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详解Swift的内存管理

2021-04-27 11:00:56 作者：浅笑·

这篇文章主要介绍了Swift的内存管理，对内存管理感兴趣的同学，可以参考下

内存管理

和OC一样, 在Swift中也是采用基于引用计数的ARC内存管理方案(针对堆空间的内存管理)

在Swift的ARC中有三种引用

强引用(strong reference)：默认情况下，代码中涉及到的引用都是强引用
弱引用(weak reference)：通过weak定义弱引用
无主引用(unowned reference)：通过unowned定义无主引用

weak

弱引用(weak reference)：通过weak定义弱引用必须是可选类型的var，因为实例销毁后，ARC会自动将弱引用设置为nilARC自动给弱引用设置nil时，不会触发属性观察

在介绍weak弱引用之前, 先看一下下面一段代码

class Animal {
    deinit {
        print("Animal deinit")
    }
}

func test() {
    let animal = Animal()
}

print("will deinit")
test()
print("did deinit")

上面这段代码中在test函数调用结束之后, 该作用的内存就会被回收,animal对象自然就会被销毁, 毫无疑问上面的输出结果应该是

will deinit

Animal deinit

did deinit

同样下面这段代码, 同样也是在a1对象被置为nil的时候内存会被回收, 对象就会被销毁

var a1: Animal? = Animal()
print("will deinit")
a1 = nil
print("did deinit")

下面是一个被weak修饰的弱引用对象,

我们都知道, 被weak修饰的弱引用对象, 在对象销毁的时候, 会被自动置为nil

所以被weak修饰的弱引用对象必须是可选类型的var, 两个条件缺一不可

weak var a2: Animal? = Animal()

// 以下两种方式都会报错的
weak var a2: Animal = Animal()
weak let a2: Animal? = Animal()

unowned无主引用(unowned reference)：通过unowned定义无主引用

不会产生强引用，实例销毁后仍然存储着实例的内存地址(类似于OC中的unsafe_unretained）

试图在实例销毁后访问无主引用，会产生运行时错误（如下野指针)

Fatal error: Attempted to read an unowned reference but object 0x0 was already deallocate

需要注意的是

weak、unowned只能用在类实例上面, 如下所示

// 该协议表示只能被类遵守, AnyObject代表所有的类实例
protocol Liveable: AnyObject {}
class Person {}

weak var p0: Person?
weak var p1: AnyObject?
// 所有能遵循Liveable协议的肯定都是类
weak var p2: Liveable?

unowned var p10: Person?
unowned var p11: AnyObject?
unowned var p12: Liveable?

循环引用

weak、unowned都能解决循环引用的问题，unowned要比weak少一些性能消耗
在生命周期中可能会变为nil的使用weak
初始化赋值后再也不会变为nil的使用unowne
说道循环引用就自然想到了闭包

闭包的循环引用

闭包表达式默认会对用到的外层对象产生额外的强引用（对外层对象进行了retain操作）, 看一下下面的代码中deinit会被调用吗?

class Person {
    var fn: (() -> ())?
    func run() { print("run") }
    deinit { print("deinit") }
}

func test() {
    let p = Person()
    p.fn = { 
        p.run()
    }
}

test()

上面代码中,p对象强引用着fn闭包,fn闭包也强引用着p对象, 自然就造成了循环引用问题

最后没有任何输出结果, 我们看一下上述代码的汇编执行过程

从上面汇编代码可以看出, 整个过程经历了

一次init引用计数为: 1

一次retain引用计数会加(1), 结果为: 2

一次release引用计数会减(1), 结果为: 1

那么最后的引用计数就是1, 所以p对象肯定没有被释放

下面是使用解决循环引用的情况

在闭包表达式的捕获列表里, 声明weak或unowned引用，用以解决循环引用问题

// 使用weak
func test() {
    let p = Person()
    p.fn = { [weak p] in
        p?.run()
    }
}

