iOS開發ARC內存管理技術要點

本文來源於我個人的ARC學習筆記，旨在通過簡明扼要的方式總結出iOS開發中ARC(Automatic Reference Counting，自動引用計數)內存管理技術的要點，所以不會涉及全部細節。這篇文章不是一篇標準的ARC使用教程，並假定讀者已經對ARC有了一定了解和使用經驗。詳細的關於ARC的信息請參見蘋果的官方文檔與網上的其他教程：）

本文的主要內容：

ARC的本質

ARC是編譯器（時）特性，而不是運行時特性，更不是垃圾回收器(GC)。

Automatic Reference Counting (ARC) is a compiler-level feature that simplifies the process of managing object lifetimes (memory management) in Cocoa applications.

ARC只是相對於MRC（Manual Reference Counting或稱為非ARC，下文中我們會一直使用MRC來指代非ARC的管理方式）的一次改進，但它和之前的技術本質上沒有區別。具體信息可以參考ARC編譯器官方文檔。

ARC的開啟與關閉

不同於XCode4可以在創建工程時選擇關閉ARC，XCode5在創建的工程是默認開啟ARC，沒有可以關閉ARC的選項。

如果需要對特定文件開啟或關閉ARC，可以在工程選項中選擇Targets -> Compile Phases -> Compile Sources，在裡面找到對應文件，添加flag:

如圖：

ARC的修飾符

ARC主要提供了4種修飾符，他們分別是:__strong,__weak,__autoreleasing,__unsafe_unretained。

表示引用為強引用。對應在定義property時的"strong"。所有對象只有當沒有任何一個強引用指向時，才會被釋放。

注意：如果在聲明引用時不加修飾符，那麼引用將默認是強引用。當需要釋放強引用指向的對象時，需要將強引用置nil。

表示引用為弱引用。對應在定義property時用的"weak"。弱引用不會影響對象的釋放，即只要對象沒有任何強引用指向，即使有100個弱引用對象指向也沒用，該對象依然會被釋放。不過好在，對象在被釋放的同時，指向它的弱引用會自動被置nil，這個技術叫zeroing weak pointer。這樣有效得防止無效指針、野指針的產生。__weak一般用在delegate關係中防止循環引用或者用來修飾指向由Interface Builder編輯與生成的UI控制項。

表示在autorelease pool中自動釋放對象的引用，和MRC時代autorelease的用法相同。定義property時不能使用這個修飾符，任何一個對象的property都不應該是autorelease型的。

一個常見的誤解是，在ARC中沒有autorelease，因為這樣一個「自動釋放」看起來好像有點多餘。這個誤解可能源自於將ARC的「自動」和autorelease「自動」的混淆。其實你只要看一下每個iOS App的main.m文件就能知道，autorelease不僅好好的存在著，並且變得更fashion了：不需要再手工被創建，也不需要再顯式得調用[drain]方法釋放內存池。

以下兩行代碼的意義是相同的。

NSString *str = [[[NSString alloc] initWithFormat:@"hehe"] autorelease]; // MRCNSString *__autoreleasing str = [[NSString alloc] initWithFormat:@"hehe"]; // ARC

這裡關於autoreleasepool就不做展開了，詳細地信息可以參考官方文檔或者其他文章。

__autoreleasing在ARC中主要用在參數傳遞返回值（out-parameters）和引用傳遞參數（pass-by-reference）的情況下。

__autoreleasingis used to denote arguments that are passed by reference (id *) and are autoreleased on return.

比如常用的NSError的使用：

NSError *__autoreleasing error; if (![data writeToFile:filename options:NSDataWritingAtomic error:&error]) { 　　NSLog(@"Error: %@", error); }

（在上面的writeToFile方法中error參數的類型為(NSError *__autoreleasing *)）

注意，如果你的error定義為了strong型，那麼，編譯器會幫你隱式地做如下事情，保證最終傳入函數的參數依然是個__autoreleasing類型的引用。

NSError *error; NSError *__autoreleasing tempError = error; // 編譯器添加 if (![data writeToFile:filename options:NSDataWritingAtomic error:&tempError]) { 　　error = tempError; // 編譯器添加 　　NSLog(@"Error: %@", error); }

