Objective-C內存管理教程和原理剖析
Objective-C內存管理教程和原理剖析，是在iPhone 和Mac平臺的基礎上，我們先來看內容。
初學objectice-C的朋友都有一個困惑，總覺得對objective-C的內存管理機制琢磨不透，程序經常內存泄漏或莫名其妙的崩潰。我在這里總結了自己對objective-C內存管理機制的研究成果和經驗，寫了這么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。
一 基本原理
Objective-C的內存管理機制與.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的對象生成于堆之上，生成之后，需要一個指針來指向它。
- ClassA *obj1 = [[ClassA alloc] init];
2 Objective-C的對象在使用完成之后不會自動銷毀，需要執行dealloc來釋放空間(銷毀)，否則內存泄露。這帶來了一個問題。下面代碼中obj2是否需要調用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只是指針，它們指向同一個對象，[obj1 dealloc]已經銷毀這個對象了，不能再調用[obj2 hello]和[obj2 dealloc]。obj2實際上是個無效指針。
如何避免無效指針?請看下一條。
3 Objective-C采用了引用計數(ref count或者retain count)。對象的內部保存一個數字，表示被引用的次數。例如，某個對象被兩個指針所指向(引用)那么它的retain count為2。需要銷毀對象的時候，不直接調用dealloc，而是調用release。release會讓retain count減1，只有retain count等于0，系統才會調用dealloc真正銷毀這個對象。
- ClassA *obj1 = [[ClassA alloc] init]; //對象生成時，retain count = 1
- [obj1 release]; //release使retain count減1，retain count = 0，dealloc自動被調用,對象被銷毀
我們回頭看看剛剛那個無效指針的問題，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hell
- [obj1 release]; //retain count = 0，對象被銷毀
- [obj2 hello];
- [obj2 release];
- [obj1 release]之后，obj2依然是個無效指針。問題依然沒有解決。解決方法見下一條。
- 4 Objective-C指針賦值時，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 ? 11 = 1
- [obj2 hello]; //輸出hello
- [obj2 release]; //retain count = 0，對象被銷毀
問題解決!注意，如果沒有調用[obj2 release]，這個對象的retain count始終為1，不會被銷毀，內存泄露。(1-4可以參考附件中的示例程序memman-no-pool.m)
這樣的確不會內存泄露，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(自動釋放對象池)，在遵守一些規則的情況下，可以自動釋放對象。(autorelease pool依然不是.Net/Java那種全自動的垃圾回收機制)
5.1 新生成的對象，只要調用autorelease就行了，無需再調用release!
ClassA *obj1 = [[[ClassA alloc] init] autorelease]; //retain count = 1 但無需調用release
5.2 對于存在指針賦值的情況，代碼與前面類似。
- 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
- //對于obj1，無需調用(實際上不能調用)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對象沒有被銷毀，何時銷毀呢?誰去銷毀它?(可以參考附件中的示例程序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的內存管理機制。)
6.1 autorelease pool不是天生的，需要手動創立。只不過在新建一個iphone項目時，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)，用來保存聲明為autorelease的所有對象。如果一個對象聲明為autorelease，系統所做的工作就是把這個對象加入到這個數組中去。
ClassA *obj1 = [[[ClassA alloc] init] autorelease]; //retain count = 1，把此對象加入autorelease pool中
6.3 NSAutoreleasePool自身在銷毀的時候，會遍歷一遍這個數組，release數組中的每個成員。如果此時數組中成員的retain count為1，那么release之后，retain count為0，對象正式被銷毀。如果此時數組中成員的retain count大于1，那么release之后，retain count大于0，此對象依然沒有被銷毀，內存泄露。
6.4 默認只有一個autorelease pool，通常類似于下面這個例子。
- 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的對象都只有在這個pool銷毀時才被銷毀。如果你有大量的對象標記為autorelease，這顯然不能很好的利用內存，在iphone這種內存受限的程序中是很容易造成內存不足的。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"];//產生的對象是autorelease的。
- }
- [pool release];
- return (0);
- } // main
(可以參考附件中的示例程序memman-many-objs-one-pool.m，運行時通過監控工具可以發現使用的內存在急劇增加，直到pool銷毀時才被釋放)你需要考慮下一條。
7 Objective-C程序中可以嵌套創建多個autorelease pool。在需要大量創建局部變量的時候，可以創建內嵌的autorelease pool來及時釋放內存。(感謝網友hhyytt和neogui的提醒，某些情況下，系統會自動創建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"];//產生的對象是autorelease的。
