iPhone/Mac Objective-C 内存管理教程和原理剖析
前言
初学 objectice-C 的朋友都有一个困惑,总觉得对 objective-C 的内存管理 机制琢磨不透,程序经常内存泄漏或莫名其妙的崩溃。我在这里总结了自己对 o bjective-C 内存管理机制的研究成果和经验,写了这么一个由浅入深的教程。 希望对大家有所帮助,也欢迎大家一起探讨。
此文涉及的内存管理是针对于继承于 NSObject 的 Class。
一 基本原理
Objective-C 的内存管理机制与.Net/Java 那种全自动的垃圾回收机制是不 同的,它本质上还是 C 语言中的手动管理方式,只不过稍微加了一些自动方法。
1 Objective-C 的对象生成于堆之上,生成之后,需要一个指针来指向它。
ClassA *obj1 = [[ClassA alloc] init];
2 Objective-C 的对象在使用完成之后不会自动销毁,需要执行 dealloc 来 释放空间(销毁),否则内存泄露。
[obj1 dealloc];
这带来了一个问题。下面代码中 obj2 是否需要调用 dealloc? ClassA *obj1 = [[ClassA alloc] init];
ClassA *obj2 = obj1;
[obj1 hello]; //输出 hello
[obj1 dealloc];
[obj2 hello]; //能够执行这一行和下一行吗?
[obj2 dealloc];
不能,因为 obj1 和 obj2 只是指针,它们指向同一个对象,[obj1 dealloc] 已经销毁这个对象了,不能再调用[obj2 hello]和[obj2 dealloc]。obj2 实际 上是个无效指针。
如何避免无效指针?请看下一条。
3 Objective-C 采用了引用计数(ref count 或者 retain count)。对象的内 部保存一个数字,表示被引用的次数。例如,某个对象被两个指针所指向(引用) 那么它的 retain count 为 2。需要销毁对象的时候,不直接调用 dealloc,而是 调用 release。release 会让 retain count 减 1,只有 retain count 等于 0,系 统才会调用 dealloc 真正销毁这个对象。
ClassA *obj1 = [[ClassA alloc] init]; //对象生成时,retain count =1
[obj1 release]; //release 使 retain count 减 1,retain count = 0,d ealloc 自动被调用,对象被销毁
我们回头看看刚刚那个无效指针的问题,把 dealloc 改成 release 解决了吗? ClassA *obj1 = [[ClassA alloc] init]; //retain count = 1
ClassA *obj2 = obj1; //retain count = 1
[obj1 hello]; //输出 hello
[obj1 release]; //retain count = 0,对象被销毁 [obj2 hello];
[obj2 release];
[obj1 release]之后,obj2 依然是个无效指针。问题依然没有解决。解决 方法见下一条。
4 Objective-C 指针赋值时,retain count 不会自动增加,需要手动 retai n。
ClassA *obj1 = [[ClassA alloc] init]; //retain count = 1 ClassA *obj2 = obj1; //retain count = 1
[obj2 retain]; //retain count = 2
[obj1 hello]; //输出 hello
[obj1 release]; //retain count = 2 ? 1 = 1 [obj2 hello]; //输出 hello
[obj2 release]; //retain count = 0,对象被销毁
问题解决!注意,如果没有调用[obj2 release],这个对象的 retain count 始终为 1,不会被销毁,内存泄露。(1-4 可以参考附件中的示例程序 memman-no -pool.m)
这样的确不会内存泄露,但似乎有点麻烦,有没有简单点的方法?见下一条。
5 Objective-C 中引入了 autorelease pool(自动释放对象池),在遵守一些 规则的情况下,可以自动释放对象。(autorelease pool 依然不是.Net/Java 那 种全自动的垃圾回收机制)
5.1 新生成的对象,只要调用 autorelease 就行了,无需再调用 release!
