多线程与内存管理

自动引用计数

内存管理&引用计数

• 自己生成的对象，自己所持有
• 非自己生成的对象，自己也能持有
• 无法释放非自己持有的对象
• 用alloc/new/copy/mutableCopy方法生成并持有的对象，或者用retain方法持有的对象，一旦不在需要，务必用release方法进行释放

GNUstep中引用计数的实现

• 在OC的对象中存有引用计数这一整数值
• 调用alloc或者retain方法后，引进计数值加一
• 调用release后，引用计数减一
• 引用计数为0时，调用dealloc方法废弃对象

苹果中引用计数的实现

苹果的实现与CNUstep类似，不同的是，GNUstep将引用计数保存在对象占用内存头部的变量中，而苹果的实现，则是保存在引用计数表的记录中。

内存头部管理VS引用计数表管理

内存头部管理：

• 少量代码即可完成
• 能够统一管理引用计数内存块与对象用计数块

引用计数表管理：

• 对象用内存块的分配无需考虑内存头部
• 引用计数表各记录中存有内存块地址，可从各个记录追溯到各对象的内存块。这一点在调试的时候有重要意义，即使出现故障导致对象占用的内存块损坏，可以通过引用计数表确认各内存块的位置

autorelease

autorelease会像C语言的自动变量那样来对待对象实例，当超出其作用域时，对象实例的release实例方法被调用。
具体使用方法：
1 生成并持有NSAutoreleasePool对象
2 调用已分配对象的autorelease实例方法
3 废弃NSAutoreleasePool对象
调用NSObject类的autorelease实例方法，该对象将被追加到正在使用的NSAutoreleasePool对象中的数组里

通常在使用OC，也就是Foundation框架时，无论调用哪一个对象的autorelease方法，实现上的调用都是NSObject类的autorelease实例方法。但是对于NSAutoreleasePool类，autore实例方法已被该类重载，因此运行时就会出错

-__

ARC规则

所有权修饰符

• _ _strong: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
• __weak:在持有某对象的弱引用时，若该对象被废弃，则此弱引用将自动失效且处于nil被被赋值状态（空弱引用）
• __unsafe_unretained:同weak一样，不能持有自己生成的对象，不安全所有权修饰符，不属于编译器的内存管理对象
• __autoreleasing:在ARC有效时，用@autorelease块代替NSAutoreleasePool类，用附有__autoreleasing修饰符的变量替代autorelease方法。编译器会检查方法名是否以alloc/new/copy/mutablecopy开始，如果不是，则自动将返回值注册到autoreleasePool中

为什么在访问附有_ _weak修饰符的变量时必须访问注册到autoreleasePool的对象呢?
这是因为__weak修饰符只持有对象的弱引用, 而在访问引用对象的过程中, 该对象有可能被废弃. 如果要把访问的对象注册到 autoreleasePool 中, 那么@ autoreleasePool 块结束之前都能确保该对象存在.

ps: NSObject **obj等效于NSObject * __autoreleasing *obj.

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
• 不要显示调用 dealloc
• 使用@ autoreleasePool 块代替 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
• 显示转换 id 和 void*

• init
  以 init 开始的方法的规则要比 alloc/new/copy/mutableCopy更严格.该方法必须是实例方法,并且必须返回对象, 返回的对象应为 id 类型或该方法声明类的对象类型, 抑或是该类的超类型或子类型.该返回类型并不注册到 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

• 显示转换 id 和 void*
  1 id 型或对象型变量赋值给 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
  2 __bridge_retained 转换可使要转换赋值的变量也持有所赋值的对象(类似于 retain), _ _bridge_transfer提供与此相反的动作,被转换的变量所持有的对象在该变量被赋值给转换目标后随之释放(类似于 release).

属性

在 ARC 有效时:
assign --- __unsafe_unretained
copy --- __strong
retain --- __strong
strong --- __strong
unsafe_retain --- __ansafe_retain
weak --- __weak

ARC 的实现

__strong 的实现

• 通过objc_autoreleaseReturn 函数和 objc_retainAutoreleasedReturnValue 函数的协作, 可以不将对象注册到 autoreleasePool 中而直接传递

