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所谓，引用计数

forkong发表于 2016-06-14 13:56:13

博文链接: http://ifujun.com/suo-wei-yin-yong-ji-shu/

简介

在大部分关于Objective-C的书中，一般对于引用计数的讲解基本类似于下面（以 Objective-C基础教程为例）：

Cocoa采用了一种称为引用计数的技术。每个对象有一个与之相关联的整数，称作它的引用计数器。当某段代码需要访问一个对象时，该代码将该对象的引用计数器值加1。当该代码结束访问时，将该对象的引用计数器值减1。当引用计数器值为0时，表示不再有代码访问该对象，因此对象将被销毁，其占用的内存被系统回收以便重用。

概括一下就是，每个对象都会有个引用计数器，当且仅当引用计数器的值大于0时，该对象才可能是存活的。

引用计数的内存回收是分布于整个运行期的，基本类似于下图。图中红色表示引用计数的活动。（图片来自于https://github.com/kenfox/gc-viz）

从图中我们可以很直接的看出一些优点，比如：

不需要等到内存不够才回收。
不需要挂起应用程序才回收，回收分布于整个运行期。

当然，引用计数也有一些缺点：

无法完全解决循环引用导致的内存泄露问题。
即使只读操作，也会引起内存写操作（引用计数的修改）。
引用计数读写操作要原子化。

retain release

在苹果开源的 runtime 中，在objc-object.h中有部分关于retain和release的实现代码，具体如下：

Retain

objc_object::rootRetain(bool tryRetain, bool handleOverflow)
{
    assert(!UseGC);
    if (isTaggedPointer()) return (id)this;
    ...
    do {
        transcribeToSideTable = false;
        oldisa = LoadExclusive(&isa.bits);
        newisa = oldisa;
        if (!newisa.indexed) goto unindexed;
        if (tryRetain && newisa.deallocating) goto tryfail;
        uintptr_t carry;
        newisa.bits = addc(newisa.bits, RC_ONE, 0, &carry);
        ... 
    } while (!StoreExclusive(&isa.bits, oldisa.bits, newisa.bits));
    ...
}

Release

ALWAYS_INLINE bool 
objc_object::rootRelease(bool performDealloc, bool handleUnderflow)
{
    assert(!UseGC);
    if (isTaggedPointer()) return false;
    ...
    do {
        oldisa = LoadExclusive(&isa.bits);
        newisa = oldisa;
        if (!newisa.indexed) goto unindexed;
        uintptr_t carry;
        newisa.bits = subc(newisa.bits, RC_ONE, 0, &carry);
        ...
    } while (!StoreReleaseExclusive(&isa.bits, oldisa.bits, newisa.bits));
    ...
}

在 draveness 的黑箱中的 retain 和 release中，draveness 对此进行了比较详细的讲解，我在此也不再赘述了，只补充几点：

Tagged Pointer

对 Tagged Pointer 类型的对象进行retain和release是没有意义的，从 rootRetain 的 if (isTaggedPointer()) return (id)this;可以看出。

原子化

上面说到，引用计数有个缺点是读写的原子化，在源码中，不管是retain、release、retainCount操作都是加锁的。

这里加解锁的方法是sidetable_lock()和sidetable_unlock()。在
NSObject.mm中，sidetable_lock()的具体结构是：

void 
objc_object::sidetable_lock()
{
    SideTable& table = SideTables()[this];
    table.lock();
}

SideTable中使用的锁是spinlock_t。

struct SideTable {
    spinlock_t slock;
    ...
};

这是类似于 Linux 上的自旋锁，和OSSpinLock有一些不同，应该不存在OSSpinLock的优先级反转问题，因为，苹果很多地方依然在使用，比如苹果的atomic使用的也是spinlock_t。（参考objc-accessors.mm）

