iOS 开发:彻底理解 iOS 内存管理(MRC 篇)
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- 本文更新時間:2021年08月17日17:11:59
本文是 「iOS 開發(fā):徹底理解 iOS 內(nèi)存管理」系列的「MRC 篇」。
用來對 Objective-C 語法中,手動管理內(nèi)存 MRC 相關(guān)知識進(jìn)行講解。
1. 什么是內(nèi)存管理
程序在運行的過程中,往往涉及到創(chuàng)建對象、定義變量、調(diào)用函數(shù)或方法,而這些行為都會增加程序的內(nèi)存占用。
而一個移動設(shè)備的內(nèi)存是有限的,每個軟件所能占用的內(nèi)存也是有限的。
當(dāng)程序所占用的內(nèi)存較多時,系統(tǒng)就會發(fā)出內(nèi)存警告,這時就得回收一些不需要再使用的內(nèi)存空間。比如回收一些不需要再使用的對象、變量等。
如果程序占用內(nèi)存過大,系統(tǒng)可能會強制關(guān)閉程序,造成程序崩潰、閃退現(xiàn)象,影響用戶體驗。
所以,我們需要對 「內(nèi)存」 進(jìn)行合理的分配內(nèi)存、清除內(nèi)存,回收不需要再使用的對象。從而保證程序的穩(wěn)定性。
在 iOS 中,我們通常將內(nèi)存分為五大部分:
- 代碼區(qū):用于存放程序的代碼,即 CPU 執(zhí)行的機器指令,并且是只讀的。
- 全局區(qū) / 靜態(tài)區(qū):它主要存放靜態(tài)數(shù)據(jù)、全局?jǐn)?shù)據(jù)和常量。分為未初始化全局區(qū)(BSS 段)、初始化全局區(qū):(數(shù)據(jù)段)。程序結(jié)束后由系統(tǒng)釋放。
- 數(shù)據(jù)段:用于存放可執(zhí)行文件中已經(jīng)初始化的全局變量,也就是用來存放靜態(tài)分配的變量和全局變量。
- BSS 段:用于存放程序中未初始化的全局變量。
- 常量區(qū):用于存儲已經(jīng)初始化的常量。程序結(jié)束后由系統(tǒng)釋放。
- 棧區(qū)(Stack):用于存放程序臨時創(chuàng)建的變量、存放函數(shù)的參數(shù)值、局部變量等。由編譯器自動分配釋放。
- 堆區(qū)(Heap):用于存放進(jìn)程運行中被動態(tài)分配的內(nèi)存段。它大小不固定,可動態(tài)擴張和縮減。由程序員分配和釋放。
從上邊內(nèi)存的各個部分說明可以看出:只有堆區(qū)存放的數(shù)據(jù)需要由程序員分配和釋放。
堆區(qū)存放的,主要是繼承了 NSObject 的對象,需要由程序員進(jìn)行分配和釋放。其他非對象類型(int、char、float、double、struct、enum 等)則存放在棧區(qū),由系統(tǒng)進(jìn)行分配和釋放。
- 示例:
2. 內(nèi)存管理機制
移動端的內(nèi)存管理機制,主要有三種:
- 自動垃圾收集(GC)
- 手工引用計數(shù)和自動釋放池(MRC)
- 自動引用計數(shù)(ARC)
其中 iOS 運行環(huán)境不支持自動垃圾收集機制(GC)。蘋果公司使用的是手工引用計數(shù)(MRC)和自動引用計數(shù)(ARC)機制。
在自動引用計數(shù)(ARC)出現(xiàn)機制之前,一直是通過手工引用計數(shù)(MRC)機制這種手寫大量管理代碼的方式來管理內(nèi)存。后來蘋果公司開發(fā)了自動引用計數(shù)(ARC)技術(shù),把這部分工作交給了編譯器來完成,從而大大簡化了開發(fā)工作。但是 ARC 依然還是需要注意循環(huán)引用的問題。
下面來詳細(xì)講解一下「手工引用計數(shù)(MRC)」和「自動引用計數(shù)(ARC)」。
3. MRC 手動管理內(nèi)存(Manual Reference Counting)
3.1 引用計數(shù)器
引用計數(shù)器:
一個整數(shù),表示為「對象被引用的次數(shù)」。系統(tǒng)需要根據(jù)對象的引用計數(shù)器來判斷對象是否需要被回收。
從字面意義上,可以把引用計數(shù)器理解為「對象被引用的次數(shù)」,也可以理解為: 「有多少人正在用這個對象」。
系統(tǒng)根據(jù)引用計數(shù)器的機制來判斷對象是否需要被回收。在每次 RunLoop 迭代結(jié)束后,都會檢查對象的引用計數(shù)器,如果引用計數(shù)器等于 0,則說明該對象沒有地方繼續(xù)使用它了,可以將其釋放掉。
