第29条:理解引用计数

　　第5章 内存管理

　　在 Objective-C 这种面向对象语言里，内存管理是个重要概念。要想一门语言写出内存使用效率高而且又没有 bug 的代码，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 Objective-C 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。

　　

　　本条要点：（作者总结）

• 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。
• 在对象生命期中，其余对象通过引用来保留或释放对象。保留于释放操作分别会递增及递减保留计数。

 

　　Objective-C 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：用完了之后，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。上面这几句话只是个概述，要想写出优秀的 Objective-C 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  Objective-C 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 Objective-C 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 Objective-C  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 Objective-C 中叫做 “保留计数” （retain count），不过也可以叫 “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：

• Retain 递增保留计数。
• release 递减保留计数。
• autorelease 待稍后清理 “自动释放池”（autorelease pool）时，再递减保留计数。（本条后面几页与本书第 34 条将会详细讲解 “自动释放池”。）

　　查看保留计数的方法叫做 retainCount，此方法不太有用，即便在调试时也如此，所以笔者（与苹果公司）并不推荐大家使用这个方法。更多内容请参阅第 36 条。

　　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。要是某部分代码不再使用此对象，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（deallocated），也就是说系统会将其占用的内存标记为 “可重用”（reuse）。此时，所有指向该对象的引用也都变得无敌了。

　　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。

　　　　　　

 

　　应用程序在其生命周期中会创建很多对象，这些对象都相互联系着。例如，表示个人信息的对象会引用另一个表示人名的字符串对象，而且可能还会引用其他个人信息对象，比如在存放朋友的 set 中就是如此，于是，这些相互关联的对象就构成了一张 “对象图”（object graph）。对象如果持有指向其他对象的强引用（strong reference）,那么前者就 “拥有” （own）后者。也就是说，对象想令其所引用的那些对象继续存活，就可将其 “保留”。等用完了之后，再释放。

　　在图所示的对象图中，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，而应用程序里又有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”（root object）。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];

 

 　　 　　

 

　　　　　　　　　　　　　　　　　　ObjectC 释放了 ObjectA　 　　　　ObjectB 释放了 ObjectA

　　如前所述，由于代码中直接调用了 release 方法，所以在 ARC 下无法编译。在  Objective-C 中，调用 alloc 方法所返回的对象由调用者所拥有。也就是说，调用者已通过 alloc 方法表达了想令该对象继续存活下去的意愿。不过请注意，这并不是说对象此时的保留计数必定是1。在 alloc 或 "initWithInt:" 方法的实现代码中，也许还有其他对象也保留了此对象，所以，其保留计数可能会大于 1。能够肯定的是：保留计数至少为 1。保留计数这个概念就应该这样来理解才对。绝不应该说保留计数一定是某个值，只能说你所执行的操作是递增了该计数还是递减了该计数。

　　创建完数组后，把 number 对象加入其中。调用数组的 "addObject:" 方法时，数组也会在 number 上调用retain 方法，以期继续保留此对象。这时，保留计数至少为 2。接下来，代码不再需要 number 对象了，于是将其释放。现在的保留计数至少为 1。这样就不能照常使用 number 变量了，于是将其释放。现在的保留计数至少为 1。这样就不能照常使用 number 变量了。调用 release 之后，已经无法保证所指的对象仍然存活。当然，根据本例中的代码，我们显然知道 number 对象在调用了 release 之后仍然存活，因为数组还在引用着它。然而绝不应假设此对象一定存活，也就是说，不要像下面这样编写代码：

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

　　[array addObject:number];

　　[number release];

　　NSLog(@"number = %@", number);

　　即便上述代码在本例中可以正常执行，也仍然不是个好办法。如果调用 release  之后，基于某些原因，其保留计数降至 0 ,那么 number 对象所占内存也许会回收，这样的话，再调用 NSLog 可能就将使程序奔溃了。笔者在这里只说 “可能”， 而没说 “一定”，因为对象所占的内存在 “解除分配”（deallocated）之后，只是放回 “可用内存池”（avaiable pool）。如果执行 NSLog 时尚未覆写对象内存，那么该对象仍然有效，这时程序不会崩溃。由此可见：因过早释放对象而导致的 bug 很难调试。

　　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）(亦称“迷途指针”、“悬挂指针”、“悬摆指针”)。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”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了。

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 callboundary）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 能延长对象生命周期，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。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。

END