搞懂Objective-C中的ARC

写这篇文章的背景

前段时间招人，面试了一个多月，有关内存的基础问题，能完全答出来的竟无一人，回答出百分之80的人也寥寥无几，于是决定写这篇文章，简单业务流水线道友们一般都能写出符合需求，可以正常工作的代码，稍微复杂点的也许也不再话下，一旦涉及到性能、鲁棒性等要求很高的项目，不能真正理解内存的程序员将给整个项目带来灾难和隐藏的坑，所以本文旨在让道友们真正理解内存，这是再基础不过的东西，然而又是必须知道的东西，让我们一起，重温下基础吧，本文不打算大量罗列源码，而是从显而易见的东西开始

先从一个小问题开始

面试官：alloc的对象都存储在堆上是吗？
候选人：是的
面试官：好的，静态变量存储在数据段是吗？
候选人：是的，未初始化的存储在bss段，初始化的存储在data段
面试官：很好，不错，看一段代码，这两行代码可以写成一行吗

static NSObject *obj = nil;

obj = [[NSObject alloc] init];

像这样：

static NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];

候选人：应该可以吧（get不到问题的点）
面试官：那内存是如何分布的呢？
候选人：不可能同时存储在数据段和堆区吧（小声嘀咕）
面试官：顺着这个思路再思考下
候选人：。。。（过去三分钟）
面试官：好的，换种问法，单例很常见吧，那么它可以手动释放吗？
候选人：既然用单例来实现，说明整个程序生命周期需要共享一个实例，不会存在需要释放的场景
面试官：比如一个app里面有很多业务线，业务线退出的时候，需要清理业务线所占内存，如若有单例存在，这个时候可以手动释放吗？
候选人：把指针置为nil？，应该可以吧（试图得到面试官的提示）
面试官：那这以后呢，单例就不占用内存了吗？
候选人：。。。（彻底卡住）

Objective-C中的指针

可曾听过一句话，一切OC对象皆指针，嗯~这句话很对，我想开讲之前有必要说下究竟OC中的指针是什么，对象又是什么，它们不是一个东西嘛？iOS操作系统是基于unix的一个分支开发的，自然继承了unix内核的部分功能，内存分区为：栈、堆、数据段、常量区、代码段，本文不打算枯燥的讲理论，我们设计几个demo直接从表象出发，去探寻理论，会不会记忆更深刻呢？！

还是从上面的代码出发

static NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];

这样是无法通过编译的，编译器提示Initializer element is not a compile-time constant，意思是初始化的元素不是编译期分配的常量，obj指针即是分配在数据段的变量，在编译时就需要分配内存，alloc的对象内存开辟在堆上并且是运行时分配的，用运行时的对象去初始化编译期的指针是没有办法做到的，所以编译器提示我们这样做是不对的
以上得出个结论：

栈、堆内存是运行时分配的
数据段内存是编译时分配的（这么说并不完全准确，往下看）

（注：app的可执行文件二进制里面包括静态库和源码，动态库和资源文件会单独存储，系统的动态库整个操作系统共享一份）
注意我们讲的是内存，我们的可执行程序是以二进制的形式存在于手机上的，这里说的代码段并非用于存储二进制文件，而是存储程序启动时候被载入内存中的可执行代码，紧随其后，操作系统会为程序中的全局变量和静态变量在数据段开辟内存（起初会存储在bss段，初始化后会清空bss段，存储在data段），常量的内存空间开辟和初始化是一起执行的，初始化后不再有机会改变，所以准确的说：

代码段内存是装载时分配的，数据段和常量区紧随其后，这些都发生在动态链接之前

看一个demo：环境是x86模拟器，嗯~64位架构

@interface Person : NSObject

@property (nonatomic, assign) int a;
@property (nonatomic, assign) int b;
@property (nonatomic, assign) int c;