關(guān)于「引用計數(shù)器」,有以下幾個特點:
- 每個 OC 對象都有自己的引用計數(shù)器。
- 任何一個對象,剛創(chuàng)建的時候,初始的引用計數(shù)為 1。
- 即使用 alloc、new 或者 copy 創(chuàng)建一個對象時,對象的引用計數(shù)器默認(rèn)就是 1。
- 當(dāng)沒有任何人使用這個對象時,系統(tǒng)才會回收這個對象。也就是說:
- 當(dāng)對象的引用計數(shù)器為 0 時,對象占用的內(nèi)存就會被系統(tǒng)回收。
- 如果對象的引用計數(shù)器不為 0 時,那么在整個程序運行過程,它占用的內(nèi)存就不可能被回收(除非整個程序已經(jīng)退出)。
3.2 引用計數(shù)器操作
- 為保證對象的存在,每當(dāng)創(chuàng)建引用到對象需要給對象發(fā)送一條 retain 消息,可以使引用計數(shù)器值 +1 ( retain 方法返回對象本身)。
- 當(dāng)不再需要對象時,通過給對象發(fā)送一條 release 消息,可以使引用計數(shù)器值 -1。
- 給對象發(fā)送 retainCount 消息,可以獲得當(dāng)前的引用計數(shù)器值。
- 當(dāng)對象的引用計數(shù)為 0 時,系統(tǒng)就知道這個對象不再需要使用了,所以可以釋放它的內(nèi)存,通過給對象發(fā)送 dealloc 消息發(fā)起這個過程。
- 需要注意的是:release 并不代表銷毀 / 回收對象,僅僅是將計數(shù)器 -1。
3.3 dealloc 方法
- 當(dāng)一個對象的引用計數(shù)器值為 0 時,這個對象即將被銷毀,其占用的內(nèi)存被系統(tǒng)回收。
- 對象即將被銷毀時系統(tǒng)會自動給對象發(fā)送一條 dealloc 消息(因此,從 dealloc 方法有沒有被調(diào)用,就可以判斷出對象是否被銷毀)
- dealloc 方法的重寫(注意是在 MRC 中)
- 一般會重寫 dealloc 方法,在這里釋放相關(guān)資源,dealloc 就是對象的遺言
- 一旦重寫了 dealloc 方法,就必須調(diào)用 [super dealloc],并且放在最后面調(diào)用。
dealloc 使用注意:
- 不能直接調(diào)用 dealloc 方法。
- 一旦對象被回收了, 它占用的內(nèi)存就不再可用,堅持使用會導(dǎo)致程序崩潰(野指針錯誤)。
3.4 野指針和空指針
- 只要一個對象被釋放了,我們就稱這個對象為「僵尸對象(不能再使用的對象)」。
- 當(dāng)一個指針指向一個僵尸對象(不能再使用的對象),我們就稱這個指針為「野指針」。
- 只要給一個野指針發(fā)送消息就會報錯(EXC_BAD_ACCESS 錯誤)。
- 為了避免給野指針發(fā)送消息會報錯,一般情況下,當(dāng)一個對象被釋放后我們會將這個對象的指針設(shè)置為空指針。
- 空指針:
- 沒有指向存儲空間的指針(里面存的是 nil, 也就是 0)。
- 給空指針發(fā)消息是沒有任何反應(yīng)的。
3.5 內(nèi)存管理思想
3.5.1 單個對象內(nèi)存管理思想
思想一:自己創(chuàng)建的對象,自己持有,自己負(fù)責(zé)釋放
- 通過 alloc、new、copy 或 mutableCopy 方法創(chuàng)建并持有對象。
- 當(dāng)自己持有的對象不再被需要時,必須調(diào)用 release 或 autorelease 方法釋放對象。
同樣,new 方法也能持有對象:
id obj = [NSObject new]; // 自己創(chuàng)建的對象,自己持有 [obj release];而由各類實現(xiàn)的 copyWithZone: 方法和 mutableCopyWithZone: 方法將生成并持有對象的副本。
另外,除了上面四種方法之外,由上面四種方法名稱開頭的方法名,也將生成并持有對象:
- allocMyObject
- newMyObject
- copyMyObject
- mutableCopyMyObject
思想二:非自己創(chuàng)建的對象,自己也能持有
- 除了用上面方法(alloc / new / copy / mutableCopy 方法)所取得的的對象,因為非自己生成并持有,所以自己不是該對象的持有者。
- 通過調(diào)用 retain 方法,即便是非自己創(chuàng)建的對象,自己也能持有對象。