// 使用unowned
func test() {
    let p = Person()
    p.fn = { [unowned p] in
        p.run()
    }
}

上述两种方式都可以解决循环引用的问题, 运行后就发现Person对象调用了deinit这里我们再看一下汇编代码如下, 从下面汇编代码中可以很明显看到, 引用计数最后为0, 对象被释放

下面这段代码其实是等价的

func test() {
    let p = Person()
    p.fn = { [unowned p] in
        p.run()
    }
}

// 和上面等价代码
func test() {
    let p = Person()
    p.fn = { [unowned ownedP = p, weak weakP = p] in
        ownedP.run()
        // weakP?.run()
    }
}

特别注意点

这里要区分捕获列表和参数列表, 下面看看fn有参数的情况下

class Person {
    var fn: ((Int) -> ())?
    func run() { print("run") }
    deinit { print("deinit") }
}

func test() {
    let p = Person()
    p.fn = {
        (num) in
        print("num = \(num)")
    }
}

那么闭包的参数列表和捕获列表同时存在的情况如下代码所示

func test() {
    let p = Person()
    p.fn = {
        [weak p](num) in
        print("num = \(num)")
        p?.run()
    }
}

self的循环引用

如果想在引用闭包的同时引用self, 这个闭包必须是lazy的

因为实例在初始化完毕之后才能引用self

class Person {
    lazy var fn: (() -> ()) = {
        self.run()
    }
    func run() { print("run") }
    deinit { print("deinit") }
}

func test() {
    let p = Person()
    p.fn()
}

test()

上面代码中如果fn闭包去掉lazy, 编译器会直接报错在Swift中, 为了保证初始化的安全, 设定了两段式初始化, 在所有的存储属性被初始化完成之后, 初始化器才能够使用self而且在上述fn闭包中, 如果fn内部用到了实例成员(属性和方法), 则编译器会强制要求明确写出selflazy既保证只有在使用的时候才会被初始化一次但是上述代码同样存在循环引用的问题,Person对象强引用着fn闭包,fn闭包也强引用着self同样使用weak和unowned解决循环引用的问题

// weak解决循环引用
lazy var fn: (() -> ()) = {
    [weak self] in
    self?.run()
}

// unowned解决循环引用
lazy var fn: (() -> ()) = {
    [unowned self] in
    self.run()
}

另外再看看下面这种情况, 是都存在循环引用的问题

class Student {
    var age: Int = 2
    lazy var getAge: Int = {
        self.age
    }()
    deinit { print("deinit") }
}

func test() {
    let p = Student()
    print(p.getAge)
}

test()

/* 输出结果
2
deinit
*/

通过输出结果看一看出调用了deinit, 说明对象最终被释放, 并未出现循环引用的问题, 下面比较一下

// 存在循环引用
class Person {
    lazy var fn: (() -> ()) = {
        self.run()
    }
    func run() { print("run") }
    deinit { print("deinit") }
}

// 不存在循环引用
class Student {
    var age: Int = 2
    lazy var getAge: Int = {
        self.age
    }()
    deinit { print("deinit") }
}

上述两种写法的区别, 本质上说Person对象中的fn闭包属于闭包赋值,Student对象那个中的getAge属于闭包调用(类似函数调用),相当于在在Student对象调用getAge结束之后, 作用域内的变量就会被释放

// getAge也可以写成如下形式
lazy var getAge: Int = {
    return self.age
}()

// 也可以理解为
lazy var getAge: Int = self.age

内存访问冲突

在Swift中的内存访问冲突主要在两个访问满足下列条件时发生

至少一个是写入操作
它们访问的是同一块内存
它们的访问时间重叠(比如在同一个函数内)
对比看看以下两个函数操作

// 不存在内存访问冲突
var number = 1
func plus(_ num: inout Int) -> Int {
    return num + 1
}
number = plus(&number)

// 存在内存访问冲突
var step = 1
func increment(_ num: inout Int) {
    num += step
}
increment(&step)

上面第二部分代码就是同时对step变量执行读写操作, 运行时会报出如下错误

Simultaneous accesses to 0x100002028, but modification requires exclusive access.

