【Effective Objective-C】内存管理

前言

在OC这种面相对象的语言里，内存管理是个重要概念。要想用一门语言写出内存使用效率高而且又没有bug代码，就得掌握其内存管理模型的种种细节。
一旦理解了这些规则，你就会发现，其实OC的内存管理没那么复杂，而且有了“自动引用计数”（Automatic Reference Counting，ARC）之后，就变得更为简单了。ARC几乎把所有内存管理事宜都交由编译器来决定，开发者只需专注于业务逻辑。

理解引用计数

OC语言使用引用计数来管理内存，也就是说，每个对象都有个可以递增或递减的计数器。如果想使某个对象继续存活，那就递增其引用计数；用完之后，就递减其计数。计数变为0，就表示没人关注此对象了，于是，就可以把它销毁。要想写出优秀的OC代码，必须完全理解此问题才行，即便打算用ARC来编码也是如此。
从Mac OS X 10.8开始，“垃圾收集器”（garbage collector）已经正式废弃了，以OC代码编写Mac OS X程序时不应再使用它，而iOS则从未支持过垃圾收集。因此，掌握引用计数机制对于学好OC来说十分重要。Mac OS X程序已经不能再依赖垃圾收集器了，而iOS系统不支持此功能，将来也不会支持。
已经用过ARC的人可能会知道：所有与引用计数有关的方法都无法编译，然而现在先暂时忘掉这件事。那些方法确实无法用在ARC中，不过本条就是要从OC的角度讲解引用计数，而ARC实际上也是一种引用计数机制，所以，还是要谈谈这些在开启ARC功能时不能直接调用的方法。

引用计数工作原理

在引用计数的架构下，对象有个计数器，用以表示当前有多少个事物想令此对象继续存活下去。这在OC中叫做“保留计数”（retain count），不过也可以叫做“引用计数”（reference count）。NSObject协议声明了下面三个方法用于操作计数器，以递增或递减其值：

1. retain递增保留计数
2. release递减保留计数
3. autorelease待稍后清理“自动释放池”时，再递减保留计数。

• 查看保留计数的方法叫retainCount，此方法不太有用，即便在调试时也如此，所以并不推荐大家使用这个方法。
• 对象创建出来时，其保留计数至少为1.若想令其继续存活，则调用retain方法。若是某部分代码不在使用此对象不想令其继续存活，那就调用release或autorelease方法，最终当保留计数归零时，对象就回收了。也就是说，系统会将其占用的内存标记为“可重用”。此时，所有指向该对象的引用也都变得无效了。

如图演示了对象自创造出来之后历经一次“保留”及两次“释放”操作的过程。

• 应用程序在其生命期中会创建很多对象，这些对象都相互联系着。

在下方图中，ObjectB与ObjectC都引用了ObjectA。若ObjectB与ObjectC都不再使用ObjectA，则其保留计数降为0，于是便可摧毁了。还有其他对象想令ObjectB与ObjectC继续存活，而应用程序里又又另外一些对象想令那些对象继续存活。如果按“引用树”回溯，那么最终会发现一个“根对象”。在Mac OS X应用程序中，此对象就是NSApplication对象；而在iOS应用程序中，则是UIApplication对象。两者都是应用程序启动时所创建的单例。

下面这段代码有助于理解这些方法的用法：

NSMutableArray *array = [[NSMutableArray alloc] init];

NSNumber *number = [[NSNumber alloc] initWithInt:1337];

[array addObject:number];

[number release];
//do something with 'array'
[array release];

为避免在不经意间使用了无效对象，一般调用完 release 之后都会清空指针。这就能保证不会出现可能指向无效对象的指针，这种指针通常称为"悬挂指针（dangling pointer）"。比方说，可以这样编写代码来防止此情况发生∶

NSNumber *number = [[NSNumber alloc] initWithInt:1337];
[array addObject:number];
[number release];
number = nil;

属性存取方法中的内存管理

如前所述，对象图由互相关联的对象所构成。刚才那个例子中的数组通过在其元素上调用 retain 方法来保留那些对象。不光是数组，其他对象也可以保留别的对象，这一般通过访问"属性"（参见第6条）来实现，而访问属性时，会用到相关实例变量的获取方法及设置方法。若属性为" strong关系"（strong relationship）.则设置的属性值会保留。比方说.有个名叫 foo 的属性由名为_foo 的实例变量所实现，那么，该属性的设置方法会是这样∶