ClassA *obj1 = [[[ClassA alloc] init] autorelease]; //retain coun t = 1 但无需调用 release
5.2 对于存在指针赋值的情况,代码与前面类似。
ClassA *obj1 = [[[ClassA alloc] init] autorelease]; //retain coun t= 1
ClassA *obj2 = obj1; //retain count = 1 [obj2 retain]; //retain count = 2
[obj1 hello]; //输出 hello
//对于 obj1,无需调用(实际上不能调用)release [obj2 hello]; //输出 hello
[obj2 release]; //retain count = 2-1 = 1
细心的读者肯定能发现这个对象没有被销毁,何时销毁呢?谁去销毁它?(可 以参考附件中的示例程序 memman-with-pool.m)请看下一条。
6 autorelease pool 原理剖析。(其实很简单的,一定要坚持看下去,否则 还是不能理解 Objective-C 的内存管理机制。)
6.1 autorelease pool 不是天生的,需要手动创立。只不过在新建一个 ip hone 项目时,xcode 会自动帮你写好。autorelease pool 的真名是 NSAutorele asePool。
NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
6.2 NSAutoreleasePool 内部包含一个数组(NSMutableArray),用来保存声 明为 autorelease 的所有对象。如果一个对象声明为 autorelease,系统所做的 工作就是把这个对象加入到这个数组中去。
ClassA *obj1 = [[[ClassA alloc] init] autorelease]; //retain coun t = 1,把此对象加入 autorelease pool 中
6.3 NSAutoreleasePool 自身在销毁的时候,会遍历一遍这个数组,releas e 数组中的每个成员。如果此时数组中成员的 retain count 为 1,那么 release 之后,retain count 为 0,对象正式被销毁。如果此时数组中成员的 retain co unt 大于 1,那么 release 之后,retain count 大于 0,此对象依然没有被销毁, 内存泄露。
6.4 默认只有一个 autorelease pool,通常类似于下面这个例子。 int main (int argc, const char *argv[])
{
NSAutoreleasePool *pool;
pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
// do something
[pool release];
return (0);
} // main
所有标记为 autorelease 的对象都只有在这个 pool 销毁时才被销毁。如果 你有大量的对象标记为 autorelease,这显然不能很好的利用内存,在 iphone 这种内存受限的程序中是很容易造成内存不足的。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"];//产生的对象是 autorele ase 的。
}
[pool release];
return (0);
} // main
(可以参考附件中的示例程序 memman-many-objs-one-pool.m,运行时通过 监控工具可以发现使用的内存在急剧增加,直到 pool 销毁时才被释放)你需要考 虑下一条。
7 Objective-C 程序中可以嵌套创建多个 autorelease pool。在需要大量创 建局部变量的时候,可以创建内嵌的 autorelease pool 来及时释放内存。(感谢 网友 hhyytt 和 neogui 的提醒,某些情况下,系统会自动创建 autorelease poo l, 请参见第四章)
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"];//产生的对象是 autorele ase 的。
[loopPool release];
}
[pool release];
return (0);
} // main
(可以参考附件中的示例程序 memman-many-objs-many-pools.m,占用内存 的变化极小)
二 口诀与范式
1 口诀。
1.1 谁创建,谁释放(类似于“谁污染,谁治理”)。如果你通过 alloc、ne w 或 copy 来创建一个对象,那么你必须调用 release 或 autorelease。换句话说, 不是你创建的,就不用你去释放。
例如,你在一个函数中 alloc 生成了一个对象,且这个对象只在这个函数中 被使用,那么你必须在这个函数中调用 release 或 autorelease。如果你在一个 class 的某个方法中 alloc 一个成员对象,且没有调用 autorelease,那么你需 要在这个类的 dealloc 方法中调用 release;如果调用了 autorelease,那么在 d ealloc 方法中什么都不需要做。
1.2 除了 alloc、new 或 copy 之外的方法创建的对象都被声明了 autorelea se。
1.3 谁 retain,谁 release。只要你调用了 retain,无论这个对象是如何 生成的,你都要调用 release。有时候你的代码中明明没有 retain,可是系统会 在默认实现中加入 retain。不知道为什么苹果公司的文档没有强调这个非常重 要的一点,请参考范式 2.7 和第三章。