再看下面对于结构体和元组的使用, 这里先定义一个全局函数和一个结构体

// 改变两个传入参数的值, 读取并修改传入参数的值
func balance(_ x: inout Int, _ y: inout Int) {
    let sum = x + y
    x = sum / 2
    y = sum - x
}

// 定义Player结构体
struct Player {
    var name: String
    var health: Int
    var energy: Int
    mutating func shareHealth(with teammate: inout Player) {
        balance(&teammate.health, &health)
    }
}

再看下面的使用示例, 两者都会有一个内存访问冲突的错误

// 这里读写的是同一个maria
var maria = Player(name: "Maria", health: 50, energy: 10)
balance(&maria.health, &maria.energy)

// 这里读写的是同一个tuple
var tuple = (health: 10, energy: 20)
balance(&tuple.health, &tuple.energy)

但是有时候的确会有上面这种访问同一块内存的需求, 如果下面的条件满足, 就说明重叠访问结构体的属性是安全的

访问的是实例存储属性, 不是计算属性或者类属性
结构体是局部变量而非全局变量
结构体要么没有被闭包捕获要么只被非逃逸闭包捕获

// 这里可以在局部作用域内定义成局部变量, 就不会有问题了
func test() {
    var maria = Player(name: "Maria", health: 50, energy: 10)
    var tuple = (health: 10, energy: 20)
    balance(&tuple.health, &tuple.energy)
    balance(&maria.health, &maria.energy)
}

指针

class Person {}
var person = Person()

在Swift中class声明的类(Person)是引用类型, 初始化的person对象其本质上就是一个指针变量
而person里面存储的就是这个指针变量的地址值, 也就可以根据这个地址值去访问被分配的内存空间
指针在某种意义上被定性为不安全的, 举个例子:当前指针变量的地址值对应的空间只有32个字节, 但有可能访问的是超过32个字节的空间, 这样就可能会出问题的

指针分类

在Swift中也有专门的指针类型，这些都被定性为Unsafe（不安全的），常见的有以下4种类型

UnsafePointer<Pointee>, 类似于C语言中的constPointee *, 只能访问内存不能修改内存, 这里的Pointee是指泛型
UnsafeMutablePointer<Pointee>类似于C语言中的Pointee *, 可以访问和修改内存, 这里的Pointee是指泛型
UnsafeRawPointer类似于constvoid *, 不支持泛型
UnsafeMutableRawPointer类似于void, 不支持泛型

下面看一下具体的使用示例

var age = 10
func sum1(_ ptr: UnsafeMutablePointer<Int>) {
    // 通过访问pointee属性, 获取ptr指针的内存地址所存储的值
    // UnsafeMutablePointer的pointee属性是可读可写的
    ptr.pointee += 10
}
func sum2(_ ptr: UnsafePointer<Int>) {
    // UnsafePointer的pointee属性是只读的
    // ptr.pointee += 10
    print(ptr.pointee)
}
func sum3(_ num: inout Int) {
    // 
    num += 10
}

// 和inout输入输出参数一样接受变量的地址值
sum1(&age)
sum2(&age)
sum3(&age)
print(age)


func sum4(_ ptr: UnsafeMutableRawPointer) {
    // 可读可写, 取值
    print("age = ", ptr.load(as: Int.self))
    // 可读可写, 赋值
    ptr.storeBytes(of: 50, as: Int.self)
}
func sum5(_ ptr: UnsafeRawPointer) {
    // 只读, 取值
    print("age = ", ptr.load(as: Int.self))
}

sum4(&age)
sum5(&age)

