用:

  • 说明变量可改

  • 说明指针指向的对象不做这个隐式的retain操作

一个变量如果不加__block,是不能在Block里面修改的,不过这里有一个例外:static的变量和全局变量不需要加__block就可以在Block中修改。

使用这种方法,我们对代码做出修改,解决了循环引用的问题:

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MyViewController * __block myController = [[MyViewController alloc] init…];
// ...
myController.completionHandler =  ^(NSInteger result) {
    [myController dismissViewControllerAnimated:YES completion:nil];
};
//之后正常的release或者retain

在ARC引入后,没有了retain和release等操作,情况也发生了改变:在任何情况下,__block修饰符的作用只有上面的第一条:说明变量可改。即使加上了__block修饰符,一个被block捕获的强引用也依然是一个强引用。这样在ARC下,如果我们还按照MRC下的写法,completionHandler对myController有一个强引用,而myController对completionHandler有一个强引用,这依然是循环引用,没有解决问题:(

于是我们还需要对原代码做修改。简单的情况我们可以这样写:

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__block MyViewController * myController = [[MyViewController alloc] init…];
// ...
myController.completionHandler =  ^(NSInteger result) {
    [myController dismissViewControllerAnimated:YES completion:nil];
    myController = nil;  // 注意这里,保证了block结束myController强引用的解除
};

在completionHandler之后将myController指针置nil,保证了completionHandler对myController强引用的解除,不过也同时解除了myController对myController对象的强引用。这种方法过于简单粗暴了,在大多数情况下,我们有更好的方法。

这个更好的方法就是使用weak。(或者为了考虑iOS4的兼容性用unsafe_unretained,具体用法和weak相同,考虑到现在iOS4设备可能已经绝迹了,这里就不讲这个方法了)(关于这个方法的本质我们后面会谈到)

为了保证completionHandler这个Block对myController没有强引用,我们可以定义一个临时的弱引用weakMyViewController来指向原myController的对象,并把这个弱引用传入到Block内,这样就保证了Block对myController持有的是一个弱引用,而不是一个强引用。如此,我们继续修改代码:

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MyViewController *myController = [[MyViewController alloc] init…];
// ...
MyViewController * __weak weakMyViewController = myController;
myController.completionHandler =  ^(NSInteger result) {
    [weakMyViewController dismissViewControllerAnimated:YES completion:nil];
};

这样循环引用的问题就解决了,但是却不幸地引入了一个新的问题:由于传入completionHandler的是一个弱引用,那么当myController指向的对象在completionHandler被调用前释放,那么completionHandler就不能正常的运作了。在一般的单线程环境中,这种问题出现的可能性不大,但是到了多线程环境,就很不好说了,所以我们需要继续完善这个方法。

为了保证在Block内能够访问到正确的myController,我们在block内新定义一个强引用strongMyController来指向weakMyController指向的对象,这样多了一个强引用,就能保证这个myController对象不会在completionHandler被调用前释放掉了。于是,我们对代码再次做出修改:

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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...
    }
};

到此,一个完善的解决方案就完成了:)

官方文档对这个问题的说明到这里就结束了,但是可能很多朋友会有疑问,不是说不希望Block对原myController对象增加强引用么,这里为啥堂而皇之地在Block内新定义了一个强引用,这个强引用不会造成循环引用么?理解这个问题的关键在于理解被Block捕获的引用和在Block内定义的引用的区别。为了搞得明白这个问题,这里需要了解一些Block的实现原理,但由于篇幅的缘故,本文在这里就不展开了,详细的内容可以参考其他的文章,这里特别推荐唐巧的文章和另外2位作者的博文:这个和这个,讲的都比较清楚。

这里假设大家已经对Block的实现原理有所了解了。我们就直入主题了!注意前方高能(=。=)

为了更清楚地说明问题,这里用一个简单的程序举例。比如我们有如下程序:

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#include < stdio.h>
 
int main()
{
    int b = 10;
     
    int *a = &b;
     
    void (^blockFunc)() = ^(){
     
        int *c = a;
 
    };
     
    blockFunc();
     
    return 1;
}

程序中,同为int型的指针,a是被Block捕获的变量,而c是在Block内定义的变量。我们用clang -rewrite-objc处理后,可以看到如下代码:

原main函数:

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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;
}

Block的结构:

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struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
   
  int *a; // 被捕获的引用 a 出现在了block的结构体里面
   
  __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;
  }
};

实际执行的函数:

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static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
  int *a = __cself->a; // bound by copy
 
 
        int *c = a; // 在block中声明的引用 c 在函数中声明,存在于函数栈上
 
    }

我们可以清楚得看到,a和c存在的位置完全不同,如果Block存在于堆上(在ARC下Block默认在堆上),那么a作为Block结构体的一个成员,也自然会存在于堆上,而c无论如何,永远位于Block内实际执行代码的函数栈内。这也导致了两个变量生命周期的完全不同:c在Block的函数运行完毕,即会被释放,而a呢,只有在Block被从堆上释放的时候才会释放。

回到我们的MyViewController的例子中,同上理,如果我们直接让Block捕获我们的myController引用,那么这个引用会被复制后(引用类型也会被复制)作为Block的成员变量存在于其所在的堆空间中,也就是为Block增加了一个指向myController对象的强引用,这就是造成循环引用的本质原因。对于MyViewController的例子,Block的结构体可以理解是这个样子:(准确的结构体肯定和以下这个有区别,但也肯定是如下这种形式:)