2 范式。
范式就是模板,就是依葫芦画瓢。由于不同人有不同的理解和习惯,我总结 的范式不一定适合所有人,但我能保证照着这样做不会出问题。
2.1 创建一个对象。
ClassA *obj1 = [[ClassA alloc] init];
2.2 创建一个 autorelease 的对象。
ClassA *obj1 = [[[ClassA alloc] init] autorelease];
2.3 Release 一个对象后,立即把指针清空。(顺便说一句,release 一个空 指针是合法的,但不会发生任何事情)
[obj1 release];
obj1 = nil;
2.4 指针赋值给另一个指针。 ClassA *obj2 = obj1;
[obj2 retain];
//do something
[obj2 release];
obj2 = nil;
2.5 在一个函数中创建并返回对象,需要把这个对象设置为 autorelease ClassA *Func1()
{
ClassA *obj = [[[ClassA alloc]init]autorelease];
return obj;
}
2.6 在子类的 dealloc 方法中调用基类的 dealloc 方法
-(void) dealloc
{
[super dealloc];
}
2.7 在一个 class 中创建和使用 property。
2.7.1 声明一个成员变量。
ClassB *objB;
2.7.2 声明 property,加上 retain 参数。
@property (retain) ClassB* objB;
2.7.3 定义 property。(property 的默认实现请看第三章)
@synthesize objB;
2.7.4 除了 dealloc 方法以外,始终用.操作符的方式来调用 property。 self.objB 或者 objA.objB
2.7.5 在 dealloc 方法中 release 这个成员变量。
[objB release];
示例代码如下(详细代码请参考附件中的 memman-property.m,你需要特别 留意对象是在何时被销毁的。):
@interface ClassA : NSObject
{
ClassB* objB;
}
@property (retain) ClassB* objB;
@end
@implementation ClassA
@synthesize objB;
-(void) dealloc
{
[objB release];
[super dealloc];
}
@end
2.7.6 给这个property赋值时,有手动release和autorelease两种方式。 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 的默认实现
在这里解释一下@property (retain) ClassB* objB;和@synthesize objB; 背后到底发生了什么(retain property 的默认实现)。property 实际上是 gette r 和 setter,针对有 retain 参数的 property,背后的实现如下(请参考附件中 的 memman-getter-setter.m,你会发现,结果和 memman-property.m 一样):
@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,如果新设定的值和原值不同的话,必须要把原值对象 relea se 一次,这样才能保证 retain count 是正确的。
由于我们在 class 内部 retain 了一次(虽然是默认实现的),所以我们要在 dealloc 方法中 release 这个成员变量。
-(void) dealloc
{
[objB release];
[super dealloc];
}
四 系统自动创建新的 autorelease pool
在生成新的 Run Loop 的时候,系统会自动创建新的 autorelease pool(非 常感谢网友 hhyytt 和 neogui 的提醒)。注意,此处不同于 xcode 在新建项目时 自动生成的代码中加入的 autorelease pool,xcode 生成的代码可以被删除,但 系统自动创建的新的autorelease pool是无法删除的(对于无Garbage Collect ion 的环境来说)。Objective-C 没有给出实现代码,官方文档也没有说明,但我 们可以通过小程序来证明。
在这个小程序中,我们先生成了一个 autorelease pool,然后生成一个 au torelease 的 ClassA 的实例,再在一个新的 run loop 中生成一个 autorelease 的 ClassB 的对象(注意,我们并没有手动在新 run loop 中生成 autorelease po ol)。精简的示例代码如下,详细代码请见附件中的 memman-run-loop-with-poo l.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 中调用一函数,生成 ClassB 的 autorelease 实例
NSLog(@"releasing autorelasePool ");
[pool release];
NSLog(@"autorelasePool is released ");
return 0;
}
输出如下:
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
注意在我们销毁 autorelease pool 之前,ClassB 的 autorelease