所以為了提高效率，避免這種情況，我們一般在定義error的時候將其（老老實實地=。=）聲明為__autoreleasing類型的：

NSError *__autoreleasing error;

在這裡，加上__autoreleasing之後，相當於在MRC中對返回值error做了如下事情：

*error = [[[NSError alloc] init] autorelease];

*error指向的對象在創建出來後，被放入到了autoreleasing pool中，等待使用結束後的自動釋放，函數外error的使用者並不需要關心*error指向對象的釋放。

另外一點，在ARC中，所有這種指針的指針 （NSError **）的函數參數如果不加修飾符，編譯器會默認將他們認定為__autoreleasing類型。

比如下面的兩段代碼是等同的：

- (NSString *)doSomething:(NSNumber **)value{ // do something }

- (NSString *)doSomething:(NSNumber * __autoreleasing *)value{ // do something }

除非你顯式得給value聲明了__strong，否則value默認就是__autoreleasing的。

最後一點，某些類的方法會隱式地使用自己的autorelease pool，在這種時候使用__autoreleasing類型要特別小心。

比如NSDictionary的[enumerateKeysAndObjectsUsingBlock]方法：

- (void)loopThroughDictionary:(NSDictionary *)dict error:(NSError **)error{ [dict enumerateKeysAndObjectsUsingBlock:^(id key, id obj, BOOL *stop){ // do stuff if (there is some error && error != nil) { *error = [NSError errorWithDomain:@"MyError" code:1 userInfo:nil]; }? }];?}

會隱式地創建一個autorelease pool，上面代碼實際類似於：

- (void)loopThroughDictionary:(NSDictionary *)dict error:(NSError **)error{ [dict enumerateKeysAndObjectsUsingBlock:^(id key, id obj, BOOL *stop){ @autoreleasepool // 被隱式創建　　　　　　{ if (there is some error && error != nil) { *error = [NSError errorWithDomain:@"MyError" code:1 userInfo:nil]; }? } }]; // *error 在這裡已經被dict的做枚舉遍歷時創建的autorelease pool釋放掉了 ：( }

為了能夠正常的使用*error，我們需要一個strong型的臨時引用，在dict的枚舉Block中是用這個臨時引用，保證引用指向的對象不會在出了dict的枚舉Block後被釋放，正確的方式如下：

- (void)loopThroughDictionary:(NSDictionary *)dict error:(NSError **)error{

　　__block NSError* tempError; // 加__block保證可以在Block內被修改 　　[dict enumerateKeysAndObjectsUsingBlock:^(id key, id obj, BOOL *stop)　　{ 　　　　if (there is some error) 　　　　{ 　　　　　　*tempError = [NSError errorWithDomain:@"MyError" code:1 userInfo:nil]; 　　　　} ? 　　}] 　　if (error != nil) 　　{ 　　　　*error = tempError; 　　} ?}

__unsafe_unretained

ARC是在iOS 5引入的，而這個修飾符主要是為了在ARC剛發布時兼容iOS 4以及版本更低的設備，因為這些版本的設備沒有weak pointer system，簡單的理解這個系統就是我們上面講weak時提到的，能夠在weak引用指向對象被釋放後，把引用值自動設為nil的系統。這個修飾符在定義property時對應的是"unsafe_unretained"，實際可以將它理解為MRC時代的assign：純粹只是將引用指向對象，沒有任何額外的操作，在指向對象被釋放時依然原原本本地指向原來被釋放的對象（所在的內存區域）。所以非常不安全。

現在可以完全忽略掉這個修飾符了，因為iOS 4早已退出歷史舞台很多年。

這可能是很多人都不知道的一個問題，包括之前的我，但卻是一個特別要注意的問題。

蘋果的文檔中明確地寫道：

You should decorate variables correctly. When using qualifiers in an object variable declaration,

the correct format is:

ClassName * qualifier variableName;

按照這個說明，要定義一個weak型的NSString引用，它的寫法應該是：

NSString * __weak str = @"hehe"; // 正確！

而不應該是：

__weak NSString *str = @"hehe"; // 錯誤！

我相信很多人都和我一樣，從開始用ARC就一直用上面那種錯誤的寫法。

那這裡就有疑問了，既然文檔說是錯誤的，為啥編譯器不報錯呢？文檔又解釋道：

Other variants are technically incorrect but are 「forgiven」 by the compiler. To understand the issue, seehttp://cdecl.org/.

