Swift 开发教程系列 - 第11章：内存管理和 ARC（Automatic Reference Counting）

在 Swift 中，内存管理由 ARC（自动引用计数）机制自动处理。ARC 通过追踪和管理对象的引用计数来确保分配的内存得到有效释放。尽管 ARC 在大多数情况下能够高效地管理内存，但理解其工作原理仍然十分重要，因为不当的引用会导致内存泄漏或循环引用。本章将介绍 ARC 的基本原理、强引用和弱引用的使用、循环引用的识别和解决方法。

11.1 ARC 基础

ARC 主要用于引用类型（即类）的内存管理。每个类实例在分配时，ARC 会分配一块内存用于存储该实例的所有属性和方法。当一个实例的引用计数变为零时，ARC 自动释放该实例的内存。

示例代码

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class Person {
    let name: String
    
    init(name: String) {
        self.name = name
        print("\(name) is initialized")
    }
    
    deinit {
        print("\(name) is being deinitialized")
    }
}

var person1: Person? = Person(name: "Alice")
person1 = nil  // 当 person1 被赋值为 nil 时，ARC 会释放该内存

在上例中，当 person1 被设置为 nil 后，Person 实例的引用计数变为零，ARC 自动释放该对象并调用 deinit 方法。

11.2 强引用

在 Swift 中，默认情况下，所有的引用都是强引用（strong reference），意味着对象的引用计数会增加。当多个强引用指向同一个对象时，该对象的引用计数会随着引用的增加而增加，只有在所有引用都被移除后，引用计数才会为零，ARC 才会释放对象。

示例代码

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class Car {
    let model: String
    
    init(model: String) {
        self.model = model
    }
}

var car1: Car? = Car(model: "Tesla")
var car2 = car1  // car1 和 car2 都指向同一个 Car 实例
car1 = nil
// car2 仍然持有该实例，因此实例不会被释放

在上例中，即使 car1 被设置为 nil，car2 仍然持有对 Car 实例的强引用，因此该实例不会被释放。

11.3 弱引用和无主引用

为了解决循环引用问题，Swift 提供了 weak（弱引用）和 unowned（无主引用）两种解决方案。

弱引用（weak）：适用于可能在生命周期中变为 nil 的对象。弱引用不会增加引用计数，因此当没有其他强引用时，对象会被释放。
无主引用（unowned）：适用于生命周期中不会变为 nil 的对象。无主引用不会增加引用计数，但对象被释放后，如果仍然访问无主引用，会导致程序崩溃。

示例代码

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class Owner {
    let name: String
    var pet: Pet?
    
    init(name: String) {
        self.name = name
    }
    
    deinit {
        print("\(name) is being deinitialized")
    }
}

class Pet {
    let name: String
    weak var owner: Owner?  // 使用 weak 解决循环引用
    
    init(name: String) {
        self.name = name
    }
    
    deinit {
        print("\(name) is being deinitialized")
    }
}

var alice: Owner? = Owner(name: "Alice")
var fluffy: Pet? = Pet(name: "Fluffy")
alice?.pet = fluffy
fluffy?.owner = alice

alice = nil  // "Alice is being deinitialized"
fluffy = nil  // "Fluffy is being deinitialized"

在上例中，Owner 和 Pet 类存在循环引用。通过将 owner 属性声明为弱引用，解决了循环引用问题，使 Owner 和 Pet 可以正确释放。

11.4 闭包和循环引用

闭包在捕获对象时会创建强引用，可能导致循环引用。为了解决这个问题，可以在闭包中使用捕获列表（capture list）指定弱引用或无主引用。

示例代码

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class HTMLElement {
    let name: String
    let text: String?
    
    lazy var asHTML: () -> String = { [weak self] in
        guard let self = self else { return "" }
        return "<\(self.name)>\(self.text ?? "")</\(self.name)>"
    }
    
    init(name: String, text: String? = nil) {
        self.name = name
        self.text = text
    }
    
    deinit {
        print("\(name) is being deinitialized")
    }
}

var paragraph: HTMLElement? = HTMLElement(name: "p", text: "Hello, world!")
print(paragraph?.asHTML() ?? "")
paragraph = nil  // "p is being deinitialized"

在上例中，通过 [weak self] 捕获列表防止闭包对 self 创建强引用，避免了循环引用。

11.5 常见的 ARC 内存管理误区

过度使用强引用：所有对象都默认使用强引用，但在合适的地方应使用弱引用以避免循环引用。
滥用无主引用：无主引用适用于不会变为 nil 的对象，否则会导致崩溃。
闭包导致的循环引用：闭包中对 self 的隐式强引用是循环引用的常见原因，使用捕获列表可以避免此问题。

11.6 ARC 优化实践

分析引用关系：在设计类之间的引用关系时，避免循环引用的结构，适当地使用 weak 或 unowned 关键字。
善用工具：Xcode 提供了内存图和 Instruments 工具，可以帮助检测内存泄漏和循环引用。
定期释放对象：在可能产生强引用的地方（如闭包、异步操作等），确认对象在使用后被正确释放。

通过本章的学习，你掌握了 Swift 中的内存管理基础，包括 ARC 的工作原理、强引用和弱引用的使用、以及如何避免循环引用。合理的内存管理对提高应用性能和稳定性至关重要。下一章将介绍 Swift 的高级特性之一：协议和协议扩展，用于构建更具灵活性和扩展性的代码结构。