iOS进阶——iOS(Objective-C) 内存管理&Block

第一篇 iOS 内存管理

1 似乎每个人在学习 iOS 过程中都考虑过的问题

  1. alloc retain release delloc 做了什么?
  2. autoreleasepool 是怎样实现的?
  3. __unsafe_unretained 是什么?
  4. Block 是怎样实现的
  5. 什么时候会引起循环引用,什么时候不会引起循环引用?

所以我将在本篇博文中详细的从 ARC 解释到 iOS 的内存管理,以及 Block 相关的原理、源码。

2 从 ARC 说起

说 iOS 的内存管理,就不得不从 ARC(Automatic Reference Counting / 自动引用计数) 说起, ARC 是 WWDC2011 和 iOS5 引入的变化。ARC 是 LLVM 3.0 编译器的特性,用来自动管理内存。

与 Java 中 GC 不同,ARC 是编译器特性,而不是基于运行时的,所以 ARC 其实是在编译阶段自动帮开发者插入了管理内存的代码,而不是实时监控与回收内存。

ARC 管理内存

ARC 的内存管理规则可以简述为:

  1. 每个对象都有一个『被引用计数』
  2. 对象被持有,『被引用计数』+1
  3. 对象被放弃持有,『被引用计数』-1
  4. 『引用计数』=0,释放对象

3 你需要知道

1. 包含 NSObject 类的 Foundation 框架并没有公开
(此处错误,感谢 酷酷的哀殿 的指出)

  1. Foundation 框架是非开源的,但是 NSObject 被包含在 obj4 中,该库已开源。
  2. Core Foundation 框架源代码,以及通过 NSObject 进行内存管理的部分源代码是公开的。
  3. GNUstep 是 Foundation 框架的互换框架

GNUstep 也是 GNU 计划之一。将 Cocoa Objective-C 软件库以自由软件方式重新实现
某种意义上,GNUstep 和 Foundation 框架的实现是相似的
通过 GNUstep 的源码来分析 Foundation 的内存管理

4 alloc retain release dealloc 的实现

4.1 GNU - alloc

查看 GNUStep 中的 alloc 函数。

GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m alloc:

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+ (id) alloc
{
return [self allocWithZone: NSDefaultMallocZone()];
}

+ (id) allocWithZone: (NSZone*)z
{
return NSAllocateObject (self, 0, z);
}

GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m NSAllocateObject:

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struct obj_layout {
NSUInteger retained;
};

NSAllocateObject(Class aClass, NSUInteger extraBytes, NSZone *zone)
{
int size = 计算容纳对象所需内存大小;
id new = NSZoneCalloc(zone, 1, size);
memset (new, 0, size);
new = (id)&((obj)new)[1];
}

NSAllocateObject 函数通过调用 NSZoneCalloc 函数来分配存放对象所需的空间,之后将该内存空间置为 nil,最后返回作为对象而使用的指针。

我们将上面的代码做简化整理:

GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m alloc 简化版本:

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struct obj_layout {
NSUInteger retained;
};

+ (id) alloc
{
int size = sizeof(struct obj_layout) + 对象大小;
struct obj_layout *p = (struct obj_layout *)calloc(1, size);
return (id)(p+1)
return [self allocWithZone: NSDefaultMallocZone()];
}

alloc 类方法用 struct obj_layout 中的 retained 整数来保存引用计数,并将其写入对象的内存头部,该对象内存块全部置为 0 后返回。

一个对象的表示便如下图:

GNU 中的对象存储空间

4.2 GNU - retain

GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m retainCount:

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- (NSUInteger) retainCount
{
return NSExtraRefCount(self) + 1;
}

inline NSUInteger
NSExtraRefCount(id anObject)
{
return ((obj_layout)anObject)[-1].retained;
}

GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m retain:

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- (id) retain
{
NSIncrementExtraRefCount(self);
return self;
}

inline void
NSIncrementExtraRefCount(id anObject)
{
if (((obj)anObject)[-1].retained == UINT_MAX - 1)
[NSException raise: NSInternalInconsistencyException
format: @"NSIncrementExtraRefCount() asked to increment too far”];
((obj_layout)anObject)[-1].retained++;
}