好吧，看來是蘋果爸爸（=。=）考慮到很多人會用錯，所以在編譯器這邊貼心地幫我們忽略並處理掉了這個錯誤：）雖然不報錯，但是我們還是應該按照正確的方式去使用這些修飾符，如果你以前也常常用錯誤的寫法，那看到這裡記得以後不要這麼寫了，哪天編譯器怒了，再不支持錯誤的寫法，就要鬱悶了。

無論是被strong，weak還是autoreleasing修飾，聲明在棧中的指針默認值都會是nil。所有這類型的指針不用再初始化的時候置nil了。雖然好習慣是最重要的，但是這個特性更加降低了「野指針」出現的可能性。

在ARC中，以下代碼會輸出null而不是crash:)

- (void)myMethod { NSString *name; NSLog(@"name: %@", name);}

ARC與Block

在MRC時代，Block會隱式地對進入其作用域內的對象（或者說被Block捕獲的指針指向的對象）加retain，來確保Block使用到該對象時，能夠正確的訪問。

這件事情在下面代碼展示的情況中要更加額外小心。

MyViewController *myController = [[MyViewController alloc] init…];// 隱式地調用[myController retain];造成循環引用myController.completionHandler = ^(NSInteger result) { [myController dismissViewControllerAnimated:YES completion:nil];};[self presentViewController:myController animated:YES completion:^{ [myController release]; // 注意，這裡調用[myController release];是在MRC中的一個常規寫法，並不能解決上面循環引用的問題}];

在這段代碼中，myController的completionHandler調用了myController的方法[dismissViewController...]，這時completionHandler會對myController做retain操作。而我們知道，myController對completionHandler也至少有一個retain（一般準確講是copy），這時就出現了在內存管理中最糟糕的情況：循環引用！簡單點說就是：myController retain了completionHandler，而completionHandler也retain了myController。循環引用導致了myController和completionHandler最終都不能被釋放。我們在delegate關係中，對delegate指針用weak就是為了避免這種問題。

不過好在，編譯器會及時地給我們一個警告，提醒我們可能會發生這類型的問題：

對這種情況，我們一般用如下方法解決：給要進入Block的指針加一個__block修飾符。

這個__block在MRC時代有兩個作用：

一個變數如果不加__block，是不能在Block裡面修改的，不過這裡有一個例外：static的變數和全局變數不需要加__block就可以在Block中修改。

使用這種方法，我們對代碼做出修改，解決了循環引用的問題：

MyViewController * __block myController = [[MyViewController alloc] init…];// ...myController.completionHandler = ^(NSInteger result) { [myController dismissViewControllerAnimated:YES completion:nil];};//之後正常的release或者retain

在ARC引入後，沒有了retain和release等操作，情況也發生了改變：在任何情況下，__block修飾符的作用只有上面的第一條：說明變數可改。即使加上了__block修飾符，一個被block捕獲的強引用也依然是一個強引用。這樣在ARC下，如果我們還按照MRC下的寫法，completionHandler對myController有一個強引用，而myController對completionHandler有一個強引用，這依然是循環引用，沒有解決問題：（

於是我們還需要對原代碼做修改。簡單的情況我們可以這樣寫：

__block MyViewController * myController = [[MyViewController alloc] init…];// ...myController.completionHandler = ^(NSInteger result) { [myController dismissViewControllerAnimated:YES completion:nil]; myController = nil; // 注意這裡，保證了block結束myController強引用的解除};