__weak的实现

• objc_storeWea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. 如果第二个参数为0, 则把变量从 weak 表中删除
• 对象被废弃时,最后会调用 objc_clear_deallocating 函数:
  (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 修饰符的变量的地址, 赋值为 nil
  (3)从 weak 表中删除记录
  (4)从引用计数表中删除废弃对象的地址为键值的记录
• 在使用__ weak修饰符变量的情形下, 增加了 objc_loadWeakRetained 函数和 objc-autorelease 函数的调用:
  (1)objc_loadWeakRetained函数取出附有__ weak 修饰符变量所引用的对象并 retain
  (2)objc-autorelease 函数将对象注册到 autorelease 中
• 对于所有 allowsWeakReference 方法返回 NO 的类绝对不能使用__weak修饰符. 在使用__weak 修饰符的变量时, 当被赋值对象的 retainWeakReference 方法返回 NO 的情况下, 该变量将使用 nil

Blocks

blocks 概要

• 带有自动变量(局部变量)的匿名函数

^ 返回值类型 参数列表 表达式

• 在 block 语法下, 可将 block 语法赋值给声明为 block 类型的变量中
• block 类型变量可像 C语言中其他类型变量一样使用(比如函数参数, 返回类型, 赋值等)
• 使用__ block说明符的自动变量可在 block 中赋值, 改变量称为__block 变量, 对于 OC 对象来说, 截获的对象不能赋值, 但是可以调用对象方法
• 在 block 中, 截获自动变量的方法并没有实现对 C语言数组的截获, 使用指针代替

blocks 实现

• 通过 blocks 使用的匿名函数实际上被作为简单的 C语言函数处理
• block 是__ main_block_impl_0结构体实例, 展开内容为:

struct __main_block_impl_0 {
void *isa;
int Flags;
int Reserved;
void *FuncPtr;
struct __main_block_desc_0 *Desc;
}

该结构体构造函数会这样初始化:

isa = &_NSConcreteStackBlock;
Flags = 0;
Reserved = 0;
FuncPtr = __main_block_func_0;
Desc = &__main_block_desc_0_DATA;

对于isa = &NSConcreteStackBlock的理解:
_NSConcreteStackBlock 相当于 class_t 结构体实例, 在将 block 作为 OC 对象处理时, 关于该类的信息放置于_ NSConcreteStackBlock 中.

• 各类的结构体就是基于 objc_class 结构体的 class_t结构体. 在 OC 中, class_t结构体实例, 生成并保持各个类的 class_ t 结构体实例, 该实例持有声明的成员变量, 方法的名称, 方法的实现(函数指针), 属性以及父类的指针.

自动变量的截获

• block 的自动变量截获值针对 block 中使用的变量
• 所谓截获自动变量值意味着在执行 block 语法时, block 语法表达式所使用的自动变量值被保存到 block 结构体实例中

__Block

• C语言中允许改写 block 值的有:静态变量, 静态全局变量, 全局变量
• 在由 block 语法生成的值 block 上, 可以存在超过其变量作用域的被截获对象的自动变量. 变量作用域结束的同时, 原来的自动变量被废弃, 因此 block 中超过变量作用域而存在的变量如同静态变量一样, 将不能通过指针访问原来的自动变量
• C语言有以下存储域内说明符: typedef, extern, static, auto, register
• block 转换为 block 的结构体类型的自动变量, __block 变量转换为__block 变量的结构体类型的自动变量. 所谓结构体类型的自动变量, 即栈上生成的该结构体的实例

block 存储域

• block 课设置在栈, 堆, 数据区, 分别对应_ NSConcreteStackBlock, _NSConcreteMallocBlock, _NSConcreteGlobalBlock

• • 记述全局变量的地方有 block 语法时

• block 语法的表达式中不使用应截获的自动变量时
  在以上情况下, block 为_ NSConcreteGlobalBlock 类对象, 除此之外 Block 语法生成的为_ NSConcreteStackBlock 类对象, 设置在栈上
• 将 block 作为函数返回值返回时, 编译器会自动生成复制到堆上的代码
• 编译器不能进行判断的情况:
• 向方法或函数参数中传递 block 时
• 编译器能进行判断的情况:
• Cocoa 框架的方法且方法名中含有 usingBlock 等时
• GCD 的 API

__block 变量存储域

• 若在1个 block 中使用__ block变量, 则当该 block 从栈复制到堆上时, 使用的所有__block 变量也必定配置在栈上. 这些__ block 变量也全部被复制到堆. 此时, block 持有__ block 变量.
• 栈上的__block 变量用结构体实例在__ block 变量从栈复制到堆上, 会将成员变量__forwarding 的值替换为复制目标堆上的__ block 变量用结构体实例的地址

截获对象

• block 截获对象后, 生成结构体成员变量copy 和 dispose, 并赋予相应的函数指针, 其调用时机为栈上的 block 复制到堆上时.
• _block_copy 函数被调用时, block 从栈复制到堆. 在释放复制到堆上的 block 后, 谁都不持有 block 而调用 dispose 函数
• block 中使用对象类型的自动变量时, 除以下情形外, 推荐调用 block 的 copy 实例方法:
• block 作为函数返回值返回时
• 将 block 赋值给附有__ strong 修饰符的 id 类型或者 block 类型成员变量时
• 向方法名中含有 usingBlock 的 Cocoa 框架方法或者 GCD 中的 API 传递 block 时.

