《Objective-C高级编程》自动引用计数 阅读笔记 item2(ARC规则及其实现)

《Objective-C高级编程》自动引用计数 阅读笔记系列

《Objective-C高级编程》自动引用计数 阅读笔记 item1(内存管理/引用计数)
《Objective-C高级编程》自动引用计数 阅读笔记 item2(ARC规则及其实现)

1.3 ARC规则

1.3.1 设置ARC有效的编译方法如下:

  • 使用clang(LLVM编译器)3.0或以上版本
  • 指定编译器属性为"-fobjc-arc"

1.3.2 引用计数式内存管理的思考方式就是在ARC有效时同样适用

1.3.3 所有权修饰符

概念

对象类型:*** 指向NSObject这样的Objective-C类的指针,如“NSObject * ”。 **
id类型:*** 用于隐藏对象类型的类名部分,相当于C语言中的“void *”。 **

ARC有效时,对象类型和id类型必须附加所有权修饰符,如下:

  • __strong修饰符
  • __weak修饰符
  • __unsafe_unretained修饰符
  • __autoreleasing修饰符

*** __strong修饰符 ***

__strong修饰符是id类型和对象类型默认的所有权修饰符。
源码如下:

{
   id __strong obj = [[NSObject alloc] init];
}

附有__strong修饰符的变量obj在超出其变量作用域时,即在该变量被废弃时,会释放其被赋予对象。

关键知识点:

  • __strong修饰符表示对对象的”强引用“。持有强引用的变量在超出其作用域时被废弃,随着强引用的失效,引用的对象会随之释放。
  • 附有__strong修饰符的变量之间可以相互赋值。通过相互赋值,可以使得变量对对象的强引用失效,从而释放原先持有的对象,转而持有由另外一个变量赋值的新的对象的强引用。
  • 即时是Objective-C类成员变量,也可以在方法参数上,使用附有__strong修饰符的变量
  • __strong修饰符可以确保将附有__strong修饰符的自动变量(局部变量)初始化为nil(该规则适用于__weak修饰符和__autoreleasing修饰符)

*** 通过__strong修饰符使ARC有效遵循了Objective-C内存管理的思考方式 ***

  1. “自己生成的对象,自己持有”和“非自己生成的对象,自己也能持有”只需通过对带__strong修饰符的变量赋值便可达成
  2. 通过废弃带__strong修饰符的变量(变量作用域结束或是成员变量所属对象废弃)或者对变量赋值,都可以做到”不再需要自己持有的对象时释放“
  3. 由于不必再次键入release,所以”非自己持有的对象无法释放“原本就不会执行

__strong修饰符的不足

__strong修饰符无法解决引用计数式内存管理中存在的问题——循环引用。循环引用容易发生内存泄露(内存泄露:应当废弃的对象在超出其生存周期后继续存在)。

  • 类成员变量的循环引用:
Snip20160126_12.png
  • 自引用:
Snip20160126_13.png

*** __weak修饰符 ***

__weak修饰符提供弱引用。弱引用不能持有对象。

{
    id _weak obj = [[NSObject alloc] init];
}

实际编译以上代码,编译器会报错,如下:

Snip20160126_14.png

解释:将自己生成并持有的对象赋值给带__weak修饰符的变量obj,变量obj会立即释放生成的对象。
解决方式:将对象赋值给附有__strong修饰符的变量之后再赋值给附有__weak修饰符的变量,如下:

{
    id __strong obj0 = [[NSObject alloc] init];
    id __weak obj1 = obj0;
}

由于带__weak修饰符的变量(弱引用)不持有对象,所以超出其变量作用域时,对象即被释放。

__weak修饰符的优点

  • 可以避免发生循环引用


    Snip20160126_15.png
  • 在持有“对象”的弱引用时,若该对象被废弃,则此弱引用将自动失效且处于nil被赋值的状态(空弱引用),如以下代码:
id __weak obj1 = nil;

{
    id __strong obj0 = [[NSObject alloc] init];
    
    obj1 = obj0;  // obj1变量持有NSObject对象的弱引用
    
    NSLog(@“A : %@”, obj1);  
    // output A : <NSObject: 0x731e180>
}

NSLog(@“B : %@”, obj1; // output B : (null)
  • 通过检查附有__weak修饰符的变量是否为nil,可以判断被赋值的对象是否已废弃
  • __weak修饰符只能用于iOS5以上及OS X Lion以上版本的应用程序