在completionHandler之後將myController指針置nil，保證了completionHandler對myController強引用的解除，不過也同時解除了myController對myController對象的強引用。這種方法過於簡單粗暴了，在大多數情況下，我們有更好的方法。

這個更好的方法就是使用weak。（或者為了考慮iOS4的兼容性用unsafe_unretained，具體用法和weak相同，考慮到現在iOS4設備可能已經絕跡了，這裡就不講這個方法了）（關於這個方法的本質我們後面會談到）

為了保證completionHandler這個Block對myController沒有強引用，我們可以定義一個臨時的弱引用weakMyViewController來指向原myController的對象，並把這個弱引用傳入到Block內，這樣就保證了Block對myController持有的是一個弱引用，而不是一個強引用。如此，我們繼續修改代碼：

MyViewController *myController = [[MyViewController alloc] init…];// ...MyViewController * __weak weakMyViewController = myController;myController.completionHandler = ^(NSInteger result) { [weakMyViewController dismissViewControllerAnimated:YES completion:nil];};

這樣循環引用的問題就解決了，但是卻不幸地引入了一個新的問題：由於傳入completionHandler的是一個弱引用，那麼當myController指向的對象在completionHandler被調用前釋放，那麼completionHandler就不能正常的運作了。在一般的單線程環境中，這種問題出現的可能性不大，但是到了多線程環境，就很不好說了，所以我們需要繼續完善這個方法。

為了保證在Block內能夠訪問到正確的myController，我們在block內新定義一個強引用strongMyController來指向weakMyController指向的對象，這樣多了一個強引用，就能保證這個myController對象不會在completionHandler被調用前釋放掉了。於是，我們對代碼再次做出修改：

MyViewController *myController = [[MyViewController alloc] init…];// ...MyViewController * __weak weakMyController = myController;myController.completionHandler = ^(NSInteger result) { MyViewController *strongMyController = weakMyController;　　if (strongMyController) { // ... [strongMyController dismissViewControllerAnimated:YES completion:nil]; // ... } else { // Probably nothing... }};

到此，一個完善的解決方案就完成了：）

官方文檔對這個問題的說明到這裡就結束了，但是可能很多朋友會有疑問，不是說不希望Block對原myController對象增加強引用么，這裡為啥堂而皇之地在Block內新定義了一個強引用，這個強引用不會造成循環引用么？理解這個問題的關鍵在於理解被Block捕獲的引用和在Block內定義的引用的區別。為了搞得明白這個問題，這裡需要了解一些Block的實現原理，但由於篇幅的緣故，本文在這裡就不展開了，詳細的內容可以參考其他的文章，這裡特別推薦唐巧的文章和另外2位作者的博文：這個和這個，講的都比較清楚。

這裡假設大家已經對Block的實現原理有所了解了。我們就直入主題了！注意前方高能（=。=）

為了更清楚地說明問題，這裡用一個簡單的程序舉例。比如我們有如下程序：

#include <stdio.h>int main(){ int b = 10; int *a = &b; void (^blockFunc)() = ^(){ int *c = a; }; blockFunc(); return 1;}

程序中，同為int型的指針，a是被Block捕獲的變數，而c是在Block內定義的變數。我們用clang -rewrite-objc處理後，可以看到如下代碼：

原main函數：

int main(){ int b = 10; int *a = &b; void (*blockFunc)() = (void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, a); ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)blockFunc)->FuncPtr)((__block_impl *)blockFunc); return 1;}

Block的結構：

struct __main_block_impl_0 { struct __block_impl impl; struct __main_block_desc_0* Desc; int *a; // 被捕獲的引用 a 出現在了block的結構體裡面 __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int *_a, int flags=0) : a(_a) { impl.isa = &_NSConcreteStackBlock; impl.Flags = flags; impl.FuncPtr = fp; Desc = desc; }};

實際執行的函數：

static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) { int *a = __cself->a; // bound by copy int *c = a; // 在block中聲明的引用 c 在函數中聲明，存在於函數棧上 }