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struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
   
  MyViewController * __strong myController;  // 被捕获的强引用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;
  }
};

而反观我们给Block传入一个弱引用weakMyController,这时我们Block的结构:

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struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
   
  MyViewController * __weak weakMyController;  // 被捕获的弱引用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;
  }
};

再看在Block内声明的强引用strongMyController,它虽然是强引用,但存在于函数栈中,在函数执行期间,它一直存在,所以myController对象也一直存在,但是当函数执行完毕,strongMyController即被销毁,于是它对myController对象的强引用也被解除,这时Block对myController对象就不存在强引用关系了!加入了strongMyController的函数大体会是这个样子:

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static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
 
  MyViewController * __strong strongMyController = __cself->weakMyController; 
 
    // ....
 
    }

综上所述,在ARC下(在MRC下会略有不同),Block捕获的引用和Block内声明的引用无论是存在空间与生命周期都是截然不同的,也正是这种不同,造成了我们对他们使用方式的区别。

以上就解释了之前提到的所有问题,希望大家能看明白:)

好的,最后再提一点,在ARC中,对Block捕获对象的内存管理已经简化了很多,由于没有了retain和release等操作,实际只需要考虑循环引用的问题就行了。比如下面这种,是没有内存泄露的问题的:

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TestObject *aObject = [[TestObject alloc] init];
     
aObject.name = @"hehe";
 
self.aBlock = ^(){
     
    NSLog(@"aObject's name = %@",aObject.name);
         
};

我们上面提到的解决方案,只是针对Block产生循环引用的问题,而不是说所有的Block捕获引用都要这么处理,一定要注意!

ARC与Toll-Free Bridging


There 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保证了在程序中,可以方便和谐的使用Core Foundation类型的对象和Objective-C类型的对象。详细的内容可参考官方文档。以下是官方文档中给出的一些例子:

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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

在MRC时代,由于Objective-C类型的对象和Core Foundation类型的对象都是相同的release和retain操作规则,所以Toll-Free Bridging的使用比较简单,但是自从ARC加入后,Objective-C类型的对象内存管理规则改变了,而Core Foundation依然是之前的机制,换句话说,Core Foundation不支持ARC。

这个时候就必须要要考虑一个问题了,在做Core Foundation与Objective-C类型转换的时候,用哪一种规则来管理对象的内存。显然,对于同一个对象,我们不能够同时用两种规则来管理,所以这里就必须要确定一件事情:哪些对象用Objective-C(也就是ARC)的规则,哪些对象用Core Foundation的规则(也就是MRC)的规则。或者说要确定对象类型转换了之后,内存管理的ownership的改变。

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)

于是苹果在引入ARC之后对Toll-Free Bridging的操作也加入了对应的方法与修饰符,用来指明用哪种规则管理内存,或者说是内存管理权的归属。

这些方法和修饰符分别是:

__bridge(修饰符)

只是声明类型转变,但是不做内存管理规则的转变。

比如:

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CFStringRef s1 = (__bridge CFStringRef) [[NSString alloc] initWithFormat:@"Hello, %@!", name];

只是做了NSString到CFStringRef的转化,但管理规则未变,依然要用Objective-C类型的ARC来管理s1,你不能用CFRelease()去释放s1。

__bridge_retained(修饰符) or CFBridgingRetain(函数)

表示将指针类型转变的同时,将内存管理的责任由原来的Objective-C交给Core Foundation来处理,也就是,将ARC转变为MRC。

比如,还是上面那个例子

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NSString *s1 = [[NSString alloc] initWithFormat:@"Hello, %@!", name];
?CFStringRef s2 = (__bridge_retained CFStringRef)s1;
?// do something with s2
//...
?CFRelease(s2); // 注意要在使用结束后加这个

我们在第二行做了转化,这时内存管理规则由ARC变为了MRC,我们需要手动的来管理s2的内存,而对于s1,我们即使将其置为nil,也不能释放内存。

等同的,我们的程序也可以写成:

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NSString *s1 = [[NSString alloc] initWithFormat:@"Hello, %@!", name];
?CFStringRef s2 = (CFStringRef)CFBridgingRetain(s1);
?// do something with s2
//...
?CFRelease(s2); // 注意要在使用结束后加这个

__bridge_transfer(修饰符) or CFBridgingRelease(函数)

这个修饰符和函数的功能和上面那个__bridge_retained相反,它表示将管理的责任由Core Foundation转交给Objective-C,即将管理方式由MRC转变为ARC。

比如:

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CFStringRef result = CFURLCreateStringByAddingPercentEscapes(. . .);
?NSString *s = (__bridge_transfer NSString *)result;
//or NSString *s = (NSString *)CFBridgingRelease(result);
?return s;

这里我们将result的管理责任交给了ARC来处理,我们就不需要再显式地将CFRelease()了。

对了,这里你可能会注意到一个细节,和ARC中那个4个主要的修饰符(__strong,__weak,...)不同,这里修饰符的位置是放在类型前面的,虽然官方文档中没有说明,但看官方的头文件可以知道。小伙伴们,记得别把位置写错哦:)

呼~ 好了,以上就是本篇文章的主要内容。
(本文作者:不忘初“辛”)

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