1. 概述

What —— 什么是内存管理？

内存管理是程序设计中常见的资源管理（resource management）的一部分，主要功能是控制应用程序中对象的生命周期，确保它们在需要时存在，而不再需要时能够及时释放内存。

Why —— 为什么要进行内存管理？

内存管理是确保应用程序高效运行并避免资源浪费的关键环节，具体表现为：

• 防止内存泄漏（leak memory）：如果应用程序未能及时释放不再使用的内存，从而导致内存占用不断增加，最终可能致使应用程序崩溃。良好的内存管理可以防止这种情况的发生。
• 避免悬挂指针（dangling pointers）：悬挂指针是指某块内存已被释放，但其指针仍然指向该内存，这可能会导致应用程序在后续访问时崩溃或产生未定义的行为。良好的内存管理可以确保指针在适当的时机被置为nil，从而避免这种情况。
• 提高程序性能：在iOS开发中，设备的内存资源有限，良好的内存管理能够确保应用程序只使用必要的内存资源，精细控制内存的使用，从而保证设备的响应速度以及程序的平稳运行。

How —— 怎样进行内存管理？

在Objective-C中，内存管理的核心概念是“引用计数”（Reference Counting)。每个对象在创建时会有一个引用计数，当有对象引用它时，引用计数增加；当引用被移除时，引用计数减少。当引用计数为零时，表示该对象没有被任何地方使用，其所占用的内存可以被释放。

Objective-C的基本内存管理模型有以下3种：

• 垃圾收集（Garbage Collection）：

系统的垃圾收集器能够在后台定期检查哪些对象不再被使用，并自动回收这些对象的内存。但iOS运行环境并不支持垃圾收集，且这项功能在macOS 10.8后被完全废弃，故不做专门介绍。

• 手工引用计数（Manual Reference Counting, MRC）：

开发者手动管理对象的引用计数。

• 自动引用计数（Automatic Reference Counting, ARC）：

编译器自动管理对象的引用计数。

上图为Objective-C中的内存分布，其中，堆区内存是动态分配的，由开发者或运行时系统负责管理。每个堆区对象都有一个引用计数，对象的指针会存储在栈区，引用计数增减影响的是对象在堆区的内存释放，而不是栈区的内存。

2. 手工引用计数

2.1 MRC简介

手工引用计数（MRC）是Objective-C中早期的内存管理机制。在MRC中，开发者必须手动管理对象的引用计数，通过显式调用’retain’、’release’和’autorelease’方法来控制对象的生命周期。尽管MRC在现代开发中已经不如ARC常用，但如果需要支持一些不能够迁移到ARC上运行的代码，还是需要理解其工作原理，并且这对掌握Objective-C的内存管理非常重要。

在MRC中，每个对象都有一个与之关联的引用计数。当对象被创建或被另一个对象引用时，引用计数增加；当不再需要该对象时，引用计数减少；当引用计数减为零时，系统会自动调用对象的’dealloc’方法，释放该对象的内存。

2.2 MRC中的内存管理操作

• retain： ’retain’方法将对象的引用计数增加1，这意味着对象有一个新的持有者或引用，表明它仍在使用中。
• release： ’release’方法将对象的引用计数减少1。

可能会编写这样一个方法：先使用alloc创建一个对象，然后将它作为方法调用的结果返回。

这样会有一个问题：尽管方法不再使用这个对象，但是并不能释放它，因为需要将这个对象作为方法的返回值。

NSAutoreleasePool类创建的目的就是希望能够解决这个问题，自动释放池可以帮助追踪需要延迟一些时间释放的对象。

• autorelease： ’autorelease’方法将对象添加到当前的自动释放池中，当池被销毁（池执行到末尾，或给池发送了 ’drain’消息）时，对象会自动收到 ’release’消息，通常用于临时对象的管理。

2.3 常见的内存管理模式

• 所有权模式（Ownership Patterns）

谁分配，谁释放：对象的创建者负责释放对象，如果通过’alloc’、’new’、’copy’或’mutablecopy’创建了一个对象，那么就有责任在不再需要它时调用’release’。

传递所有权：当将对象传递给其他对象时，可能需要调用’retain’以确保它在新环境中不被释放，或者由接收方决定是否保留引用。

• Autorelease Pool模式

将对象放入自动释放池中，系统会在适当的时候自动释放。

PS：任何由’alloc’、’new’、’copy’或’mutablecopy’创建的对象都不会被自动进入自动释放池，这种情况下可以说你拥有这个对象，需要在使用完这些对象后负责释放这些对象的内存。可以主动给这些对象发送’release’消息，或者发送 ’autorelease’消息将对象加入到自动释放池中。

2.4 Objective-C的内存管理规则

1. 当使用’alloc’、’new’、’copy’或’mutablecopy’方法创建一个对象时，该对象的引用计数为1。当不再使用该对象时，应该向该对象发送一条’release’或’autorelease’消息。这样，该对象将在其使用寿命结束时被销毁。