循环引用

• 避免循环引用的方法有__ weak 修饰符及__ unsafe_unretained 修饰符, 和__ block 修饰符

• 使用__block变量的优点:

• 通过__ block 变量可控制对象的持有期间

• 在不能使用__ weak 修饰符的环境中不使用__ unsafe_unretained 即可. 在执行 block 时可动态地决定是否将 nil 或其他对象赋值在__ block 变量中

• 使用__ block 变量的缺点

• 为避免循环引用必须执行 block

Grand Central Dispatch(GCD)

GCD 是异步执行任务的技术之一. 一般将应用程序中记述的线程管理用的代码在系统级中实现. 开发者只需要定义想执行的任务并追加到适当的 Dispatch Queue 中, GCD 就能生成必要的线程并计划执行任务. 由于线程管理是作为系统的一部分来实现的, 因此可统一管理, 也可执行任务 这样就比以前的线程更有效率.

dispatch_queue_create

• 虽然串行队列和并行队列受到系统资源的限制, 但用 dispatch_queue_create 函数可以生成任意多个 Dispatch Queue
• 当生成多个串行队列时, 各个串行队列将并行执行. 虽然一个串行队列中同时只能执行一个追加处理, 但如果将处理分别追加到多个串行队列中, 各个串行队列执行一个, 即为同时执行多个处理
• 一旦生成串行队列并追加处理, 系统对于一个串行队列就只会生成并使用一个线程
• 只在为了避免数据竞争时使用串行队列
• 对于并行队列来说, 不管生成多少, 由于 XNU 内核只使用有效管理的线程, 因此不会发生串行队列的那些问题
  -生成的 Dispatch Queue 必须由程序员释放, 这是因为 Dispatch Queue 并没有像 block 那样具有作为 OC 对象来处理的技术
• 在 dispatch_async 函数中追加 block 到 Dispatch Queue 后, 即使立即释放 Dispatch Queue, 该 Dispatch Queue 由于被 block 持有也不会被废弃, 因而 block 能够执行. block 执行结束后会释放 Dispatch Queue, 这时谁都不持有 Dispatch Queue, 因此他会被废弃
• 主线程只有1个, 因此 Main Dispatch Queue 是串行队列
• 对于 Main Dispatch Queue 和 Global Dispatch Queue 执行 dispatch_retain函数和dispatch_release 函数不会引起任何变化, 也不会有任何问题

dispatch_set_target_queue

dispatch_set_target_queue可以变更 Dispatch Queue 的执行优先级

• 在必须将不可并行执行的处理追加到多个串行队列中时, 如果使用dispatch_set_target_queue函数将目标指定为某一个串行队列, 即可防止处理并行执行
• 将 Dispatch Queue 指定为dispatch_set_target_queue函数的参数, 不仅可以变更 Dispatch Queue 的执行优先级, 还可以作为 Dispatch Queue 的执行阶层

dispatch_after

• dispatch_after 函数并不是在指定时间后执行处理, 而只是在指定时间追加处理到 Dispatch Queue

Dispatch Group

• Dispatch Group 在使用结束后需要通过 dispatch_release 函数释放
• Dispatch Group 中也可以使用 dispatch_group_wait函数仅等待全部处理执行结束.

dispatch_barrier_async

• 使用dispatch_barrier_async函数和并行队列可实现高效率的数据库访问和文件访问

dispatch_apply

• dispatch_apply 函数会等待处理执行结束, 因此推荐异步调用 dispatch_apply 函数

Dispatch Semaphore

• 再没有 Serial Dispatch 和 dispatch_barrier_async函数那么大粒度且一部分处理需要进行排他控制的情况下, 适合使用 Dispatch Semaphore

Dispatch Queue 没有取消的概念, 一旦将处理追加到 Dispatch Queue 中, 就没有方法可将该处理去除. Dispatch source 则可以取消