- [loopPool release];
- }
- [pool release];
- return (0);
- } // main
(可以參考附件中的示例程序memman-many-objs-many-pools.m，占用內存的變化極小)
二 口訣與范式
1 口訣。
1.1 誰創建，誰釋放(類似于“誰污染，誰治理”)。如果你通過alloc、new或copy來創建一個對象，那么你必須調用release或autorelease。換句話說，不是你創建的，就不用你去釋放。
例如，你在一個函數中alloc生成了一個對象，且這個對象只在這個函數中被使用，那么你必須在這個函數中調用release或autorelease。如果你在一個class的某個方法中alloc一個成員對象，且沒有調用autorelease，那么你需要在這個類的dealloc方法中調用release;如果調用了autorelease，那么在dealloc方法中什么都不需要做。
1.2 除了alloc、new或copy之外的方法創建的對象都被聲明了autorelease。
1.3 誰retain，誰release。只要你調用了retain，無論這個對象是如何生成的，你都要調用release。有時候你的代碼中明明沒有retain，可是系統會在默認實現中加入retain。不知道為什么蘋果公司的文檔沒有強調這個非常重要的一點，請參考范式2.7和第三章。
2 范式。
范式就是模板，就是依葫蘆畫瓢。由于不同人有不同的理解和習慣，我總結的范式不一定適合所有人，但我能保證照著這樣做不會出問題。
2.1 創建一個對象。
- ClassA *obj1 = [[ClassA alloc] init];
2.2 創建一個autorelease的對象。
- ClassA *obj1 = [[[ClassA alloc] init] autorelease];
2.3 Release一個對象后，立即把指針清空。(順便說一句，release一個空指針是合法的，但不會發生任何事情)
- [obj1 release];
- obj1 = nil;
2.4 指針賦值給另一個指針。
- ClassA *obj2 = obj1;
- [obj2 retain];
- //do something
- [obj2 release];
- obj2 = nil;
2.5 在一個函數中創建并返回對象，需要把這個對象設置為autorelease
- ClassA *Func1()
- {
- ClassA *obj = [[[ClassA alloc]init]autorelease];
- return obj;
- }
2.6 在子類的dealloc方法中調用基類的dealloc方法
- -(void) dealloc
- {
- …
- [super dealloc];
- }
2.7 在一個class中創建和使用property。
2.7.1 聲明一個成員變量。
- ClassB *objB;
2.7.2 聲明property，加上retain參數。
- @property (retain) ClassB* objB;
2.7.3 定義property。(property的默認實現請看第三章)
- @synthesize objB;
2.7.4 除了dealloc方法以外，始終用.操作符的方式來調用property。
- self.objB 或者objA.objB
2.7.5 在dealloc方法中release這個成員變量。
- [objB release];
示例代碼如下(詳細代碼請參考附件中的memman-property.m，你需要特別留意對象是在何時被銷毀的。)：
- @interface ClassA : NSObject
- {
- ClassB* objB;
- }
- @property (retain) ClassB* objB;
- @end
- @implementation ClassA
- @synthesize objB;
- -(void) dealloc
- {
- [objB release];
- [super dealloc];
- }
- @end
2.7.6 給這個property賦值時，有手動release和autorelease兩種方式。
- void funcNoAutorelease()
- {
- ClassB *objB1 = [[ClassB alloc]init];
- ClassA *objA = [[ClassA alloc]init];
- objA.objB = objB1;
- [objB1 release];
- [objA release];
- }
- void funcAutorelease()
- {
- ClassB *objB1 = [[[ClassB alloc]init] autorelease];
- ClassA *objA = [[[ClassA alloc]init] autorelease];
- objA.objB = objB1;
- }
三 @property (retain)和@synthesize的默認實現
在這里解釋一下@property (retain) ClassB* objB;和@synthesize objB;背后到底發生了什么(retain property的默認實現)。property實際上是getter和setter，針對有retain參數的property，背后的實現如下(請參考附件中的memman-getter-setter.m，你會發現，結果和memman-property.m一樣)：
- @interface ClassA : NSObject
- {
- ClassB *objB;
- }
- -(ClassB *) getObjB;
- -(void) setObjB:(ClassB *) value;
- @end
- @implementation ClassA
- -(ClassB*) getObjB
- {
- return objB;
- }
- -(void) setObjB:(ClassB*) value
- {
- if (objB != value)
- {
- [objB release];
- objB = [value retain];
- }
- }
在setObjB中，如果新設定的值和原值不同的話，必須要把原值對象release一次，這樣才能保證retain count是正確的。
由于我們在class內部retain了一次(雖然是默認實現的)，所以我們要在dealloc方法中release這個成員變量。
- -(void) dealloc
- {
- [objB release];
- [super dealloc];