2. 当通过其他方法获得一个对象时，假设该对象的引用计数为1，而且已经被设置为自动释放，那么不需要执行任何操作来确保该对象得到清理。如果打算在一段时间内拥有该对象，则需要保留它并确保在操作完成时释放它。

3. 如果保留了某个对象，就需要（最终）释放或自动释放该对象。必须保持’retain’方法和’release’方法的使用次数相等。

获得途径	临时对象	拥有对象
alloc/new/copy/mutablecopy	不再使用时释放对象	在dealloc方法中释放对象
其他方法	不需要执行任何操作	获得对象时保留，在在dealloc方法中释放对象

2.5 MRC的优缺点

✅优点：

1. 提供了对内存管理的完全控制
2. 对于特定性能需求，可以进行更细粒度的优化

❌缺点：

1. 开发者需要花费额外的精力管理内存，增加了代码的复杂性
2. 易于出错，增加了出现内存泄漏、悬挂指针等问题的风险

3. 自动引用计数

3.1 ARC简介

自动引用计数（ARC）是Objective-C内存管理中的一种现代化机制，旨在简化内存管理操作，降低手动管理内存时出错的风险。其核心思想是ARC会在编译时自动为代码插入合适的内存管理指令，如’retain’、’release’和’autorelease’，从而确保对象的生命周期被正确管理，减轻开发者的负担。

3.2 ARC中的内存管理操作

在ARC下，开发者不再显式调用’retain’和’release’，而是通过属性和关键字来控制对象的内存管理。

• 强引用（Strong References）：

默认情况下，ARC将对象的引用视为强引用，确保对象在被引用期间不会被释放。

• 弱引用（Weak References）：

使用’__weak’修饰符声明的对象引用不会增加引用计数。

• 无主引用（Unowned References）：

使用’__unsafe_unretained’或’__unowned’修饰符，这些引用不会增加引用计数，但在对象被释放时，其引用不会被置为’nil’，可能导致悬挂指针问题。

• __autoreleasing：

表示对象将在当前的自动释放池中释放，常见于错误处理或返回值传递。

3.3 循环引用问题

循环引用（Retain cycle)是指在内存管理中，两个或多个对象相互持有对方的强引用，导致它们的引用计数都无法降为零，从而无法释放内存。是一个经典的内存泄漏问题。

这里给出图示来解释和解决循环引用问题：

解决后的代码示例如下：

在代码块（Block）中如果引入了self对象也可能会出现循环引用问题：self对象持有代码块的强引用，块持有self对象的强引用。

解决方法：在代码块外使用@weakify(self)，解除强引用；在代码块内使用@strongify(self)确保在块执行期间self不会被释放。

3.4 使用ARC时需注意的场景

• 批量创建临时对象时：

在循环中创建大量临时对象时，可能需要手动管理释放，以避免过高的内存峰值。

• 多线程环境下：

在子线程中，系统不会自动创建自动释放池，因此需要手动创建。

3.5 ARC的优缺点

✅优点：

1. 自动化管理：ARC负责插入内存管理方法的调用，开发者无需手动管理对象的引用计数
2. 提高安全性：通过减少手动操作，ARC降低了出现内存泄漏和悬挂指针的风险
3. 代码简明化：无需手动调用'retain'、'release'和'autorelease'，代码更加简洁易读

❌缺点：

1. 灵活性降低：在某些性能敏感的场景下，ARC可能会插入不必要的内存管理代码，影响性能

4. 常见内存管理问题

• 内存泄漏

解决方案：

1）检查是否出现循环引用、存在未释放的对象等

2）使用XCode工具：XCode -> Open Developer Tool -> Instruments -> Leaks

• 僵尸对象：指已经被释放的对象仍然被访问，导致未定义的行为或应用崩溃

解决方案：

1）检查’release’操作和’weak’、’unsafe_unretained’指针，确保不会访问释放后的对象

2）使用XCode工具：XCode -> Open Developer Tool -> Instruments -> Zombies

• 循环引用

解决方案：

1）避免相互持有的对象之间使用强引用

2）使用XCode工具：XCode -> Open Developer Tool -> Instruments -> Allocations

• 高内存占用：通常由未及时释放的大量对象或频繁创建的临时对象引起

解决方案：

1）识别内存占用较高的对象，检查它们是否可以被更早释放。

2）使用autorelease pool控制大量临时对象的生命周期，避免内存峰值。

3）使用XCode工具：XCode -> Open Developer Tool -> Instruments -> Allocations

5. 总结

实际工程应用中，一般直接用ARC就好了，更加快捷、安全。但ARC底层原理——引用计数，是与MRC相通的，因此了解相关知识，对于掌握iOS的内存管理技术大有裨益。