@end

Person *obj = nil;
NSLog(@"%lu", sizeof(obj));
NSLog(@"%lu", malloc_size((__bridge const void *)obj));

obj = [[Person alloc] init];
NSLog(@"%lu", malloc_size((__bridge const void *)obj));
NSLog(@"%lu", class_getInstanceSize(Person.class));

2021-06-05 16:41:36.982538+0800 test[69294:38540223] 8

2021-06-05 16:41:36.982640+0800 test[69294:38540223] 0

2021-06-05 16:41:36.982712+0800 test[69294:38540223] 32

2021-06-05 16:41:36.982772+0800 test[69294:38540223] 24

首先我们看Person的实例对象有哪些成员需要在堆上开辟内存空间，一个isa指针8个字节，三个int类型变量12个字节，总共20个字节
控制台输出sizeof是8，证明指针本身在64位系统占用8个字节，紧接着malloc_size输出0，证明只是一个指向nil的指针，还没有在堆区分配内存，malloc_size然后输出32证明在堆区开辟了32字节的内存，16字节为一个开辟单元是iOS系统的规范，所以要想存储20个字节就需要开辟两个单元的大小，就是32字节，最后class_getInstanceSize输出24证明对象实际占用24字节，是因为iOS系统内存存储是按照8字节对齐的，所以20个字节之后需要补齐4个字节的0用于内存对齐，无论是开辟空间对齐，还是存储对齐都是操作系统设计之初的效率考虑

好的~我们回到上面说的单例释放问题，是否可手动释放呢？答案是部分可以，部分不能，原因是，堆栈的内存动态分配，动态释放，而数据段、常量区、代码段内存直到app进程退出才会释放，所以单例指针置为nil的时候，堆区对象的引用计数为0会自动释放，而还有一个指针存储在数据段，占用8个字节

什么是ARC，引用计数存储在哪里，哪些对象是通过引用计数来管理内存的

面试官：如下代码在MRC环境会有内存泄漏，为什么？

- (void)viewDidLoad {

    [super viewDidLoad];

    NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];

}

候选人：因为obj没有调用release或者autorelease
面试官：嗯，那还是MRC环境，下面的代码会泄露吗？

- (void)viewDidLoad {

    [super viewDidLoad];
static NSObject *obj = nil;

    obj = [[NSObject alloc] init];

}

候选人：嗯~~~会吧
面试官：你怎样理解内存泄漏，什么叫内存泄漏
候选人：就是一个对象，没有释放掉，就泄露了
面试官：啊~~~，那么能在ARC环境举个内存泄漏的例子吗
候选人：比如block是self的属性，然后里面引用了self，没有加__weak
面试官：这个是循环引用吧，所以循环引用会内存泄漏是吗
候选人：是的（over）

只有堆区对象才有引用计数，引用计数存储在对象本身的结构里，嗯~可以通过isa指针辗转访问到

ARC是自动引用计数，即编译器在编译期在合适的位置自动插入release或是autorelease

回到上面问题

- (void)viewDidLoad {

    [super viewDidLoad];

    NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];

}

MRC下如上代码泄漏的根本原因是，obj是声明在栈上的指针，作用域之外自动释放，即大括号之外指针已经不存在了，但是alloc的对象引用计数是1，但是已经没有指针引用它了，所以这块堆内存将没有机会释放了，这就是内存泄漏

那么下面的代码在MRC下为什么就没有泄漏呢

- (void)viewDidLoad {

    [super viewDidLoad];
static NSObject *obj = nil;

    obj = [[NSObject alloc] init];

}

原因是这个obj指针声明在数据段，生命周期和app进程生命周期一致，虽然alloc的对象引用计数也始终为1，但是有个static指针一直引用它，所以这块堆内存没有泄漏

以上明确几个常见内存问题概念：

野指针：堆内存已经释放，但是还有指针指向这块内存，就是野指针，访问野指针crash
内存泄漏：堆区内存引用计数不为0，但是没有指针指向这块内存，内存碎片
循环引用：堆内存之间存在相互强引用，并且没有第三种力量打破这个环，内存碎片
OOM：堆内存开辟大小不固定，超过系统的限制，crash
栈溢出：栈内存大小是固定的，超过系统限制，crash