- 同樣當(dāng)自己持有的對象不再被需要時,必須調(diào)用 release 方法來釋放對象。
總結(jié):
- 無論是否是自己創(chuàng)建的對象,自己都可以持有,并負(fù)責(zé)釋放。
- 計數(shù)器有加就有減。
- 曾經(jīng)讓對象的計數(shù)器 +1,就必須在最后讓對象計數(shù)器 -1。
3.5.2 多個對象內(nèi)存管理思想
多個對象之間往往是通過 setter 方法產(chǎn)生聯(lián)系的,其內(nèi)存管理的方法也是在 setter 方法、dealloc 方法中實現(xiàn)的。所以只有了解了 setter 方法是如何實現(xiàn)的,我們才能了解到多個對象之間的內(nèi)存管理思想。接下來我們將從零開始,一步步實現(xiàn) setter 方法,了解多個對象之間的內(nèi)存管理思想。
我們用一個線上斗地主游戲例子來類比一下。假如有一款斗地主游戲,游戲大廳有不同的游戲房間,可供玩家選擇。我們定義游戲房間為 Room 類對象,定義玩家為 Person 類對象,玩家對象擁有 _room 作為成員變量。
一個玩家對象,如果想要玩游戲,就要持有一個房間對象,并保證在使用房間期間,這個房間對象一直存在,并且在游戲房間沒人的時候,還需要將這個房間對象釋放。
根據(jù)上面的描述,我們可以制定以下規(guī)則:
- 只要一個玩家想使用房間(進(jìn)入房間),就需要對這個游戲房間的引用計數(shù)器 +1。
- 只要一個玩家不想再使用房間(離開房間),就需要對這個游戲房間的引用計數(shù)器 -1。
- 只要還有至少一個玩家在用某個房間,那么這個游戲房間就不會被回收,引用計數(shù)至少為 1。
下面來定義兩個類 玩家類:Person 和 房間類:Room。
- 房間類(Room 類)
- 玩家類(Person 類)
現(xiàn)在我們通過幾個玩家使用房間的不同應(yīng)用場景來逐步深入理解內(nèi)存管理。
1. 玩家沒有使用房間的情況
int main(int argc, const char * argv[]) {@autoreleasepool {// 1. 創(chuàng)建兩個對象Person *p = [[Person alloc] init]; // 玩家 pRoom *r = [[Room alloc] init]; // 房間 rr.no = 888; // 房間號賦值[r release]; // 釋放房間[p release]; // 釋放玩家}return 0; }上述代碼執(zhí)行完第 4~6 行,即:
// 1.創(chuàng)建兩個對象 Person *p = [[Person alloc] init]; // 玩家 p Room *r = [[Room alloc] init]; // 房間 r r.no = 888; // 房間號賦值之后在內(nèi)存中的表現(xiàn)如下圖所示:
image可見,Room 實例對象和 Person 實例對象之間沒有相互聯(lián)系,所以各自釋放不會報錯。執(zhí)行完第 8~9 行代碼,即:
[r release]; // 釋放房間 [p release]; // 釋放玩家后,將房間對象和玩家對象各自釋放掉,在內(nèi)存中的表現(xiàn)如下圖所示:
image最后各自實例對象的內(nèi)存就會被系統(tǒng)回收。
2. 一個玩家使用一個游戲房間的情況
int main(int argc, const char * argv[]) {@autoreleasepool {// 1. 創(chuàng)建兩個對象Person *p = [[Person alloc] init]; // 玩家 pRoom *r = [[Room alloc] init]; // 房間 rr.no = 888; // 房間號賦值// 將房間賦值給玩家,表示玩家在使用房間// 玩家需要使用這間房,只要玩家在,房間就一定要在p.room = r; // [p setRoom:r][r release]; // 釋放房間// 在這行代碼之前,玩家都沒有被釋放,但是因為玩家還在,那么房間就不能銷毀NSLog(@"-----");[p release]; // 釋放玩家}return 0; }上邊代碼執(zhí)行完第 4~6 行的時候和之前在內(nèi)存中的表現(xiàn)一樣,如圖所示:
image當(dāng)執(zhí)行完第 10 行代碼 p.room = r; 時,因為調(diào)用了 setter 方法,將 Room 實例對象賦值給了 Person 的成員變量,不做其他設(shè)置的話,在內(nèi)存中的表現(xiàn)如下圖(做法不對):