我們可以清楚得看到，a和c存在的位置完全不同，如果Block存在於堆上（在ARC下Block默認在堆上），那麼a作為Block結構體的一個成員，也自然會存在於堆上，而c無論如何，永遠位於Block內實際執行代碼的函數棧內。這也導致了兩個變數生命周期的完全不同：c在Block的函數運行完畢，即會被釋放，而a呢，只有在Block被從堆上釋放的時候才會釋放。

回到我們的MyViewController的例子中，同上理，如果我們直接讓Block捕獲我們的myController引用，那麼這個引用會被複制後（引用類型也會被複制）作為Block的成員變數存在於其所在的堆空間中，也就是為Block增加了一個指向myController對象的強引用，這就是造成循環引用的本質原因。對於MyViewController的例子，Block的結構體可以理解是這個樣子：（準確的結構體肯定和以下這個有區別，但也肯定是如下這種形式：）

struct __main_block_impl_0 { struct __block_impl impl; struct __main_block_desc_0* Desc; MyViewController * __strong myController; // 被捕獲的強引用myController __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int *_a, int flags=0) : a(_a) { impl.isa = &_NSConcreteStackBlock; impl.Flags = flags; impl.FuncPtr = fp; Desc = desc; }};

而反觀我們給Block傳入一個弱引用weakMyController，這時我們Block的結構：

struct __main_block_impl_0 { struct __block_impl impl; struct __main_block_desc_0* Desc; MyViewController * __weak weakMyController; // 被捕獲的弱引用weakMyController __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int *_a, int flags=0) : a(_a) { impl.isa = &_NSConcreteStackBlock; impl.Flags = flags; impl.FuncPtr = fp; Desc = desc; }};

再看在Block內聲明的強引用strongMyController，它雖然是強引用，但存在於函數棧中，在函數執行期間，它一直存在，所以myController對象也一直存在，但是當函數執行完畢，strongMyController即被銷毀，於是它對myController對象的強引用也被解除，這時Block對myController對象就不存在強引用關係了！加入了strongMyController的函數大體會是這個樣子：

static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) { MyViewController * __strong strongMyController = __cself->weakMyController; // .... }

綜上所述，在ARC下（在MRC下會略有不同），Block捕獲的引用和Block內聲明的引用無論是存在空間與生命周期都是截然不同的，也正是這種不同，造成了我們對他們使用方式的區別。

以上就解釋了之前提到的所有問題，希望大家能看明白：）

好的，最後再提一點，在ARC中，對Block捕獲對象的內存管理已經簡化了很多，由於沒有了retain和release等操作，實際只需要考慮循環引用的問題就行了。比如下面這種，是沒有內存泄露的問題的：

TestObject *aObject = [[TestObject alloc] init]; aObject.name = @"hehe";self.aBlock = ^(){ NSLog(@"aObject"s name = %@",aObject.name); };

我們上面提到的解決方案，只是針對Block產生循環引用的問題，而不是說所有的Block捕獲引用都要這麼處理，一定要注意！

There are a number of data types in the Core Foundation framework and the Foundation framework that can be used interchangeably. This capability, calledtoll-free bridging, means that you can use the same data type as the parameter to a Core Foundation function call or as the receiver of an Objective-C message.

Toll-Free Briding保證了在程序中，可以方便和諧的使用Core Foundation類型的對象和Objective-C類型的對象。詳細的內容可參考官方文檔。以下是官方文檔中給出的一些例子：

NSLocale *gbNSLocale = [[NSLocale alloc] initWithLocaleIdentifier:@"en_GB"];CFLocaleRef gbCFLocale = (CFLocaleRef) gbNSLocale;CFStringRef cfIdentifier = CFLocaleGetIdentifier (gbCFLocale);NSLog(@"cfIdentifier: %@", (NSString *)cfIdentifier);// logs: "cfIdentifier: en_GB"CFRelease((CFLocaleRef) gbNSLocale); CFLocaleRef myCFLocale = CFLocaleCopyCurrent();NSLocale * myNSLocale = (NSLocale *) myCFLocale;[myNSLocale autorelease];NSString *nsIdentifier = [myNSLocale localeIdentifier];CFShow((CFStringRef) [@"nsIdentifier: " stringByAppendingString:nsIdentifier]);// logs identifier for current locale