*** __unsafe_unretained修饰符 ***

源代码分析:

id __unsafe_unretained obj1 = nil;
{
    id __strong obj0 = [[NSObject alloc] init];
    
    obj1 = obj0; 
    // obj1变量即不持有对象的强引用也不持有弱引用
    
    NSLog(@"A: %@", obj1);
    // 输出obj1变量表示的对象
    
}
/*
 * 因为obj0变量超出其作用域,强引用失效,
 * 所以自动释放自己持有的对象
 * 因为对象无持有者,所以废弃该对象
 */

 NSLog(@"B: %@", obj1);
 /*
  * 输出obj1变量表示的对象
  * 
  * obj1表示的对象已经被废弃(悬垂指针)!
  * 错误访问!
  */
  • 附有 __unsafe_unretained修饰符的变量不属于编译器的内存管理对象。
  • 附有__unsafe_unretained修饰符的变量同附有__weak修饰符的变量一样,因为自己生成并持有的对象不能继续为自己所有,所以生成的对象会立即被释放。
  • 访问了已经被废弃的对象,只有在个别运行情况下应用程序才会崩溃。
  • 在使用__unsafe_unretained修饰符时,赋值给附有__strong修饰符的变量时有必要确保被赋值的对象确实存在
  • 赋值给附有__unsafe_unretained修饰符变量的对象在通过该变量使用时,如果没有确保其确实存在,那么应用程序就会崩溃

*** __autoreleasing修饰符 ***

  • 在ARC有效时,用@autoreleasepool块替代NSAutoreleasePool类,用附有_autoreleasing修饰符的变量替代autorelease方法,如下:


    Snip20160128_17.png
  • 不需要显式地附加__autoreleasing修饰符,因为编译器会检查方法名是否已alloc/new/copy/mutableCopy方法开始,如果不是则自动将返回值的对象注册到autoreleasePool。
@autoreleasePool{
    
    id __strong obj = [NSMutableArray array];
    
    /*
     * obj变量持有对象的强引用
     *
     * 并且该对象由编译器判断其方法名后,
     * 自动注册到autoreleasePool
     */
    
}/*
  * obj变量超出其作用域,强引用失效
  * 所以自动释放自己持有的对象
  * 
  * 同时,随着@autoreleasePool块的结束,
  * 注册到autoreleasePool中的所有对象被自动释放
  * 
  * 因为对象的所有者不存在,所以废弃该对象
  */

  • 访问附有__weak修饰符的变量时,实际上必定要访问注册到autoreleasePool的对象。
  • id的指针或对象的指针在没有显式指定时会被附加上_autoreleasing修饰符,如下:
指针 带__autoreleasing修饰符
id的指针id *obj id __autoreleasing *obj
对象的指针NSObject **obj NSObject *__autoreleasing *obj
  • 为了得到详细的错误信息,经常在方法的参数中传递NSError对象的指针,而不是函数返回值。
// 方法声明
- (Bool)performOperationWithError:(NSError **)error;
// 等同于
- (Bool)performOperationWithError:(NSError *__autoreleasing *)error;

// 应用
NSError *error = nil; 
Bool result = [obj performOperationWithError:&error];

// 上述源代码经过编译器的转化:
NSError __strong *error = nil;
NSError __autoreleasing *tmp = error;
Bool result = [obj performOperationWithError:&tmp];
error = tmp;

/*
 编译器正是通过这种添加源代码的方式使得原先的源代码即不会编译出错,也能在使用  参数取得对象时,贯彻内存管理的思考方式。
 */
  • 在显式地指定__autoreleasing修饰符时,必须注意对象变量要为自动变量(包括局部变量、函数以及方法参数)

1.3.4 ARC的规则

  • 不能使用retain/release/retainCount/autorelease
  • 不能使用NSAllocateObject/NSDeallocateObject
  • 须遵守内存管理的方法命名规则
  • 不要显式调用dealloc
  • 使用@autoreleasePool替代NSAutoreleasePool
  • 不能使用区域(NSZone)
  • 对象型变量不能作为C语言结构体(struct/union)的成员
  • 显式转换“id”和“void”