image在調(diào)用 setter 方法的時候,因為 Room 實例對象多了一個 Person 對象引用,所以應(yīng)將 Room 實例對象的引用計數(shù) +1 才對,即 setter 方法應(yīng)該像下邊一樣,對 room 進(jìn)行一次 retain 操作。
- (void)setRoom:(Room *)room { // 調(diào)用 room = r;// 對房間的引用計數(shù)器 +1[room retain];_room = room; }那么執(zhí)行完第 10 行代碼 p.room = r;,在內(nèi)存中的表現(xiàn)為:
image繼續(xù)執(zhí)行第 12 行代碼[r release];,釋放房間,Room 實例對象引用計數(shù) -1,在內(nèi)存中的表現(xiàn)如下圖所示:
image然后執(zhí)行第 17 行代碼 [p release];,釋放玩家。這時候因為玩家不在房間里了,房間也沒有用了,所以在釋放玩家的時候,要把房間也釋放掉,也就是在 delloc 里邊對房間再進(jìn)行一次 release 操作。
這樣對房間對象來說,每一次 retain / alloc 操作都對應(yīng)一次 release 操作。
- (void)dealloc {// 人釋放了, 那么房間也需要釋放[_room release];NSLog(@"%s", __func__);[super dealloc]; }那么在內(nèi)存中的表現(xiàn)最終如下圖所示:
image最后實例對象的內(nèi)存就會被系統(tǒng)回收
3. 一個玩家使用一個游戲房間 r 后,換到另一個游戲房間 r2 的情況
int main(int argc, const char * argv[]) {@autoreleasepool {// 1. 創(chuàng)建兩個對象Person *p = [[Person alloc] init]; // 玩家 pRoom *r = [[Room alloc] init]; // 房間 rr.no = 888; // 房間號賦值// 2. 將房間 r 賦值給玩家 p,表示玩家 p 在使用房間 rp.room = r; // [p setRoom:r][r release]; // 釋放房間 r// 3. 換房Room *r2 = [[Room alloc] init];r2.no = 444;p.room = r2;[r2 release]; // 釋放房間 r2[p release]; // 釋放玩家 p}return 0; }執(zhí)行下邊幾行代碼:
// 1. 創(chuàng)建兩個對象 Person *p = [[Person alloc] init]; // 玩家 p Room *r = [[Room alloc] init]; // 房間 r r.no = 888; // 房間號賦值// 2. 將房間 r 賦值給玩家 p,表示玩家 p 在使用房間 r p.room = r; // [p setRoom:r] [r release]; // 釋放房間 r之后的內(nèi)存表現(xiàn)為:
image接著執(zhí)行換房操作而不進(jìn)行其他操作的話,即:
// 3. 換房 Room *r2 = [[Room alloc] init]; r2.no = 444; p.room = r2;后的內(nèi)存表現(xiàn)為:
image最后執(zhí)行完代碼:
[r2 release]; // 釋放房間 r2 [p release]; // 釋放玩家 p后的內(nèi)存表現(xiàn)為:
image可以看出房間 r 并沒有被釋放,這是因為在進(jìn)行換房的時候,并沒有對房間 r 進(jìn)行釋放。所以應(yīng)在調(diào)用 setter 方法的時候,對之前的變量進(jìn)行一次 release 操作。具體 setter 方法代碼如下:- (void)setRoom:(Room *)room { // room = r// 將以前的房間釋放掉 -1[_room release];// 對房間的引用計數(shù)器 +1[room retain];_room = room;} }
這樣在執(zhí)行完 p.room = r2; 之后就會將 房間 r 釋放掉,最終內(nèi)存表現(xiàn)為:
image4. 一個玩家使用一個游戲房間,不再使用游戲房間,將游戲房間釋放掉之后,再次使用該游戲房間的情況