ARC下哪些对象是autorelease对象

面试官：ARC下除了__autoreleasing显式创建autorelease对象的方式，还有哪些情况会生成autorelease对象
候选人：alloc和new出来的对象都会加入默认的autoreleasePool中，所以都是autorelease对象
面试官：哦？那ARC下release关键字是被弃用了吗？
候选人：是的（斩钉截铁）

这么回答的人占3成，有些恐怖~，我们还是通过一个demo来探索下,__autoreleasing显式的创建autorelease对象比较明显，我们来聊下隐式的情况

__weak NSString *weak_String;

__weak NSString *weak_StringRelease;

__weak NSString *weak_StringAutorelease;

- (void)testArc {

    [self createString];
NSLog(@"------%s------", __func__);
NSLog(@"%@", weak_String);
NSLog(@"%@\n\n", weak_StringRelease);
NSLog(@"%@\n\n", weak_StringAutorelease);

}

- (void)createString {

    NSString *constAreaString = @"字面量string";

    NSString *heapAreastring = [[NSString alloc] initWithFormat:@"堆区string-release"];

    NSString *stringAutorelease = [NSString stringWithFormat:@"堆区string-autorelease"];
NSLog(@"%lu", malloc_size((__bridge const void *)constAreaString));
NSLog(@"%lu", malloc_size((__bridge const void *)heapAreastring));
NSLog(@"%lu", malloc_size((__bridge const void *)stringAutorelease));


    weak_String = constAreaString;

    weak_StringRelease = heapAreastring;

    weak_StringAutorelease = stringAutorelease;

NSLog(@"------%s------", __func__);
NSLog(@"%@", weak_String);
NSLog(@"%@\n\n", weak_StringRelease);
NSLog(@"%@\n\n", weak_StringAutorelease);

}

- (void)viewDidLoad {

    [super viewDidLoad];

    [self testArc];

}

- (void)viewDidAppear:(BOOL)animated {

    [super viewDidAppear:animated];
NSLog(@"------%s------", __func__);
NSLog(@"%@", weak_String);
NSLog(@"%@\n\n", weak_StringRelease);
NSLog(@"%@\n\n", weak_StringAutorelease);

}

结果如下：

2021-06-06 00:25:44.981838+0800 test[81234:39339960] 0

2021-06-06 00:25:44.981936+0800 test[81234:39339960] 64

2021-06-06 00:25:44.982022+0800 test[81234:39339960] 64

2021-06-06 00:25:44.982116+0800 test[81234:39339960] -------[ViewController createString]------

2021-06-06 00:25:44.982213+0800 test[81234:39339960] 字面量string

2021-06-06 00:25:44.982278+0800 test[81234:39339960] 堆区string-release

2021-06-06 00:25:44.982357+0800 test[81234:39339960] 堆区string-autorelease

2021-06-06 00:25:44.982428+0800 test[81234:39339960] -------[ViewController testArc]------

2021-06-06 00:25:44.982508+0800 test[81234:39339960] 字面量string

2021-06-06 00:25:44.982578+0800 test[81234:39339960] (null)

2021-06-06 00:25:44.982656+0800 test[81234:39339960] 堆区string-autorelease

2021-06-06 00:25:44.992637+0800 test[81234:39339960] -------[ViewController viewDidAppear:]------

2021-06-06 00:25:44.992753+0800 test[81234:39339960] 字面量string

2021-06-06 00:25:44.992830+0800 test[81234:39339960] (null)

2021-06-06 00:25:44.992899+0800 test[81234:39339960] (null)

首先看字面量的方式创建的字符串malloc_size为0，说明它不在堆上，嗯~在常量区，另外两个malloc_size都是正数，证明是堆区对象，createString函数三个对象都有值，而当testArc的时候weak_StringRelease的值已经为空，即离开了createString函数的作用域就释放了，此时weak_StringAutorelease还有值，直到viewDidAppear的时候只有字面量创建的对象才能够打印出来，这个结果说明了什么呢，说明编译器做了如下优化：