- (void) setFoo:(id) foo [
	[foo retain];
	[_foo release];
	_foo = foo;
}

此方法将保留新值并释放旧值，然后更新实例变量，令其指向新值。顺序很重要。假如还未保留新值就先把旧值释放了，而且两个值又指向同一个对象，那么，先执行的 release 操作就可能导致系统将此对象永久回收。而后续的 retain 操作则无法令这个已经彻底回收的对象复生，于是实例变量就成了悬挂指针。

自动释放池

在 Objective-C的引用计数架构中，自动释放池是一项重要特性。调用release 会立刻递减对象的保留计数（而且还有可能令系统回收此对象），然而有时候可以不调用它，改为调用autorelease，此方法会在稍后递减计数，通常是在下一次"事件循环"（event loop）时递减，不过也可能执行得更早些。

此特性很有用，尤其是在方法中返回对象时更应该用它。在这种情况下，我们并不总是想令方法调用者手工保留其值。比方说，有下面这个方法∶

- (NSString *)stringValue {
   
	NSString *str = [[NSString alloc] initWithFormat:@"I am this: %@", self];
	return str;
}

此时返回的 str 对象其保留计数比期望值要多1（+1 retain count）、因为调用 alloc 会令保留计数加1，而又没有与之对应的释放操作。保留计数多1，就意味着调用者要负责处理多出来的这一次保留操作。必须设法将其抵消。这并不是说保留计数本身就一定是1，它可能大于1，不过那取决于"initWithFormat∶"方法内的实现细节。你要考虑的是如何将多出来的这一次保留操作抵消掉。
但是，不能在方法内释放 str，否则还没等方法返回，系统就把该对象回收了。这里应该用 autorelease，它会在稍后释放对象，从而给调用者留下了足够长的时间，使其可以在需要时先保留返回值。换句话说，此方法可以保证对象在跨越"方法调用边界"（method call boundary）后一定存活。实际上，释放操作会在清空最外层的自动释放池（参见第 34条）时执行，除非你有自己的自动释放池。否则这个时机指的就是当前线程的下一次事件循环。改写stringValue 方法，使用autorelease 来释放对象∶

- (NSString *)stringValue {
   
	NSString *str = [[NSString alloc] initWithFormat:@"I am this: %@", self];
	return [str autorelease];
}

修改之后，stringValue 方法把NSString 对象返回给调用者时，此对象必然存活。所以我们能够像下面这样使用它∶

NSString *str = [self stringValue];
NSLog(@"The string is: %@", str);

由于返回的 str 对象将于稍后自动释放，所以多出来的那一次保留操作到时自然就会抵消，无须再执行内存管理操作。因为自动释放池中的释放操作要等到下一次事件循环时才会执行，所以NSLog 语句在使用str 对象前不需要手工执行保留操作。但是，假如要持有此对象的话（比如将其设置给实例变量），那就需要保留，并于稍后释放∶

_instanceVariable = [[self stringValue] retain];
//...
[_instanceVariable release];

• 由此可见，autorelease能延长对象生命期，使其在跨越方法调用边界后依然可以存活一段时间。

保留环

使用引用计数机制时，经常要注意的一个问题就是“保留环”（retain cycle），也就是呈环状相互引用的多个对象。这将导致内存泄漏，因为循环中的对象其保留计数不会降为0。对于循环中的每个对象来说，至少还有另外一个对象引用着它。下图里的每个对象都引用了另外两个对象之中的一个。在这个循环里，所有对象的保留计数都是1。
在垃圾收集环境中，通常将这种情况认定为"孤岛"（island of isolation）。此时，垃圾收集器会把三个对象全都回收走。而在 Objective-C的引用计数架构中，则享受不到这一便利。通常采用"弱引用"（weak reference，参见第33条）来解决此问题，或是从外界命令循环中的某个对象不再保留另外一个对象。这两种办法都能打破保留环，从而避免内存泄漏。

要点

1. 引用计数机制通过可以递增递减的计数器来管理内存。对象创建好之后，其保留计数至少为1。若保留计数为正，则对象继续存活。当保留计数降为0时，对象就被销毁了。
2. 在对象生命期中，其余对象通过引用来保留或释放此对象。保留与释放操作分别会递增及递减保留计数。

以ARC简化引用计数

引用计数这个概念相当容易理解。需要执行保留与释放操作的地方也很容易就能看出来。所以Clang 编译器项目带有一个"静态分析器"（static analyzer），用于指明程序里引用计数出问题的地方。举个例子，假设下面这段代码采用手工方式管理引用计数∶

if ([self shouldLogMessage]) {
   
	NSString *message = [[NSString alloc] initWit