ARC

我们知道，ARC是苹果的一项编译器功能，ARC会在编译期自动添加代码，但是，除此之外，还需要 Objective-C 运行时的协助。

ARC让我们不需要再手写一些类似于retain、release、autorelease的代码。这看上去有点像GC了，但是，它依然解决不了循环引用等问题，所以，只能说ARC是一种处于GC和手动管理内存中间的一个状态。

那 Objective-C 有过GC吗，有，以前有过，用的是类似于标记-清除的GC算法，后来在iOS上就完全使用手动管理内存了，再后来就是ARC了。(我们上面的rootRetain代码中就有这么一行:assert(!UseGC);)

ARC大家都很熟了，它的一些规则什么的，我们就不重复了，就讲讲一些需要注意的点吧。

桥接

ARC只能作用于 Objective-C 类型，CoreFoundation 等类型的依然需要手动管理。Objective-C 对象的指针和 CoreFoundation 类型的指针是不一样的。

我们一般有三种类型__bridge、__bridge_transfer、__bridge_retained。

如果 CoreFoundation 对象和 Objective-C 对象转换只涉及类型，不涉及所有权的话，可以使用__bridge，比如这样:

id obj = (__bridge id)CFDictionaryGetValue(cfDict, key);

这时候ARC就可以接管这个对象并自动管理。

但是，如果所有权被变更了，那么，再使用__bridge的话，就会发生内存泄露。

NSString *value = (__bridge NSString *)CFPreferencesCopyAppValue(CFSTR("someKey"), CFSTR("com.company.someapp"));
[self useValue: value];

其实，上面这段就等同于：

CFStringRef valueCF = CFPreferencesCopyAppValue(CFSTR("someKey"), CFSTR("com.company.someapp"));
NSString *value = (__bridge NSString *)valueCF;
//CFRelease(valueCF);
[self useValue: value];

其实这时候是需要加一行CFRelease(valueCF)的，如果没有的话，valueCF是会内存泄露的。

当然，上面的写法也是可以的，只是这个临时变量存在的意义不大，写法也比较啰嗦，可以使用__bridge_transfer去解决这个问题。

NSString *value = (__bridge_transfer NSString *)CFPreferencesCopyAppValue(CFSTR("someKey"), CFSTR("com.company.someapp"));
[self useValue: value];

和__bridge 不一样，__bridge_transfer会将值和所有权都移交出去，ARC接管到所有权之后，ARC在这个对象用完之后会进行释放。

__bridge_retained和__bridge_transfer类似，只是__bridge_retained用于将 Objective-C 对象转化为 CoreFoundation 对象，而__bridge_transfer用于将 CoreFoundation 对象转化为 Objective-C 对象。

举个例子，假设[self someString]这个方法会返回一个NSString类型的值，现在要将NSString类型的值转化为CFStringRef类型，使用__bridge_retained的话，相当于告诉ARC，对于这个对象，你的所有权已经没有了，我要自己来管理了。所以，我们要手动在后面加上CFRelease()方法。

CFStringRef value = (__bridge_retained CFStringRef)[self someString];
UseCFStringValue(value);
CFRelease(value);

上面的例子来自于Mikeash。

总结一下就是：

__bridge会将非Objective-C对象和Objective-C对象进行转换，但并不会移交所有权。
__bridge_transfer会将非Objective-C对象转化为Objective-C对象，同时会移交所有权，ARC会帮你释放这个对象。
__bridge_retained会将Objective-C对象转化为非Objective-C对象，同时会移交所有权，你需要手动管理这个对象。

防御式编程

一般来说，我们很少使用try...catch，我们一般抛Error而不是Exception，但是，总有一些特殊的情况，try...catch的存在依然是有意义的。

如果我们在try中进行一些对象创建的操作的话，可能会造成内存泄露，比如：

@try {
    SomeObject *obj = [[SomeObject alloc] init];
    [obj doSomething];
} @catch (NSException *exception) {
    NSLog(@"%@", exception);
}

如果try代码段中发成错误，obj将不会得到释放。如果现在是MRC，那你可以在finally中添加[obj release]，但是在ARC下，你无法添加，ARC也不会帮你添加。