*** 须遵守内存管理的方法命名规则 ***

在ARC有效时,用于对象生成/持有的方法除了alloc/new/copy/mutableCopy还要追加一条命名规则init。
该方法是实例方法,并且必须要返回对象。返回的对象应为id类型或该方法声明类的对象类型,或是该类的超类型或子类型。该返回对象并不注册到autoreleasePool上。基本上只是对alloc方法返回值的对象进行初始化处理并返回该对象。

*** 不要显式调用dealloc ***

  • 对象被废弃时,不管ARC是否有效,都会调用对象的dealloc方法。在dealloc方法里记述废弃对象时所需做的处理。
  • dealloc方法需要通过free来释放留出的内存。
  • dealloc方法在大多数情况下适用于删除已注册的代理或观察者对象。

*** 对象型变量不能作为C语言结构体(struct/union)的成员 ***

要把对象型变量加入到结构体成员中时,可强制转换为void * 或是附加__unsafe_unretained修饰符

*** 显式转换“id”和“void” ***

  • id类型或对象类型变量赋值给void *或者逆向赋值时都需要进行特定的转换。如果只想单纯地赋值,则可以使用"__bridge转换"。如void *p = (__bridge void *)obj;
  • __bridge_retained转换可使要转换赋值的变量也持有所赋值的对象。与retain类似。
void *p = 0;
{
    id obj = [[NSObject alloc] init]; // 对象的retaidedCount : 1
    
    p = (__bridge_retained void *)obj; // 对象的retainedCount : 2
    
}
// 作用域结束时,obj变量持有对象的强引用失效,所以释放持有对象,但是由于__bridge_retained转换使变量p看上去处于持有该对象的状态,因此该对象不会被废弃
NSLog(@"class = %@", [(__bridge id)p class]);
  • __bridge_transfer,被转换的变量所持有的对象在该变量被赋值给转换目标变量后随之释放。与release类似。
  • 这些转换多数使用在Objective-C对象和Core Foundation对象之间的相互变换中。

1.3.5 属性

当ARC有效时,属性声明的属性与所有权修饰符的对应关系,如下表:

属性声明的属性 所有权修饰符
assign __unsafe_unretained修饰符
copy __strong修饰符(但是赋值的是被复制的对象)
retain __strong修饰符
strong __strong修饰符
unsafe_unretianed __unsafe_unretained修饰符
weak __weak修饰符

1.3.6 数组

  • __unsafe_unretained修饰符以外的__strong/__weak/__autoreleasing修饰符保证其指定的变量初始化为nil。同样地,附有__strong/__weak/__autoreleasing修饰符变量的数组也保证其初始化为nil。如下,将附有__strong修饰符的变量作为静态数组使用:id objs[10];

  • 将附有__strong修饰符的变量作为动态数组使用时,根据不同的目的选择使用NSMutableArray、NSMutableDictionary、NSMutableSet等Foundation框架的容器。这些容器会恰当地持有追加的对象并为我们管理这些对象。

  • 在C语言的动态数组使用附有__strong修饰符的变量,必须遵守一些事项:

    1. 声明动态数组用指针,如id __strong *array = nil;由于不能保证附有__strong修饰符的id指针类型变量被初始化为nil,需要自行赋值nil。
    2. 使用类名时如下,NSObject *__strong *array = nil;
  • 使用calloc函数确保想分配的附有__strong修饰符变量的容量占有的内存块,如array = (id __strong *)calloc(entries, sizeof(id));

  • 在动态数组中操作附有__strong修饰符的变量与静态数组有很大差异,需要自己释放所有的元素。在用free函数废弃数组用内存块前,需要先将nil赋值给所有元素,使得元素所赋值对象的强引用失效,从而释放那些对象,再用free函数废弃内存块。

  • 使用附有__weak修饰符变量的动态数组与使用__strong修饰符相像。

  • 在__autoreleasing修饰符的情况下,最好不要使用动态数组。

  • 由于__unsafe_unretained修饰符在编译器的内存管理对象之外,所以它与void *类型一样,只能作为C语言的指针类型来使用.