- (void)createString {
//这行类型变成了__NSCFConstantString

    __NSCFConstantString *constAreaString = @"字面量string";

    NSString *heapAreastring = [[NSString alloc] initWithFormat:@"堆区string-release"];
//这行在末尾插入了autorelease

    NSString *stringAutorelease = [[NSString stringWithFormat:@"堆区string-autorelease"] autorelease];
NSLog(@"%lu", malloc_size((__bridge const void *)constAreaString));
NSLog(@"%lu", malloc_size((__bridge const void *)heapAreastring));
NSLog(@"%lu", malloc_size((__bridge const void *)stringAutorelease));


    weak_String = constAreaString;

    weak_StringRelease = heapAreastring;

    weak_StringAutorelease = stringAutorelease;

NSLog(@"------%s------", __func__);
NSLog(@"%@", weak_String);
NSLog(@"%@\n\n", weak_StringRelease);
NSLog(@"%@\n\n", weak_StringAutorelease);

//在作用域末尾插入了release

    [heapAreastring release];

}

注意关键点，有三处变化__NSCFConstantString *constAreaString、[[NSString stringWithFormat:@"堆区string-autorelease"] autorelease]、[heapAreastring release];

字面量创建的直接存储在常量区
alloc出来的存储在堆区并且作用域结束前直接插入release
通过stringWithFormat工厂方法创建的对象则在其后插入autorelease，这是因为工厂方法里面通过alloc分配堆内存，到返回出来以后其作用域已经结束，所以只能延迟释放了，否则没有办法返回非空对象

同样是这个demo把字符串的长度缩短，结果会很不一样

NSString *constAreaString = @"字面量";

NSString *heapAreastring = [[NSString alloc] initWithFormat:@"release"];

NSString *stringAutorelease = [NSString stringWithFormat:@"autorelease"];

2021-06-06 00:51:27.827647+0800 test[82761:39451059] 0

2021-06-06 00:51:27.827750+0800 test[82761:39451059] 0

2021-06-06 00:51:27.827843+0800 test[82761:39451059] 0

2021-06-06 00:51:27.827941+0800 test[82761:39451059] -------[ViewController createString]------

2021-06-06 00:51:27.828040+0800 test[82761:39451059] 字面量

2021-06-06 00:51:27.828139+0800 test[82761:39451059] release

2021-06-06 00:51:27.828224+0800 test[82761:39451059] autorelease

2021-06-06 00:51:27.828292+0800 test[82761:39451059] -------[ViewController testArc]------

2021-06-06 00:51:27.828369+0800 test[82761:39451059] 字面量

2021-06-06 00:51:27.828444+0800 test[82761:39451059] release

2021-06-06 00:51:27.828535+0800 test[82761:39451059] autorelease

2021-06-06 00:51:27.838554+0800 test[82761:39451059] -------[ViewController viewDidAppear:]------

2021-06-06 00:51:27.838684+0800 test[82761:39451059] 字面量

2021-06-06 00:51:27.838765+0800 test[82761:39451059] release

2021-06-06 00:51:27.838853+0800 test[82761:39451059] autorelease

我们发现他们已经都不在堆区了，而是存储在常量区，这是一项优化叫做NSTagged Pointer，即指针和对象存储在一起，这项技术是苹果公司对小对象做的优化NSString、NSNumber、NSDate。所以上述代码经过编译器的优化，就变成了下面这样

__NSCFConstantString *constAreaString = @"字面量";

NSTaggedPointerString *heapAreastring = [[NSString alloc] initWithFormat:@"release"];

NSTaggedPointerString *stringAutorelease = [[NSString stringWithFormat:@"autorelease"];

