Swift高阶 - 内存管理：ARC, Strong, Weak and Unowned详解

内存管理是任何编程语言中的核心概念。尽管有很多教程解释了Swift自动引用计数的基本原理，但我发现没有一个可以从编译器的角度对其进行解释。在本文中，我们将学习iOS内存管理，引用计数和对象生命周期等基础知识之外的内容。

让我们从基础开始，逐步进入ARC和Swift Runtime的内部，首先思考以下问题：

内存是什么？
Swift编译器是如何实现自动引用计数的？
强，弱和无主引用是如何实现的？
Swift对象的生命周期是怎么样的？
什么是side table？

内存管理

从硬件层面，内存只是一长串字节。在虚拟内存中它被分成三个主要部分：

栈区，所有局部变量都存放在哪里。
全局数据，其中包含静态变量，常量和类型元数据。
堆区，所有动态分配的对象都在其中。基本上，所有具有生命周期的东西都存储在这里。

我们将继续交替使用“对象”和“动态分配的对象”。这些是Swift引用类型以及值类型的一些特殊情况。

内存管理是控制程序内存的过程。了解它的工作原理至关重要，否则您可能会遇到随机崩溃和莫名的小bug。

ARC

内存管理与所有权的概念紧密相关。所有权会决定哪些代码会造成对象被销毁[1]。

自动引用计数（ARC）属于Swift的所有权系统，它规定了一组用于管理和转让所有权的约定。

可以指向对象的变量别名叫做引用。 Swift引用具有两个强度级别：强和弱。此外，弱引用包含无主引用和弱引用。

Swift内存管理的本质是：如果一个对象被强引用指向，Swift会保留它，否则将其释放。剩下的只是实现细节。

理解Strong, Weak and Unowned

强引用的目的是使对象保持存活状态。强引用可能会导致几个有意义的问题[2]：

循环引用。考虑到Swift语言不是循环收集（cycle-collecting）的，一个对象的强引用R如果同时被对象强引用(可能是间接的)，则会导致循环引用。我们必须编写大量代码来显式打破循环。
并非总是可以使强引用在对象构造上立即有效，例如代理（delegates）。

弱引用解决了反向引用的问题。如果有指向对象的弱引用，则可以销毁该对象。弱引用访问不再存在的对象时将返回nil。这称为调零或归零（zeroing）。

无主引用是弱函数的另一种形式，旨在用于严格的有效性不变式。无主引用是非归零的。当试图通过无主引用读取不存在的对象时，程序将因断言错误而崩溃。它们用于跟踪和修复一致性问题很有用。

class MyClass {	
    lazy var foo = { [weak self] in	
        // Must be validated	
        guard let self = self else { return }	
        self.doSomething()	
    }()	
    func doSomething() {}	
}

无主引用无需在使用时进行验证：

lazy var bar = { [unowned self] in	
  // No validation needed
  self.doSomething()	
}()

在这个示例中，使用无主引用是明智的，因为属性bar和self具有相同的生存期。

我们对Swift内存管理的进一步讨论会处于较低的抽象层面。我们将深入研究如何在编译器级别实现ARC，以及每个Swift对象在销毁之前要经历的步骤。

Swift Runtime

ARC机制在Swift Runtime库中声明。它包含了诸如运行时类型系统之类的核心功能，例如：动态转换，泛型和协议一致性注册[3]

Swift Runtime 使用HeapObject结构体表示每个动态分配的对象。它包含构成Swift对象的所有数据：引用计数和类型元数据。

HeapObject中每个Swift对象都有三个引用计数：每种引用都有一个。在SIL生成阶段，swiftc编译器会在适当的地方插入swift_retain()和swift_release()函数。这是通过拦截HeapObject的初始化和销毁来完成的。

编译是Xcode Build System的步骤之一

如果您是Objective-C老程序员，并且想知道autorelease在哪里，可以告诉你：纯Swift对象没有这个东西。

现在，让我们继续弱引用。它们的实现方式与Side table的概念紧密相关。

想要详细了解SideTable，请阅读我之前的一篇文章：Swift弱引用管理之Side Table

Side Tables介绍

Side tables 是实现Swift弱引用的核心。

大多数情况，对象没有任何“弱”引用，因此为每个对象中的弱引用计数保留存储空间是浪费的。此信息存储在外部的 side table中，只有在确实需要时才会分配。

弱引用变量不是直接指向对象，而是指向side table，而side table又指向对象。这解决了两个问题：为弱引用计数节省内存，直到对象真正需要它才创建；允许安全地将弱引用归零，因为它不会直接指向对象，并且不再是竟态条件的主体。

当两个线程竞争同一资源时，如果对资源的访问顺序敏感，就称存在竞态条件。

Side table只包含一个引用计数和一个对象的指针。它们在Swift Runtime 中声明如下（C ++ 代码）[5]：

class HeapObjectSideTableEntry {
  std::atomic<HeapObject*> object;
  SideTableRefCounts refCounts;
  // Operations to increment and decrement reference counts
}

Swift对象生命周期

Swift对象具有自己的生命周期，在下图中我用有限状态机表示。方括号表示触发状态转换的条件。

在Live状态时，对象处于活动状态。其引用计数被初始化为 strong：1， unown：1和 weak：1（side table从+1开始）。一旦有弱引用指向对象，便会创建side table。 弱引用指向side table而不是对象。

一旦强引用计数达到零，则对象从Live状态进入Deiniting状态。处于Deiniting状态表示deinit()正在进行中。在这一点上，强引用操作无效。如果存在关联的side table，通过弱引用访问将返回nil。通过unowned访问将触发断言失败。通过新的unowned引用仍然可以存储。从此状态开始，可能选择两条分支：

快速判断如果没有weak，unowned的引用和side table。该对象将转换为Dead状态，并立即从内存中删除。
否则，对象将变为Deinited状态。

在Deinited状态下，deinit()已经执行完成，该对象还有未完成的unown引用（至少是初始值：1）。此时，通过强和弱引用进行存储和读取无法发生。 Unowned引用存储也不会发生。通过Unown读取会触发断言错误。该对象可以从此处进入两条分支：

如果没有弱引用，则可以立即释放该对象。它过渡到Dead状态。
否则，仍然有一个side table要移除，并且对象进入Freed状态。

在Freed状态之前，对象已完全释放，但它的 side table仍处于活动状态。在此阶段，弱引用计数将置0，并且 side table会被销毁。对象将转换为最终状态。

除指向对象的指针外，在Dead状态下对象已被全部销毁。指向“HeapObject”的指针也从堆中释放出来，在内存中找不到该对象的任何痕迹。

总结

自动引用计数并不是什么神奇的东西，我们对它越了解，我们的代码就越不容易出现内存管理错误。这里是要记住的几个关键点：

弱引用指针指向side table。无主和强引用指针指向对象。
自动引用计数是在编译器级别实现的。 swiftc编译器会在适当的时候插入swift_retain() 和swift_release()。
Swift对象不会立即销毁。它们在生命周期中经历了五个阶段：live -> deiniting -> deinited -> freed -> dead

作者：Vadim Bulavin 翻译：乐Coding