获得变量的指针

Swift中有可以直接获取变量的指针的方法

// 获取可变的变量指针, value参数接受变量地址
@inlinable public func withUnsafeMutablePointer<T, Result>(to value: inout T, _ body: (UnsafeMutablePointer<T>) throws -> Result) rethrows -> Result
// 获取不可变的变量指针, value参数接受变量
@inlinable public func withUnsafePointer<T, Result>(to value: T, _ body: (UnsafePointer<T>) throws -> Result) rethrows -> Result
// 获取不可变的变量指针, value参数接受变量地址
@inlinable public func withUnsafePointer<T, Result>(to value: inout T, _ body: (UnsafePointer<T>) throws -> Result) rethrows -> Result

上述方法中返回值默认是变量的指针地址, 也可以是其他的数据类型, 主要取决于body闭包的返回值, 返回值类型由闭包中的Result泛型决定

var age = 10
var ptr1 = withUnsafeMutablePointer(to: &age) { $0 }   // UnsafeMutablePointer<Int>
var ptr2 = withUnsafePointer(to: &age) { $0 }          // UnsafePointer<Int>
ptr1.pointee = 22
print(ptr2.pointee) // 22
print(ptr2)         // 0x0000000100008310

var ptr3 = withUnsafeMutablePointer(to: &age) { UnsafeMutableRawPointer($0) }   // UnsafeMutableRawPointer
var ptr4 = withUnsafePointer(to: &age) { UnsafeRawPointer($0) }                 // UnsafeRawPointer
// as参数是需要存储什么类型的数据
ptr3.storeBytes(of: 33, as: Int.self)
print(ptr4.load(as: Int.self)) // 33
print(ptr4)         // 0x0000000100008310

创建指针

之前获取到的指针都是根据已经存在的内存获取的
这里就看看重新分配一块内存指向堆空间

malloc

Swift提供了malloc直接分配内存创建指针的方式

// 根据需要分配的内存大小创建一个指针
public func malloc(_ __size: Int) -> UnsafeMutableRawPointer!
// 释放内存
public func free(_: UnsafeMutableRawPointer!)


// 下面这两个函数, 是赋值和取值的函数, 之前简单介绍过
// 参数一: 需要存储的值
// 参数二: 偏移量, 从第几个字节开始存储, 默认从第一个
// 参数三: 需要存储的值的类型
@inlinable public func storeBytes<T>(of value: T, toByteOffset offset: Int = 0, as: T.Type)

// 参数一: 偏移量, 从第几个字节开始存储, 默认从第一个
// 参数二: 需要存储的值的类型
@inlinable public func load<T>(fromByteOffset offset: Int = 0, as type: T.Type) -> T

代码示例如下

// 创建指针
var ptr = malloc(16)
// 存储值
ptr?.storeBytes(of: 10, as: Int.self)
// 这里toByteOffset参数如果传0, 就会覆盖前8个字节的数据
ptr?.storeBytes(of: 12, toByteOffset: 8, as: Int.self)
// 取值
print(ptr?.load(as: Int.self) ?? 0)
print(ptr?.load(fromByteOffset: 8, as: Int.self) ?? 0)
// 销毁, 释放内存
free(ptr)

allocate

使用allocate方式创建指针, 代码示例如下

// byteCount: 需要申请的字节数, alignment: 对其字节数
var ptr2 = UnsafeMutableRawPointer.allocate(byteCount: 16, alignment: 1)
// 存储
ptr2.storeBytes(of: 9, as: Int.self)

// 根据字节偏移存储
// 这里的ptr3是ptr2偏移8个字节的新的指针地址
var ptr3 = ptr2.advanced(by: 8)  // UnsafeMutableRawPointer
ptr3.storeBytes(of: 12, as: Int.self)

// 上面这种方式等价于
ptr2.storeBytes(of: 12, toByteOffset: 8, as: Int.self)