以上结论：

字面量创建的直接存储在常量区
alloc出来的存储在堆区并且作用域结束前直接插入release（符合NSTagged Pointer的会直接分配在常量区，类型是NSTaggedPointer_接类型名，标识指针和对象存储在一起）
通过stringWithFormat工厂方法创建的对象则在其后插入autorelease，这是因为工厂方法里面通过alloc分配堆内存，到返回出来以后其作用域已经结束，所以只能延迟释放了，否则没有办法返回非空对象（符合NSTagged Pointer的会直接分配在常量区，类型是NSTaggedPointer_接类型名，标识指针和对象存储在一起）

objc_autoreleaseReturnValue 和 objc_retainAutoreleasedReturnValue的纠正

值得一提的是，即便编译器插入autorelease关键字，也不一定会将这个对象放入autoreleasePool，为了减轻autoreleasePool的负担，苹果做了一项优化，objc_autoreleaseReturnValue 和 objc_retainAutoreleasedReturnValue，这里不分析源码，直接给出上层的解释，如下，对象在加入autoreleasePool之前会调用objc_autoreleaseReturnValue，这个方法会检测后面串行的代码是否调用了objc_retainAutoreleasedReturnValue（就是一次引用计数+1的操作），如果有则不加入autoreleasePool，直接返回对象，❌引用计数不会+1并且在当前线程存储区域做个标记，待到执行到objc_retainAutoreleasedReturnValue的时候检测标志位，如在优化流程中则直接返回对象并且重置标志位，否则加入autoreleasePool，❌引用计数+1

注意：上面一段话❌部分都是错误的理解，实际上引用计数在对象初始化后就已经存在，是对象相关联的东西，+1与否和自动释放池没有半点关系，-1与否才有关系

错误的理解如下：
优化前

id obj = objc_msgSend(objc_msgSend(NSMutableString, @selector(string)));
objc_autorelease(obj);
objc_retain(obj);
// 这里引用计数为2
objc_release(obj);

优化后

id obj = objc_msgSend(objc_msgSend(NSMutableString, @selector(string)));
// 这里引用计数为1
objc_release(obj);

而实际上呢：

NSMutableString *str = [NSMutableString string];

NSMutableString *strRetain = str;
NSLog(@"%li", CFGetRetainCount((__bridge CFTypeRef)str));

优化后retainCount的结果是2

021-06-07 00:53:55.610395+0800 test[92513:40083306] 2

所以结论是：

编译器优化后，会在执行到objc_retainAutoreleasedReturnValue的时候，不会将对象加入autoreleasePool，而是在这次引用计数+1操作之后作用域结束之前再加入一个release操作

对象是何时被加入autoreleasepool的

运行时，对象在调用autorelease的时候就开始检测后续串行代码是否有引用计数加1操作，没有的话就会直接调用AutoreleasePoolPage的add函数添加到双向链表
源码级别的回答：

id *add(id obj)

    {
ASSERT(!full());
unprotect();

        id *ret = next;  // faster than `return next-1` because of aliasing
*next++ = obj;
protect();
return ret;

    }

在NSObject.mm可以查到源码，AutoreleasePoolPage定义了一系列工具函数，其中添加到autoreleasePool中的操作是add函数，这个函数的调用栈如下：

add
autoreleaseFast
autorelease
objc_autorelease
objc_autoreleaseReturnValue

程序的最小执行流是线程，iOS系统为每个线程定义了一系列的数据结构，在线程初始化的时候就初始化相关结构，一个栈、一个autoreleasepool、一个runloop还有一个线程局部存储区域（很小），运行时执行到autorelease语句的时候，会优先检测对象是否符合NSTaggedPointer，如果符合就抛出异常，证明程序不应该进入autorelease环节，如果不符合就往下走流程，调用objc_autoreleaseReturnValue函数，优先进行检测后续串行代码是否调用了objc_retainAutoreleasedReturnValue函数，如果没有调用，就会直接调用add函数添加到双向链表，如果有引用计数+1操作，则会把一个标记存储在TLS（线程局部存储），待到执行到objc_retainAutoreleasedReturnValue的时候检测标志位，如在优化流程中则直接返回对象并且重置标志位

作者：野码道人
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