1.4 ARC的实现

ARC由以下工具、库来实现:

  • clang(LLVM编译器)3.0以上
  • objc4 Objective-C运行时库493.9以上

1.4.1 __strong修饰符

{
    id __strong obj = [[NSObject alloc] init];
}

以上源代码可转换为调用以下的函数,

/* 编译器的模拟代码  */
id obj = objc_msgSend(NSObject, @selector(alloc));
objc_msgSend(obj, @selector(init));
objc_release(obj);

总结

如上所示,*** 在ARC有效时不能使用release方法的缘故是编译器会自动插入release。***

NSMutableArray类的array类方法的调用如下:

{
    id __strong obj = [NSMutableArray array];
}

转换后的源代码是

/* 编译器的模拟代码  */
id obj = objc_msgSend(NSMutableArray, @selector(array));
objc_retainAutoreleasedReturnValue(obj);
objc_release(obj);

其中,NSMutableArray类的array类方法:

+ (id) array
{
    return [[NSMutableArray alloc] init];
}

转换后的源代码是

/* 编译器的模拟代码  */
+ (id) array 
{
    id obj = objc_msgSend(NSMutableArray, @selector(alloc));
    objc_msgSend(obj, @selector(init));
    return objc_autoreleaseReturnValue(obj);
}

总结

如上所示,*** objc_retainAutoreleasedReturnValue函数和objc_autoreleaseReturnValue函数的协作,可以不将对象注册到autoreleasePool中而直接传递,这一过程达到了最优化。***
如图所示:


Snip20160128_19.png

关键知识点:

  • objc_autoreleaseReturnValue函数用于alloc/new/copy/mutableCopy方法以外的NSMutableArray类的array类方法等返回对象的实现上。

  • objc_autoreleaseReturnValue函数与objc_autorelease函数不同,一般不仅限于注册对象到autoreleasePool中。

  • objc_retainAutoreleasedReturnValue函数主要用于最优化程序运行。即,它是用于自己持有(retain)对象的函数,但它持有的对象应为返回注册在autoreleasePool中对象的方法或是函数的返回值。

  • objc_retainAutoreleasedReturnValue函数与objc_retain函数不同,它即时不注册到autoreleasePool而返回对象,也能够正确地获取对象。

  • objc_autoreleaseReturnValue函数会检查使用该函数的方法或函数调用方的执行命令列表,如果方法或函数的调用方在调用了方法或函数后紧跟着调用objc_retainAutoreleasedReturnValue函数,那么就不将返回的对象注册到autoreleasePool中,而是直接传递到方法或函数的调用方。

1.4.2 __weak修饰符

  • 若附有__weak修饰符的变量所引用的对象被废弃,则将nil赋值给该变量。
  • 使用附有__weak修饰符的变量,即是使用注册到autoreleasePool中的对象。

假设obj附有__strong修饰符且对象被赋值

{   
    id __weak obj1 = obj;
}

转换后的源代码是

/* 编译器的模拟代码 */
id obj1;
objc_initWeak(&obj1, obj);
objc_destroyWeak(&obj1);

其中,objc_initWeak函数将附有__weak修饰符的变量初始化为0后,会将赋值的对象作为参数调用objc_storeWeak函数:

obj1 = 0;
objc_storeWeak(&obj1, obj);

objc_destroyWeak函数将0作为参数调用objc_storeWeak函数:

objc_storeWeak(%obj1, 0);

即,转换后的源代码也可以是

/* 编译器的模拟代码 */
id obj1;
obj1 = 0;
objc_storeWeak(&obj1, obj);
objc_storeWeak(%obj1, 0);

总结

  • 通过objc_initWeak函数初始化附有__weak修饰符的变量,在变量作用域结束时通过objc_destroyWeak函数释放该变量。
  • objc_destroyWeak函数把第二参数的赋值对象的地址作为键值,将第一参数的附有__weak修饰符的变量的地址注册到weak表中。如果第二参数为0,则把变量的地址从weak表中删除。

释放对象,废弃谁都不持有的对象时,程序的动作:

  1. objc_release
  2. 因为引用计数为0所以执行dealloc
  3. _objc_rootDealloc
  4. object_dispose
  5. objc_destructInstance
  6. objc_clear_deallocating

其中,对象被废弃时最后调用的objc_clear_deallocating函数的动作如下:

  1. 从weak表中获取废弃对象的地址为键值的记录
  2. 将包含在记录中的所有附有__weak修饰符变量的地址,赋值为nil(释放变量)
  3. 从weak表中删除该记录
  4. 从引用计数表中删除废弃对象的地址为键值的记录(废弃对象)