所以，不要在try中进行对象的创建操作，要移出来。

performSelector

在Effective Objective-C 2.0一书中，作者说到：

编译器并不知道将要调用的选择子是什么，因此，也就不了解其方法签名及返回值，甚至连是否有返回值都不清楚。而且，由于编译器不知道方法名，所以就没办法运用ARC的内存管理规则来判定返回的值是不是应该释放。鉴于此，ARC采用了比较谨慎的做法，就是不添加释放操作。然而，这么做会导致内存泄露。

我在iOS 常用Timer 盘点一文中进行了试验，原文如下：

我们试验一下，这里printDescriptionA和printDescriptionB方法各会返回一个不同类型的View(此View是新建的对象),printDescriptionC会返回Void。

NSArray *array = @[@"printDescriptionA",
                   @"printDescriptionB",
                   @"printDescriptionC"];

NSString *selString = array[arc4random()%3];
NSLog(@"sel = %@", selString);
SEL tempSel = NSSelectorFromString(selString);
if ([self respondsToSelector:tempSel])
{
    [self performSelector:tempSel withObject:nil afterDelay:3.0f];
}

几次尝试之后，我发现，这是可以正常释放的。

如果我的试验正确的话，那么，ARC肯定不只是在编译期的优化，在运行时也是有优化的。这也印证了我上面所说的，ARC会在编译期自动添加代码，但是，除此之外，还需要 Objective-C 运行时的协助。

而不是苹果文档中说的：

ARC works by adding code at compile time to ensure that objects live as long as necessary, but no longer.

当然，也可能是我的试验不正确，如果你知道如何触发这种内存泄露，请告诉我。

实现简单引用计数

我们来实现一个简单引用计数的代码，我们需要实现以下方法：

retain
- addReference
release
- deleteReference
retainCount

依据我们上面提到的引用计数读写操作要原子化，我们需要添加锁的操作，并且，我们这里简单理解为当引用计数为0时，进行dealloc方法的调用。

为了方便，我们用pthread_mutex来代替spinlock_t（pthread_mutex是一种互斥锁，性能也挺高）。

基本代码类似于下面:

#import "FKObject.h"
#import <objc/runtime.h>
#include <pthread.h>

@interface FKObject ()
{
    pthread_mutex_t fk_lock;
}

@property (readwrite, nonatomic) NSUInteger fk_retainCount;
@end

@implementation FKObject

-(instancetype)init
{
    if (self = [super init])
    {
        pthread_mutex_init(&fk_lock, NULL);
        _fk_retainCount = 1;
    }
    return self;
}
-(void)fk_retain
{
    [self addReference];
}
-(void)fk_release
{
    NSUInteger count = [self deleteReference];
    if (count == 0)
    {
        [self fk_dealloc];
    }
}
-(void)fk_dealloc
{
    //因为ARC下不能主动调用dealloc方法，所以这里伪造一个fk_dealloc来模拟
    NSLog(@"%@ dealloc", self);
}
-(void)addReference
{
    pthread_mutex_lock(&fk_lock);
    NSUInteger count = [self fk_retainCount];
    [self setFk_retainCount:++count];
    pthread_mutex_unlock(&fk_lock);
}
-(NSUInteger)deleteReference
{
    pthread_mutex_lock(&fk_lock);
    NSUInteger count = [self fk_retainCount];
    [self setFk_retainCount:--count];
    pthread_mutex_unlock(&fk_lock);
    return count;
}
@end

我们来测试一下：

FKObject *object = [[FKObject alloc] init];
NSLog(@"%ld", object.fk_retainCount);
[object fk_retain];
NSLog(@"%ld", object.fk_retainCount);
[object fk_release];
NSLog(@"%ld", object.fk_retainCount);
[object fk_release];

代码

https://github.com/Forkong/ReferenceCountingTest

所谓，引用计数

简介

retain release

ARC

桥接

防御式编程

performSelector

实现简单引用计数

参考文档