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Swift 内存管理

介绍

在 Swift 中,内存管理是一个重要的概念,尤其是在处理复杂的数据结构和对象时。Swift 使用自动引用计数(ARC)来自动管理内存。ARC 会自动跟踪和清理不再使用的对象,从而减少内存泄漏的风险。然而,ARC 并非万能,开发者仍需了解其工作原理,以避免常见的内存管理问题,如强引用循环

本文将逐步讲解 Swift 的内存管理机制,并通过代码示例和实际案例帮助你更好地理解这一概念。


自动引用计数(ARC)

ARC 是 Swift 中用于管理对象内存的机制。每当创建一个新的对象实例时,ARC 会为其分配内存,并在对象不再被引用时自动释放内存。

ARC 的工作原理

ARC 通过跟踪对象的引用计数来决定何时释放内存。每当一个对象被引用时,其引用计数加 1;当引用失效时,引用计数减 1。当引用计数为 0 时,对象将被释放。

swift
class Person {
let name: String
init(name: String) {
self.name = name
print("\(name) 被初始化")
}
deinit {
print("\(name) 被释放")
}
}

var person1: Person? = Person(name: "Alice") // 输出: Alice 被初始化
var person2: Person? = person1 // person1 的引用计数加 1

person1 = nil // person1 的引用计数减 1,但 person2 仍然持有引用
person2 = nil // person2 的引用计数减 1,引用计数为 0,输出: Alice 被释放

在上面的示例中,Person 类的实例 person1person2 分别持有对同一个对象的引用。当所有引用都被置为 nil 时,对象被释放。


强引用循环

虽然 ARC 可以自动管理内存,但在某些情况下,对象之间可能会形成强引用循环,导致内存无法被释放。

什么是强引用循环?

强引用循环发生在两个或多个对象相互持有强引用时,导致它们的引用计数永远不会降为 0,从而无法释放内存。

swift
class Person {
let name: String
var friend: Person?
init(name: String) {
self.name = name
print("\(name) 被初始化")
}
deinit {
print("\(name) 被释放")
}
}

var alice: Person? = Person(name: "Alice")
var bob: Person? = Person(name: "Bob")

alice?.friend = bob
bob?.friend = alice

alice = nil
bob = nil
// 输出: Alice 被初始化
// 输出: Bob 被初始化
// 没有输出释放信息,因为存在强引用循环

在上面的示例中,alicebob 相互持有对方的强引用,导致它们的引用计数始终为 1,即使将 alicebob 置为 nil,对象也不会被释放。


解决强引用循环

Swift 提供了两种方式来解决强引用循环:弱引用(weak)无主引用(unowned)

弱引用(weak)

弱引用不会增加对象的引用计数,因此不会阻止对象被释放。弱引用通常用于可能为 nil 的情况。

swift
class Person {
let name: String
weak var friend: Person?
init(name: String) {
self.name = name
print("\(name) 被初始化")
}
deinit {
print("\(name) 被释放")
}
}

var alice: Person? = Person(name: "Alice")
var bob: Person? = Person(name: "Bob")

alice?.friend = bob
bob?.friend = alice

alice = nil
bob = nil
// 输出: Alice 被初始化
// 输出: Bob 被初始化
// 输出: Alice 被释放
// 输出: Bob 被释放

在上面的示例中,friend 属性被声明为 weak,因此不会增加引用计数。当 alicebob 被置为 nil 时,对象被成功释放。

无主引用(unowned)

无主引用类似于弱引用,但它假设引用对象始终存在。如果引用对象被释放,访问无主引用会导致运行时错误。

swift
class Customer {
let name: String
var card: CreditCard?
init(name: String) {
self.name = name
print("\(name) 被初始化")
}
deinit {
print("\(name) 被释放")
}
}

class CreditCard {
let number: UInt64
unowned let customer: Customer
init(number: UInt64, customer: Customer) {
self.number = number
self.customer = customer
print("信用卡 \(number) 被初始化")
}
deinit {
print("信用卡 \(number) 被释放")
}
}

var john: Customer? = Customer(name: "John")
john?.card = CreditCard(number: 1234_5678_9012_3456, customer: john!)

john = nil
// 输出: John 被初始化
// 输出: 信用卡 1234567890123456 被初始化
// 输出: John 被释放
// 输出: 信用卡 1234567890123456 被释放

在上面的示例中,CreditCard 类使用 unowned 引用 Customer 对象,因为 CreditCard 的生命周期不会超过 Customer


实际案例:闭包中的强引用循环

闭包也可能导致强引用循环,因为闭包会捕获其上下文中的变量。

swift
class HTMLElement {
let name: String
let text: String?

lazy var asHTML: () -> String = {
if let text = self.text {
return "<\(self.name)>\(text)</\(self.name)>"
} else {
return "<\(self.name) />"
}
}

init(name: String, text: String? = nil) {
self.name = name
self.text = text
print("\(name) 被初始化")
}

deinit {
print("\(name) 被释放")
}
}

var paragraph: HTMLElement? = HTMLElement(name: "p", text: "Hello, World!")
print(paragraph!.asHTML()) // 输出: <p>Hello, World!</p>

paragraph = nil
// 输出: p 被初始化
// 没有输出释放信息,因为闭包捕获了 self

在上面的示例中,asHTML 闭包捕获了 self,导致 HTMLElement 实例无法被释放。

解决方法:使用捕获列表

可以通过在闭包中使用捕获列表来避免强引用循环。

swift
class HTMLElement {
let name: String
let text: String?

lazy var asHTML: () -> String = { [weak self] in
guard let self = self else { return "" }
if let text = self.text {
return "<\(self.name)>\(text)</\(self.name)>"
} else {
return "<\(self.name) />"
}
}

init(name: String, text: String? = nil) {
self.name = name
self.text = text
print("\(name) 被初始化")
}

deinit {
print("\(name) 被释放")
}
}

var paragraph: HTMLElement? = HTMLElement(name: "p", text: "Hello, World!")
print(paragraph!.asHTML()) // 输出: <p>Hello, World!</p>

paragraph = nil
// 输出: p 被初始化
// 输出: p 被释放

在上面的示例中,asHTML 闭包使用 [weak self] 捕获列表,避免了强引用循环。


总结

Swift 的内存管理机制(ARC)极大地简化了内存管理的工作,但开发者仍需注意强引用循环等问题。通过使用弱引用、无主引用和捕获列表,可以有效避免内存泄漏。


附加资源与练习

  1. 练习:尝试创建一个包含多个相互引用的类实例,并使用弱引用或无主引用来解决强引用循环。
  2. 深入学习:阅读 Swift 官方文档中关于 ARC 的部分,了解更多高级用法。
  3. 扩展阅读:了解 Swift 中的 defer 关键字及其在资源管理中的应用。
提示

在实际开发中,建议使用工具(如 Xcode 的内存调试器)来检测和修复内存泄漏问题。