注意

  • 附有__weak修饰符的变量所引用的对象被废弃时,则将nil赋值给该变量。如果大量使用附有__weak修饰符的变量,则会消耗相应的CPU资源。最好是只在需要避免循环引用时使用__weak修饰符。
  • 将自己生成并持有的对象直接赋值给附有__weak修饰符的变量,编译器会报错,如下:
{
    id __weak obj = [[NSObject alloc] init];
}

obj变量不能持有该对象,这时会被释放并被废弃,引起编译器的警告。

Snip20160129_1.png

通过转换后的源代码解释,

/* 编译器的模拟代码  */
id obj;
id tmp = objc_msgSend(NSObject, @selctor(alloc));
objc_msgSend(tmp, @selctor(init));
objc_initWeak(&obj, tmp);
objc_release(tmp); // 释放该对象
objc_destroyWeak(&object); // 废弃该对象

总结

  • 虽然自己生成并持有的对象通过objc_initWeak函数被赋值给附有__weak修饰符的变量中,但编译器判断其没有持有者,故该对象立即通过objc_release函数被释放和废弃。
  • nil会被赋值给引用废弃对象的附有__weak修饰符的变量中。

假设obj附有__strong修饰符且对象被赋值

{   
    id __weak obj1 = obj;
    NSLog(@"%@", obj1);
}

转换后的源代码是

/* 编译器的模拟代码 */
id obj1;
objc_initWeak(&obj1, obj);
id tmp = objc_loadWeakRetained(&obj1);
objc_autorelease(tmp);
NSLog(@"%@", tmp);
objc_destroyWeak(&obj1);

其中,与前面的被赋值时相比,在使用附有__weak修饰符变量的情形下,增加了对objc_loadWeakRetained函数和objc_autorelease函数的调用。这两个函数的动作如下:

  1. objc_loadWeakRetained函数取出附有__weak修饰符所引用的对象并retain。
  2. objc_autorelease函数将对象注册到autoreleasepool中。

注意

  • 因为附有__weak修饰符变量所引起的对象像这样被注册到autoreleasepool中,所以在@autoreleasepool块结束之前都可以放心使用。
  • 如果大量地使用附有__weak修饰符的变量,注册到autoreleasepool的对象也会大量地增加,因此在使用附有__weak修饰符的变量时,最好先暂时赋值给附有__strong修饰符的变量后再使用。如
{
   id __weak o = obj;
   id tmp = o;
   NSLog(@"1 %@", tmp);
   NSLog(@"2 %@", tmp);
   NSLog(@"3 %@", tmp);
}

1.4.3 __autoreleasing修饰符

将对象赋值给附有__autoreleasing修饰符的变量等同于ARC无效时调用对象的autorelease方法。

alloc/new/copy/mutableCopy方法群:

@autoreleasepool{
    id __autoreleasing obj = [[NSObject alloc] init]
}

转换后的源代码是

/* 编译器模拟代码  */
id pool = objc_autoreleasePoolPush();
id obj = objc_msgSend(NSObject, @selctor(alloc));
objc_msgSend(obj, @selctor(init));
objc_autorelease(obj); // 将对象添加到autoreleasepool中
objc_autoreleasePoolPop(pool);

NSMutableArray类的array类方法:

@autoreleasepool{
    id __autoreleasing obj = [NSMutableArray array];
}

转换后的源代码是

/* 编译器的模拟代码  */
id pool = objc_autoreleasePoolPush();
id obj = objc_msgSend(NSMutableArray, @selctor(array));
objc_retainAutoreleasedReturnValue(obj);//用于自己持有(retain)对象
objc_autorelease(obj); // 将对象添加到autoreleasepool中
objc_autoreleasePoolPop(pool);

1.4.4 引用计数

  • 由于弱引用并不持有对象,所以赋值给附有__weak修饰符的变量中也必定不会改变引用计数数值。
  • 通过__autoreleasing修饰符向autoreleasepool注册时,引用计数数值会加1,但是@autoreleasepool块结束时会释放已注册的对象,引用计数数值会减1。
  • 不使用__autoreleasing修饰符,仅使用附有__weak修饰符声明的变量也能将引用对象注册到autoreleasepool中。
  • 不能完全信任_objc_rootRetainCount函数取得的数值。

后记

由于该书讲解知识点并没有完整的实例,所以还需要再找另外的书籍或者博客进行练习。个人更偏向于书籍,精通Objective-C第4、5、6章有相关内存管理和ARC方面的讲解和练习。

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