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。
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 person1 和 person2 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。
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，alice 和 bob 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 alice 和 bob 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）和无主引用（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。
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 alice 和 bob 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。
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。
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。
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
- 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。
- 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。
- 扩展阅读：了解 Swift 中的
defer关键字及其在资源管理中的应用。
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。