在MRC時代，由於Objective-C類型的對象和Core Foundation類型的對象都是相同的release和retain操作規則，所以Toll-Free Bridging的使用比較簡單，但是自從ARC加入後，Objective-C類型的對象內存管理規則改變了，而Core Foundation依然是之前的機制，換句話說，Core Foundation不支持ARC。

這個時候就必須要要考慮一個問題了，在做Core Foundation與Objective-C類型轉換的時候，用哪一種規則來管理對象的內存。顯然，對於同一個對象，我們不能夠同時用兩種規則來管理，所以這裡就必須要確定一件事情：哪些對象用Objective-C（也就是ARC）的規則，哪些對象用Core Foundation的規則（也就是MRC）的規則。或者說要確定對象類型轉換了之後，內存管理的ownership的改變。

If you cast between Objective-C and Core Foundation-style objects, you need to tell the compiler about the ownership semantics of the object using either a cast (defined inobjc/runtime.h) or a Core Foundation-style macro (defined inNSObject.h)

於是蘋果在引入ARC之後對Toll-Free Bridging的操作也加入了對應的方法與修飾符，用來指明用哪種規則管理內存，或者說是內存管理權的歸屬。

這些方法和修飾符分別是：

只是聲明類型轉變，但是不做內存管理規則的轉變。

比如：

CFStringRef s1 = (__bridge CFStringRef) [[NSString alloc] initWithFormat:@"Hello, %@!", name];

只是做了NSString到CFStringRef的轉化，但管理規則未變，依然要用Objective-C類型的ARC來管理s1，你不能用CFRelease()去釋放s1。

表示將指針類型轉變的同時，將內存管理的責任由原來的Objective-C交給Core Foundation來處理，也就是，將ARC轉變為MRC。

比如，還是上面那個例子

NSString *s1 = [[NSString alloc] initWithFormat:@"Hello, %@!", name];?CFStringRef s2 = (__bridge_retained CFStringRef)s1;// do something with s2//...CFRelease(s2); // 注意要在使用結束後加這個

我們在第二行做了轉化，這時內存管理規則由ARC變為了MRC，我們需要手動的來管理s2的內存，而對於s1，我們即使將其置為nil，也不能釋放內存。

等同的，我們的程序也可以寫成：

NSString *s1 = [[NSString alloc] initWithFormat:@"Hello, %@!", name];?CFStringRef s2 = (CFStringRef)CFBridgingRetain(s1);// do something with s2//...CFRelease(s2); // 注意要在使用結束後加這個

__bridge_transfer（修飾符）orCFBridgingRelease（函數）

這個修飾符和函數的功能和上面那個__bridge_retained相反，它表示將管理的責任由Core Foundation轉交給Objective-C，即將管理方式由MRC轉變為ARC。

比如：

CFStringRef result = CFURLCreateStringByAddingPercentEscapes(. . .);?NSString *s = (__bridge_transfer NSString *)result;//or NSString *s = (NSString *)CFBridgingRelease(result);return s;

這裡我們將result的管理責任交給了ARC來處理，我們就不需要再顯式地將CFRelease()了。

對了，這裡你可能會注意到一個細節，和ARC中那個4個主要的修飾符（__strong,__weak,...）不同，這裡修飾符的位置是放在類型前面的，雖然官方文檔中沒有說明，但看官方的頭文件可以知道。小夥伴們，記得別把位置寫錯哦：）

呼~ 好了，以上就是本篇文章的主要內容。這次採用了新的排版，感覺比以前有條理得多，希望的大家看的舒服。

文章中如果有任何錯誤或者問題，可以在下面留言或者給我發信，期待你們的回復。

感謝大家的收看。

原創文章，轉載請註明出處，謝謝：）