- }
四 系統自動創建新的autorelease pool
在生成新的Run Loop的時候，系統會自動創建新的autorelease pool(非常感謝網友hhyytt和neogui的提醒)。注意，此處不同于xcode在新建項目時自動生成的代碼中加入的autorelease pool，xcode生成的代碼可以被刪除，但系統自動創建的新的autorelease pool是無法刪除的(對于無Garbage Collection的環境來說)。Objective-C沒有給出實現代碼，官方文檔也沒有說明，但我們可以通過小程序來證明。
在這個小程序中，我們先生成了一個autorelease pool，然后生成一個autorelease的ClassA的實例，再在一個新的run loop中生成一個autorelease的ClassB的對象(注意，我們并沒有手動在新run loop中生成autorelease pool)。精簡的示例代碼如下，詳細代碼請見附件中的memman-run-loop-with-pool.m。
- int main(int argc, char**argv)
- {
- NSLog(@"create an autorelasePool
- ");
- NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
- NSLog(@"create an instance of ClassA and autorelease ");
- ClassA *obj1 = [[[ClassA alloc] init] autorelease];
- NSDate *now = [[NSDate alloc] init];
- NSTimer *timer = [[NSTimer alloc] initWithFireDate:now
- interval:0.0
- target:obj1
- selector:@selector(createClassB)
- userInfo:nil
- repeats:NO];
- NSRunLoop *runLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];
- [runLoop addTimer:timer forMode:NSDefaultRunLoopMode];
- [timer release];
- [now release];
- [runLoop run]; //在新loop中調用一函數，生成ClassB的autorelease實例
- NSLog(@"releasing autorelasePool ");
- [pool release];
- NSLog(@"autorelasePool is released ");
- return 0;
- }
輸出如下：
- create an autorelasePool
- create an instance of ClassA and autorelease
- create an instance of ClassB and autorelease
- ClassB destroyed
- releasing autorelasePool
- ClassA destroyed
- autorelasePool is released
注意在我們銷毀autorelease pool之前，ClassB的autorelease實例就已經被銷毀了。
有人可能會說，這并不能說明新的run loop自動生成了一個新的autorelease pool，說不定還只是用了老的autorelease pool，只不過后來drain了一次而已。我們可以在main函數中不生成autorelease pool。精簡的示例代碼如下，詳細代碼請見附件中的memman-run-loop-without-pool.m。
- int main(int argc, char**argv)
- {
- NSLog(@"No autorelasePool created ");
- NSLog(@"create an instance of ClassA ");
- ClassA *obj1 = [[ClassA alloc] init];
- NSDate *now = [[NSDate alloc] init];
- NSTimer *timer = [[NSTimer alloc] initWithFireDate:now
- interval:0.0
- target:obj1
- selector:@selector(createClassB)
- userInfo:nil
- repeats:NO];
- NSRunLoop *runLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];
- [runLoop addTimer:timer forMode:NSDefaultRunLoopMode];
- [timer release];
- [now release];
- [runLoop run]; //在新loop中調用一函數，生成ClassB的autorelease實例
- NSLog(@"Manually release the instance of ClassA ");
- [obj1 release];
- return 0;
- }
輸出如下：
- No autorelasePool created
- create an instance of ClassA
- create an instance of ClassB and autorelease
- ClassB destroyed
- Manually release the instance of ClassA
- ClassA destroyed
我們可以看出來，我們并沒有創建任何autorelease pool，可是ClassB的實例依然被自動銷毀了，這說明新的run loop自動創建了一個autorelease pool，這個pool在新的run loop結束的時候會銷毀自己(并自動release所包含的對象)。
補充說明
在研究retain count的時候，我不建議用NSString。因為在下面的語句中，
- NSString *str1 = @”constant string”;
str1的retain count是個很大的數字。Objective-C對常量字符串做了特殊處理。
當然，如果你這樣創建NSString，得到的retain count依然為1
- NSString *str2 = [NSString stringWithFormat:@”123”];
小結：Objective-C內存管理教程和原理剖析的內容介紹完了，希望本文對你有所幫助。