int main(int argc, const char * argv[]) {@autoreleasepool {// 1. 創(chuàng)建兩個對象Person *p = [[Person alloc] init];Room *r = [[Room alloc] init];r.no = 888;// 2. 將房間 r 賦值給玩家 pp.room = r; // [p setRoom:r][r release]; // 釋放房間 r// 3. 再次使用房間 rp.room = r;[r release]; // 釋放房間 r[p release]; // 釋放玩家 p}return 0; }執(zhí)行下面代碼:
// 1.創(chuàng)建兩個對象 Person *p = [[Person alloc] init]; Room *r = [[Room alloc] init]; r.no = 888;// 2.將房間賦值給人 p.room = r; // [p setRoom:r] [r release]; // 釋放房間 r之后的內(nèi)存表現(xiàn)為:
image然后再執(zhí)行 p.room = r;,因為 setter 方法會將之前的 Room 實例對象先釋放掉,此時內(nèi)存表現(xiàn)為:
image此時 _room、r 已經(jīng)變成了一個野指針。之后再對野指針 r 發(fā)出 retain 消息,程序就會崩潰。所以我們在進(jìn)行 setter 方法的時候,要先判斷一下是否是重復(fù)賦值,如果是同一個實例對象,就不需要重復(fù)進(jìn)行 release 和 retain。換句話說,如果我們使用的還是之前的房間,那換房的時候就不需要對這個房間再進(jìn)行 release 和 retain。則 setter 方法具體代碼如下:
- (void)setRoom:(Room *)room { // room = r// 只有房間不同才需用 release 和 retainif (_room != room) { // 0ffe1 != 0ffe1// 將以前的房間釋放掉 -1[_room release];// 對房間的引用計數(shù)器+1[room retain];_room = room;} }因為 retain 不僅僅會對引用計數(shù)器 +1, 而且還會返回當(dāng)前對象,所以上述代碼可最終簡化成:
- (void)setRoom:(Room *)room { // room = r// 只有房間不同才需用 release 和 retainif (_room != room) { // 0ffe1 != 0ffe1// 將以前的房間釋放掉 -1[_room release];_room = [room retain];} }以上就是 setter 方法的終極形式。通過上面多個例子,我們也理解了多個對象之間的內(nèi)存管理思想。
3.6 @property 參數(shù)
- 在成員變量前加上 @property,系統(tǒng)就會自動幫我們生成基本的 setter / getter 方法,但是不會生成內(nèi)存管理相關(guān)的代碼。
- 同樣如果在 property 后邊加上 assign,系統(tǒng)也不會幫我們生成 setter 方法內(nèi)存管理的代碼,僅僅只會生成普通的 getter / setter 方法,默認(rèn)什么都不寫就是 assign。
- 如果在 property 后邊加上 retain,系統(tǒng)就會自動幫我們生成 getter / setter 方法內(nèi)存管理的代碼,但是仍需要我們自己重寫 dealloc 方法。
3.7 自動釋放池
當(dāng)我們不再使用一個對象的時候應(yīng)該將其空間釋放,但是有時候我們不知道何時應(yīng)該將其釋放。為了解決這個問題,Objective-C 提供了 autorelease 方法。
- autorelease 是一種支持引用計數(shù)的內(nèi)存管理方式,只要給對象發(fā)送一條 autorelease 消息,會將對象放到一個自動釋放池中,當(dāng)自動釋放池被銷毀時,會對池子里面的「所有對象」做一次 release 操作。
注意:這里只是發(fā)送 release 消息,如果當(dāng)時的引用計數(shù)(reference-counted)依然不為 0,則該對象依然不會被釋放。
- autorelease 方法會返回對象本身,且調(diào)用完 autorelease 方法后,對象的計數(shù)器不變。
3.7.1 使用 autorelease 有什么好處呢?