以上代码中, NSIncrementExtraRefCount 方法首先写入了当 retained 变量超出最大值时发生异常的代码(因为 retained 是 NSUInteger 变量),然后进行 retain ++ 代码。

4.3 GNU - release

和 retain 相应的,release 方法做的就是 retain --

GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m release

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- (oneway void) release
{
if (NSDecrementExtraRefCountWasZero(self))
{
[self dealloc];
}
}

BOOL
NSDecrementExtraRefCountWasZero(id anObject)
{
if (((obj)anObject)[-1].retained == 0)
{
return YES;
}
((obj)anObject)[-1].retained--;
return NO;
}

4.4 GNU - dealloc

dealloc 将会对对象进行释放。

GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m dealloc:

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- (void) dealloc
{
NSDeallocateObject (self);
}

inline void
NSDeallocateObject(id anObject)
{
obj_layout o = &((obj_layout)anObject)[-1];
free(o);
}

4.5 Apple 实现

在 Xcode 中 设置 Debug -> Debug Workflow -> Always Show Disassenbly 打开。这样在打断点后,可以看到更详细的方法调用。

通过在 NSObject 类的 alloc 等方法上设置断点追踪可以看到几个方法内部分别调用了:

retainCount

__CFdoExternRefOperation
CFBasicHashGetCountOfKey

retain

__CFdoExternRefOperation
CFBasicHashAddValue

release

__CFdoExternRefOperation
CFBasicHashRemoveValue

可以看到他们都调用了一个共同的 __CFdoExternRefOperation 方法。

该方法从前缀可以看到是包含在 Core Foundation,在 CFRuntime.c 中可以找到,做简化后列出源码:

CFRuntime.c __CFDoExternRefOperation:

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int __CFDoExternRefOperation(uintptr_t op, id obj) {
CFBasicHashRef table = 取得对象的散列表(obj);
int count;

switch (op) {
case OPERATION_retainCount:
count = CFBasicHashGetCountOfKey(table, obj);
return count;
break;
case OPERATION_retain:
count = CFBasicHashAddValue(table, obj);
return obj;
case OPERATION_release:
count = CFBasicHashRemoveValue(table, obj);
return 0 == count;
}
}

所以 __CFDoExternRefOperation 是针对不同的操作,进行具体的方法调用,如果 op 是 OPERATION_retain,就去掉用具体实现 retain 的方法。

BasicHash 这样的方法名可以看出,其实引用计数表就是散列表。

key 为 hash(对象的地址) value 为 引用计数。

下图是 Apple 和 GNU 的实现对比:

Apple 和 GNU 内存管理的实现对比

5 autorelease 和 autorelaesepool

在苹果对于 NSAutoreleasePool 的文档中表示:

每个线程(包括主线程),都维护了一个管理 NSAutoreleasePool 的栈。当创先新的 Pool 时,他们会被添加到栈顶。当 Pool 被销毁时,他们会被从栈中移除。
autorelease 的对象会被添加到当前线程的栈顶的 Pool 中。当 Pool 被销毁,其中的对象也会被释放。
当线程结束时,所有的 Pool 被销毁释放。

对 NSAutoreleasePool 类方法和 autorelease 方法打断点,查看其运行过程,可以看到调用了以下函数:

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NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
// 等同于 objc_autoreleasePoolPush

id obj = [[NSObject alloc] init];
[obj autorelease];
// 等同于 objc_autorelease(obj)

[NSAutoreleasePool showPools];
// 查看 NSAutoreleasePool 状况

[pool drain];
// 等同于 objc_autoreleasePoolPop(pool)

[NSAutoreleasePool showPools] 可以看到当前线程所有 pool 的情况:

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objc[21536]: ##############
objc[21536]: AUTORELEASE POOLS for thread 0x10011e3c0
objc[21536]: 2 releases pending.
objc[21536]: [0x101802000] ................ PAGE (hot) (cold)
objc[21536]: [0x101802038] ################ POOL 0x101802038
objc[21536]: [0x101802040] 0x1003062e0 NSObject
objc[21536]: ##############
Program ended with exit code: 0

objc4 中可以查看到 AutoreleasePoolPage:

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objc4/NSObject.mm AutoreleasePoolPage

class AutoreleasePoolPage
{
static inline void *push()
{
生成或者持有 NSAutoreleasePool 类对象
}
static inline void pop(void *token)
{
废弃 NSAutoreleasePool 类对象
releaseAll();
}
static inline id autorelease(id obj)
{
相当于 NSAutoreleasePool 类的 addObject 类方法
AutoreleasePoolPage *page = 取得正在使用的 AutoreleasePoolPage 实例;
}
id *add(id obj)
{
将对象追加到内部数组
}
void releaseAll()
{
调用内部数组中对象的 release 方法
}
};

void *
objc_autoreleasePoolPush(void)
{
if (UseGC) return nil;
return AutoreleasePoolPage::push();
}

void
objc_autoreleasePoolPop(void *ctxt)
{
if (UseGC) return;
AutoreleasePoolPage::pop(ctxt);
}

AutoreleasePoolPage 以双向链表的形式组合而成(分别对应结构中的 parent 指针和 child 指针)。
thread 指针指向当前线程。
每个 AutoreleasePoolPage 对象会开辟4096字节内存(也就是虚拟内存一页的大小),除了上面的实例变量所占空间,剩下的空间全部用来储存autorelease对象的地址。
next 指针指向下一个 add 进来的 autorelease 的对象即将存放的位置。
一个 Page 的空间被占满时,会新建一个 AutoreleasePoolPage 对象,连接链表。

AutoreleasePoolPage

6 __unsafe_unretained

有时候我们除了 __weak__strong 之外也会用到 __unsafe_unretained 这个修饰符,那么我们对 __unsafe_unretained 了解多少?

__unsafe_unretained 是不安全的所有权修饰符,尽管 ARC 的内存管理是编译器的工作,但附有 __unsafe_unretained 修饰符的变量不属于编译器的内存管理对象。赋值时即不获得强引用也不获得弱引用

来运行一段代码:

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id __unsafe_unretained obj1 = nil;
{
id __strong obj0 = [[NSObject alloc] init];

obj1 = obj0;

NSLog(@"A: %@", obj1);
}

NSLog(@"B: %@", obj1);

运行结果:

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2017-01-12 19:24:47.245220 __unsafe_unretained[55726:4408416] A: <NSObject: 0x100304800>
2017-01-12 19:24:47.246670 __unsafe_unretained[55726:4408416] B: <NSObject: 0x100304800>
Program ended with exit code: 0

对代码进行详细分析:

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id __unsafe_unretained obj1 = nil;
{
// 自己生成并持有对象
id __strong obj0 = [[NSObject alloc] init];

// 因为 obj0 变量为强引用,
// 所以自己持有对象
obj1 = obj0;

// 虽然 obj0 变量赋值给 obj1
// 但是 obj1 变量既不持有对象的强引用,也不持有对象的弱引用
NSLog(@"A: %@", obj1);
// 输出 obj1 变量所表示的对象
}

NSLog(@"B: %@", obj1);
// 输出 obj1 变量所表示的对象
// obj1 变量表示的对象已经被废弃
// 所以此时获得的是悬垂指针
// 错误访问

所以,最后的 NSLog 只是碰巧正常运行,如果错误访问,会造成 crash
在使用 __unsafe_unretained 修饰符时,赋值给附有 __strong 修饰符变量时,要确保对象确实存在

第二篇 Block

花几分钟时间看下面三个小题目,写下你的答案。

Block 的三道测试题

这个三个小题目,我在整理此片博文之前给了三位朋友去解答,最后的结果,除了一位朋友 3 题全部正确,其他两个朋友均只答中 1 题。

说明还是有很多 iOS 的朋友对于 Block 并没有透彻理解。本篇博文会对 Block 进行详细的解说。

1 Block 使用的简单规则

先了解简单规则,再去分析原理和实现:

Block 中,Block 表达式截获所使用的自动变量的值,即保存该自动变量的瞬间值
修饰为 __block 的变量,在捕获时,获取的不再是瞬间值

至于 Why,后面将会继续说。

2 Block 的实现

Block 是带有自动变量(局部变量)的匿名函数。
Block 表达式很简单,总体可以描述为:『^ 返回值类型 参数列表 表达式』。
但是 Block 并不是 Objective-C 中才有的语法,这是怎么一回事?

clang 编译器提供给程序员了解 Objective-C 背后机制的方法,通过 clang 的转换可以看到 Block 的实现原理。

通过 clang -rewrite-objc yourfile.m clang 将会把 Objective-C 的代码转换成 C 语言的代码。

2.1 Block 基本实现剖析

用 Xcode 创建 Command Line 项目,写如下代码:

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int main(int argc, const char * argv[]) {
void (^blk)(void) = ^{NSLog(@"Block")};
blk();
return 0;
}

用 clang 转换:

以上是转换后的代码,不要方,一段一段看。

可以看到,Block 的实现内容,被转换成了一个普通的静态函数 __main_func_0

再看其他部分:

main.cpp __block_impl:

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struct __block_impl {
void *isa;
int Flags;
int Reserved;
void *FuncPtr;
};

__block_impl 结构体包括了一些标志、今后版本升级预留的变量函数指针


main.cpp __main_block_desc_0:

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static struct __main_block_desc_0 {
size_t reserved;
size_t Block_size;
} __main_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __main_block_impl_0)};

__main_block_desc_0 结构体包括了今后版本升级预留的变量、block 大小。


main.cpp __main_block_impl_0:

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struct __main_block_impl_0 {
struct __block_impl impl;
struct __main_block_desc_0* Desc;

__main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int flags=0) {
impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
impl.Flags = flags;
impl.FuncPtr = fp;
Desc = desc;
}
};

__main_block_impl_0 结构体含有两个成员变量,分别是 __block_impl__main_block_desc_0实例变量。

此外,还含有一个构造方法。该构造方法在 main 函数中被如下调用:

main.cpp __main_block_impl_0 构造函数的调用:

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void (*blk)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0,
&__main_block_desc_0_DATA));

去掉各种强制转换,做简化:

main.cpp __main_block_impl_0 构造函数的调用 简化:

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struct __main_block_impl_0 tmp = __main_block_impl_0(__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA);
struct __main_block_impl_0 *blk = &tmp;

以上代码即:将 __main_block_impl_0 结构体实例的指针,赋值给 __main_block_impl_0 结构体指针类型的变量 blk。也就是我们最初的结构体定义:

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void (^blk)(void) = ^{NSLog(@"Block");};

另外,main 函数中还有另外一段:

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((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)blk)->FuncPtr)((__block_impl *)blk);

去掉各种转换:

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(*blk->impl.FuncPtr)(blk);

实际就是最初的:

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blk();

本节所有代码在 block_implementation

2.2 Block 截获外部变量瞬间值的实现剖析

2.1 中对最简单的 无参数 Block 声明、调用 进行了 clang 转换。接下来再看一段『截获自动变量』的代码(可以使用命令 clang -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=macosx-10.7 main.m):

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int main(int argc, const char * argv[]) {

int val = 10;
const char *fmt = "val = %d\n";
void (^blk)(void) = ^{printf(fmt, val);};

val = 2;
fmt = "These values were changed, val = %d\n";

blk();

return 0;
}

clang 转换之后:

和 2.1 节中的转换代码对比,可以发现多了一些代码。

首先,__main_block_impl_0 多了一个变量 val,并在构造函数的参数中加入了 val 的赋值:

main.cpp __main_block_impl_0:

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struct __main_block_impl_0 {
struct __block_impl impl;
struct __main_block_desc_0* Desc;
const char *fmt;
int val;
__main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, const char *_fmt, int _val, int flags=0) : fmt(_fmt), val(_val) {
impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
impl.Flags = flags;
impl.FuncPtr = fp;
Desc = desc;
}
};

而在 main 函数中,对 Block 的声明变为此句:

main.cpp __main_block_impl_0 构造函数的调用:

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void (*blk)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, fmt, val));