// 取值同样
print(ptr2.load(as: Int.self))
// 下面这两种取值方式也是一样的
print(ptr2.advanced(by: 8).load(as: Int.self))
print(ptr2.load(fromByteOffset: 8, as: Int.self))

// 释放内存
ptr2.deallocate()

这里需要注意的地方

只有UnsafeMutableRawPointer才有allocate分配方法,UnsafeRawPointer是没有这个方法的
下面说到的UnsafeMutablePointer<T>类型也是,UnsafePointer<T>没有allocate分配方法

// capacity: 容量, 即可以存储3个Int类型的数据, 也就是24个字节
var ptr = UnsafeMutablePointer<Int>.allocate(capacity: 3)
// 初始化内存, 用10初始化钱8个字节
ptr.initialize(to: 10)
// 用10初始化前两个容量的内存, 即16个字节
ptr.initialize(repeating: 10, count: 2)
// 使用successor获取下一个存储位, 也就是下一个Int的位置
var ptr1 = ptr.successor()  //  UnsafeMutablePointer<Int>
ptr1.initialize(to: 20)
// 存储第三个Int值
ptr.successor().successor().initialize(to: 30)

// 取值的两种方式
print(ptr.pointee)        // 第一个值
print((ptr + 1).pointee)  // 第二个值
print((ptr + 2).pointee)  // 第三个值

// 下面这种方式和上面等价
print(ptr[0])
print(ptr[1])
print(ptr[2])

// 前面如果使用了initialize, 则必须调用反初始化
// 而且count要和上面allocate(capacity: 3)的capacity一致, 否则会造成内存泄露的问题
ptr.deinitialize(count: 3)
ptr.deallocate()

指针之间的转换

前面提到过Swift中的指针类型有四种

UnsafePointer<Pointee>类似于const Pointee *
UnsafeMutablePointer<Pointee>类似于Pointee *
UnsafeRawPointer类似于const void *
UnsafeMutableRawPointer类似于void *

那么上面的类型, 能否通过其中的一种创建另外一种指针呢, 下面我们来看一下

init

UnsafeMutableRawPointer中有一个初始化方法可以根据UnsafeMutablePointer创建自身

public init<T>(_ other: UnsafeMutablePointer<T>)

var ptr = UnsafeMutablePointer<Int>.allocate(capacity: 3)
var ptr1 = UnsafeMutableRawPointer(ptr)

assumingMemoryBound

反过来,UnsafeMutableRawPointer也提供了一个方法用于创建UnsafePointer

public func assumingMemoryBound<T>(to: T.Type) -> UnsafePointer<T>

var ptr = UnsafeMutableRawPointer.allocate(byteCount: 16, alignment: 1)
var ptr1 = ptr.assumingMemoryBound(to: Int.self)
// 初始化前8个字节
ptr1.pointee = 11
// 初始化后8个字节
// 特别注意, 这里的(ptr + 8)是指ptr向后偏移8个字节, 要和之前的区分开
(ptr + 8).assumingMemoryBound(to: Int.self).pointee = 12

ptr.deallocate()

unsafeBitCast

unsafeBitCast是忽略数据类型的强制转换，不会因为数据类型的变化而改变原来的内存数

// 把第一个参数类型转成第二个参数类型
@inlinable public func unsafeBitCast<T, U>(_ x: T, to type: U.Type) -> U


var ptr = UnsafeMutableRawPointer.allocate(byteCount: 16, alignment: 1)
unsafeBitCast(ptr, to: UnsafeMutablePointer<Int>.self).pointee = 13
// 注意, 这里的(ptr + 8)是指ptr向后偏移8个字节, 要和之前的区分开
unsafeBitCast(ptr + 8, to: UnsafeMutablePointer<Double>.self).pointee = 14.23

ptr.deallocate()

以上就是详解Swift的内存管理的详细内容，更多关于Swift内存管理的资料请关注脚本之家其它相关文章！