- 不用再關(guān)心對象釋放的時間
- 不用再關(guān)心什么時候調(diào)用release
3.7.2 autorelease 的原理實質(zhì)上是什么?
autorelease 實際上只是把對 release 的調(diào)用延遲了,對于每一個 autorelease,系統(tǒng)只是把該對象放入了當(dāng)前的 autorelease pool 中,當(dāng)該 pool 被釋放時,該 pool 中的所有對象會被調(diào)用 release 方法。
3.7.3 autorelease 的創(chuàng)建方法
3.7.4 autorelease 的使用方法
NSAutoreleasePool *autoreleasePool = [[NSAutoreleasePool alloc] init]; Person *p = [[[Person alloc] init] autorelease]; [autoreleasePool drain]; @autoreleasepool { // 創(chuàng)建一個自動釋放池Person *p = [[Person new] autorelease];// 將代碼寫到這里就放入了自動釋放池 } // 銷毀自動釋放池(會給池子中所有對象發(fā)送一條 release 消息)3.7.5 autorelease 的注意事項
- 并不是放到自動釋放池代碼中,都會自動加入到自動釋放池
- 在自動釋放池的外部發(fā)送 autorelease 不會被加入到自動釋放池中
- autorelease 是一個方法,只有在自動釋放池中調(diào)用才有效。
3.7.6 自動釋放池的嵌套使用
- 自動釋放池是以棧的形式存在。
- 由于棧只有一個入口,所以調(diào)用 autorelease 會將對象放到棧頂?shù)淖詣俞尫懦亍?/li>
棧頂就是離調(diào)用 autorelease 方法最近的自動釋放池。
@autoreleasepool { // 棧底自動釋放池@autoreleasepool {@autoreleasepool { // 棧頂自動釋放池Person *p = [[[Person alloc] init] autorelease];}Person *p = [[[Person alloc] init] autorelease];} }- 自動釋放池中不適宜放占用內(nèi)存比較大的對象。
- 盡量避免對大內(nèi)存使用該方法,對于這種延遲釋放機制,還是盡量少用。
- 不要把大量循環(huán)操作放到同一個 @autoreleasepool 之間,這樣會造成內(nèi)存峰值的上升。
3.7.7 autorelease 錯誤用法
- 不要連續(xù)調(diào)用 autorelease。
- 調(diào)用 autorelease 后又調(diào)用 release(錯誤)。
3.8 MRC 中避免循環(huán)引用
定義兩個類 Person 類和 Dog 類
- Person 類:
- Dog 類:
執(zhí)行以下代碼:
int main(int argc, const char * argv[]) {Person *p = [Person new];Dog *d = [Dog new];p.dog = d; // retaind.owner = p; // retain assign[p release];[d release];return 0; }就會出現(xiàn) A 對象要擁有 B 對象,而 B 對應(yīng)又要擁有 A 對象,此時會形成循環(huán) retain,導(dǎo)致 A 對象和 B 對象永遠(yuǎn)無法釋放。
那么如何解決這個問題呢?
- 不要讓 A retain B,B retain A。
- 讓其中一方不要做 retain 操作即可。
- 當(dāng)兩端互相引用時,應(yīng)該一端用 retain,一端用 assign。
參考資料
- 【書籍】Objective-C 高級編程 iOS 與 OS X 多線程和內(nèi)存管理
- 【博文】《Objective-C 高級編程》干貨三部曲(一):引用計數(shù)篇
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的iOS 开发:彻底理解 iOS 内存管理(MRC 篇)的全部內(nèi)容,希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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