去掉转换:

main.cpp __main_block_impl_0 构造函数的调用 简化:

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struct __main_block_impl_0 tmp = __main_block_impl_0(__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, val);
struct __main_block_impl_0 *blk = &tmp;

_所以,在 Block 被声明时,Block 已经将 val 作为 __main_block_impl_0 的内部变量保存下来了。无论在在声明之后怎样更改 val 的值,都不会影响,Block 调用时访问的内部 val 值。这就是 Block 捕获变量瞬间值的原理。_

本节所有代码在 EX05

2.3 __block 变量的访问实现剖析

我们知道,Block 中能够读取,但是不能更改一个局部变量,如果去更改,Xcode 会提示你无法在 Block 内部更改变量。

Block 内部只是对局部变量只读,但是 Block 能读写以下几种变量:

  1. 静态变量
  2. 静态全局变量
  3. 全局变量

也就是说以下代码是没有问题的:

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int global_val = 1;
static int static_global_val = 2;

int main(int argc, const char * argv[]) {
static int static_val = 3;

void (^blk)(void) = ^ {
global_val = 1 * 2;
static_global_val = 2 * 2;
static_val = 3 * 2;
}

return 0;
}

如果想在 Block 内部写局部变量,需要对访问的局部变量增加 __block 修饰。

__block 修饰符其实类似于 C 语言中 static、auto、register 修饰符。用于指定将变量值设置到哪个存储域中。

具体 __block 之后究竟做了哪些变化我们可以写代码测试:

EX07:

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int main(int argc, const char * argv[]) {

__block int val = 10;
void (^blk)(void) = ^{val = 1;};

return 0;
}

clang 转换之后:

跟 2.2 对比,似乎又加了非常代码。发现多了两个结构体。

main.cpp __Block_byref_val_0:

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struct __Block_byref_val_0 {
void *__isa;
__Block_byref_val_0 *__forwarding;
int __flags;
int __size;
int val;
};

很惊奇的发现,block 类型的 val 变成了结构体 `Block_byref_val_0的实例。这个实例内,包含了isa指针、一个标志位flags、一个记录大小的size。最最重要的,多了一个forwarding指针和val` 变量。这是怎么回事?

在 main 函数部分,实例化了该结构体:

main.cpp main.m 部分:

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__Block_byref_val_0 val = {(void*)0,
(__Block_byref_val_0 *)&val,
0,
sizeof(__Block_byref_val_0),
10};

我们可以看出该结构体对象初始化时:

  1. __forwarding 指向了结构体实例本身在内存中的地址
  2. val = 10

而在 main 函数中,val = 1 这句赋值语句变成了:

main.cpp val = 1; 对应的函数:

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(val->__forwarding->val) = 1;

这里就可以看出其精髓,val = 1,实际上更改的是 __Block_byref_val_0 结构体实例 val 中的 __forwarding 指针(也就是本身)指向的 val 变量。

__Block_byref_val_0 实例示意图

而对 val 访问也是如此。你可以理解为通过取地址改变变量的值,这和 C 语言中取地址改变变量类似。

所以,声明 block 的变量可以被改变。至于 `forwarding` 的其他巨大作用,会继续分析。

本节代码在 EX05

3 Block 的存储域

Block 有三种类型,分别是:

  1. __NSConcreteStackBlock ————————栈中
  2. __NSConcreteGlobalBlock ————————数据区域中
  3. __NSConcreteMallocBlock ————————堆中

__NSConcreteGlobalBlock 出现的地方有:

  1. 设置全局变量的地方有 Block 语法时
  2. Block 语法的表达式中不使用任何外部变量时

设置在栈上的 Block,如果所属的变量作用域结束,Block 就会被废弃。如果其中用到了 block,block 所属的变量作用域结束也会被废弃。

为了解决这个问题,Block 在必要的时候就需要从栈中移到堆中。ARC 有效时,很多情况下,编译器会帮助完成 Block 的 copy,但很多情况下,我们需要手动 copy Block。

对不同存储域的 Block copy 时,影响如下:

对不同存储域的 Block copy 影响

copy 时,对访问到的 __block 类型对象影响如下:

Block copy 时对 __block 对象的影响

此时可以看出 __forwarding 的巨大作用——无论 Block 此时在堆中还是在栈中,由于 __forwarding 指向局部变量转换成的结构体实例的真是地址,所以都能确保正确的访问。

具体的来说:

  1. block 变量被一个 Block 使用时,Block 从栈复制到堆,block 变量也会被复制到,并被该 Block 持有。
  2. block 变量被多个 Block 使用时,在任何一个 Block 从栈复制到堆时, block 变量也会被复制到堆,并被该 Block 持有。但由于 __forwarding 指针的存在,无论 block 变量和 Block 在不在同一个存储域,都可以正确的访问 block 变量。
  3. 如果堆上的 Block 被废弃,那么它所使用的 __block 变量也会被释放。

前面说到编译器会帮助完成一些 Block 的 copy,也有手动 copy Block。那么 Block 被复制到堆上的情况有(此段摘自于『Objective-C高级编程 iOS与OS X多线程和内存管理』):

  1. 调用 Block 的 copy 方法时
  2. Block 作为返回值时
  3. 将 Block 赋值给附有 __strong 修饰符的成员变量时(id类型或 Block 类型)时
  4. 在方法名中含有 usingBlock 的 Cocoa 框架方法或 GCD 的 API 中传递 Block 时

4 Block 循环引用

Block 循环引用,是在编程中非常常见的问题,甚至很多时候,我们并不知道发生了循环引用,直到我们突然某一天发现『怎么这个对象没有调用 delloc』,才意识到有问题存在。

在『Block 存储域』中也说明了 Block 在 copy 后对 __block 对象会 retain 一次。

那么对于如下情况就会发生循环引用:

block_retain_cycle:

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@interface MyObject : NSObject

@property (nonatomic, copy) blk_t blk;
@property (nonatomic, strong) NSObject *obj;

@end

@implementation MyObject

- (instancetype)init {
self = [super init];
_blk = ^{NSLog(@"self = %@", self);};
return self;
}

- (void)dealloc {
NSLog(@"%@ dealloc", self.class);
}

@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
id myobj = [[MyObject alloc] init];
NSLog(@"%@", myobj);
return 0;
}

由于 self -> blk,blk -> self,双方都无法释放。

但要注意的是,对于以下情况,同样会发生循环引用:

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block_retain_cycle

@interface MyObject : NSObject

@property (nonatomic, copy) blk_t blk;

// 下面是多加的一句
@property (nonatomic, strong) NSObject *obj;

@end

@implementation MyObject

- (instancetype)init {
self = [super init];

// 下面是多加的一句
_blk = ^{NSLog(@"self = %@", _obj);};

return self;
}

- (void)dealloc {
NSLog(@"%@ dealloc", self.class);
}

@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
id myobj = [[MyObject alloc] init];
NSLog(@"%@", myobj);
return 0;
}

这是由于 self -> obj,self -> blk,blk -> obj。这种情况是非常容易被忽视的。

5 重审问题

我们再来看看最初的几个小题目:

Block 的三道测试题

  1. 第一题:

    由于 Block 捕获瞬间值,所以输出为 in block val = 0

  2. 第二题:

    由于 val 为 __block,外部更改会影响到内部访问,所以输出为 in block val = 1

  3. 第三题:

    和第二题类似,val = 1 能影响到 Block 内部访问,所以先输出 in block val = 1,之后在 Block 内部更改 val 值,再次访问时输出 after block val = 2

Other

我写这篇文章是在我阅读了『Objective-C高级编程 iOS与OS X多线程和内存管理』一书之后,博文中也有很内容源于『Objective-C高级编程 iOS与OS X多线程和内存管理』。

非常向大家推荐此书。这本书里记录了关于 iOS 内存管理的深入内容。但要注意的是,此书中的多处知识点并不是很详细,需要你以拓展的心态去学习。在有解释不详细的地方,自己主动去探索,去拓展,找更多的资料,最后,你会发现你对 iOS 内存管理有了更多的深入的理解。

对于文章中的测试代码,全部在这里


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