Swift編程語言中文教程（十六）：Swift自動引用計數

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本頁包含內容：

• 自動引用計數的工作機制
• 自動引用計數實踐
• 類實例之間的循環強引用
• 解決實例之間的循環強引用
• 閉包引起的循環強引用
• 解決閉包引起的循環強引用

Swift 使用自動引用計數（ARC）這一機制來跟蹤和管理你的應用程序的內存。通常情況下，Swift 的內存管理機制會一直起著作用，你無須自己來考慮內存的管理。ARC 會在類的實例不再被使用時，自動釋放其占用的內存。

然而，在少數情況下，ARC 為了能幫助你管理內存，需要更多的關于你的代碼之間關系的信息。本章描述了這些情況，并且為你示范怎樣啟用 ARC 來管理你的應用程序的內存。

注意:

引用計數僅僅應用于類的實例。結構體和枚舉類型是值類型，不是引用類型，也不是通過引用的方式存儲和傳遞。

自動引用計數的工作機制

當你每次創建一個類的新的實例的時候，ARC 會分配一大塊內存用來儲存實例的信息。內存中會包含實例的類型信息，以及這個實例所有相關屬性的值。此外，當實例不再被使用時，ARC 釋放實例所占用的內存，并讓釋放的內存能挪作他用。這確保了不再被使用的實例，不會一直占用內存空間。

然而，當 ARC 收回和釋放了正在被使用中的實例，該實例的屬性和方法將不能再被訪問和調用。實際上，如果你試圖訪問這個實例，你的應用程序很可能會崩潰。

為了確保使用中的實例不會被銷毀，ARC 會跟蹤和計算每一個實例正在被多少屬性，常量和變量所引用。哪怕實例的引用數為一，ARC都不會銷毀這個實例。

為了使之成為可能，無論你將實例賦值給屬性，常量或者是變量，屬性，常量或者變量，都會對此實例創建強引用。之所以稱之為強引用，是因為它會將實例牢牢的保持住，只要強引用還在，實例是不允許被銷毀的。

自動引用計數實踐

下面的例子展示了自動引用計數的工作機制。例子以一個簡單的Person類開始，并定義了一個叫name的常量屬性：

 class Person {
        let name: String

            init(name: String) {
            self.name = name
            println("\(name) is being initialized")
        }

            deinit {
            println("\(name) is being deinitialized")
        }
    }

Person類有一個構造函數，此構造函數為實例的name屬性賦值并打印出信息，以表明初始化過程生效。Person類同時也擁有析構函數，同樣會在實例被銷毀的時候打印出信息。

接下來的代碼片段定義了三個類型為Person?的變量，用來按照代碼片段中的順序，為新的Person實例建立多個引用。由于這些變量是被定義為可選類型（Person?，而不是Person），它們的值會被自動初始化為nil，目前還不會引用到Person類的實例。

    var reference1: Person?
    var reference2: Person?
    var reference3: Person?

現在你可以創建Person類的新實例，并且將它賦值給三個變量其中的一個：

 reference1 = Person(name: "John Appleseed")
   // prints "John Appleseed is being initialized”

應當注意到當你調用Person類的構造函數的時候，"John Appleseed is being initialized”會被打印出來。由此可以確定構造函數被執行。

由于Person類的新實例被賦值給了reference1變量，所以reference1到Person類的新實例之間建立了一個強引用。正是因為這個強引用，ARC 會保證Person實例被保持在內存中不被銷毀。

如果你將同樣的Person實例也賦值給其他兩個變量，該實例又會多出兩個強引用：

    reference2 = reference1
    reference3 = reference1

現在這個Person實例已經有三個強引用了。

如果你通過給兩個變量賦值nil的方式斷開兩個強引用（）包括最先的那個強引用），只留下一個強引用，Person實例不會被銷毀：

reference2 = nil
reference3 = nil

ARC 會在第三個，也即最后一個強引用被斷開的時候，銷毀Person實例，這也意味著你不再使用這個Person實例：

reference3 = nil
// prints "John Appleseed is being deinitialized"

類實例之間的循環強引用

在上面的例子中，ARC 會跟蹤你所新創建的Person實例的引用數量，并且會在Person實例不再被需要時銷毀它。

然而，我們可能會寫出這樣的代碼，一個類永遠不會有0個強引用。這種情況發生在兩個類實例互相保持對方的強引用，并讓對方不被銷毀。這就是所謂的循環強引用。

你可以通過定義類之間的關系為弱引用或者無主引用，以此替代強引用，從而解決循環強引用的問題。具體的過程在解決類實例之間的循環強引用中有描述。不管怎樣，在你學習怎樣解決循環強引用之前，很有必要了解一下它是怎樣產生的。

下面展示了一個不經意產生循環強引用的例子。例子定義了兩個類：Person和Apartment，用來建模公寓和它其中的居民:

class Person {
    let name: String
    init(name: String) { self.name = name }
    var apartment: Apartment?
    deinit { println("\(name) is being deinitialized") }
}

class Apartment {
    let number: Int
    init(number: Int) { self.number = number }
    var tenant: Person?
    deinit { println("Apartment #\(number) is being deinitialized") }
}

每一個Person實例有一個類型為String，名字為name的屬性，并有一個可選的初始化為nil的apartment屬性。apartment屬性是可選的，因為一個人并不總是擁有公寓。

類似的，每個Apartment實例有一個叫number，類型為Int的屬性，并有一個可選的初始化為nil的tenant屬性。tenant屬性是可選的，因為一棟公寓并不總是有居民。

這兩個類都定義了析構函數，用以在類實例被析構的時候輸出信息。這讓你能夠知曉Person和Apartment的實例是否像預期的那樣被銷毀。

接下來的代碼片段定義了兩個可選類型的變量john和number73,并分別被設定為下面的Apartment和Person的實例。這兩個變量都被初始化為nil，并為可選的：

var john: Person?
var number73: Apartment?

現在你可以創建特定的Person和Apartment實例并將類實例賦值給john和number73變量：

john = Person(name: "John Appleseed")
number73 = Apartment(number: 73)

在兩個實例被創建和賦值后，下圖表現了強引用的關系。變量john現在有一個指向Person實例的強引用，而變量number73有一個指向Apartment實例的強引用：

現在你能夠將這兩個實例關聯在一起，這樣人就能有公寓住了，而公寓也有了房客。注意感嘆號是用來展開和訪問可選變量john和number73中的實例，這樣實例的屬性才能被賦值：

john!.apartment = number73
number73!.tenant = john

在將兩個實例聯系在一起之后，強引用的關系如圖所示：

不幸的是，將這兩個實例關聯在一起之后，一個循環強引用被創建了。Person實例現在有了一個指向Apartment實例的強引用，而Apartment實例也有了一個指向Person實例的強引用。因此，當你斷開john和number73變量所持有的強引用時，引用計數并不會降為 0，實例也不會被 ARC 銷毀：

john = nil
number73 = nil

注意，當你把這兩個變量設為nil時，沒有任何一個析構函數被調用。強引用循環阻止了Person和Apartment類實例的銷毀，并在你的應用程序中造成了內存泄漏。

在你將john和number73賦值為nil后，強引用關系如下圖：

Person和Apartment實例之間的強引用關系保留了下來并且不會被斷開。

解決實例之間的循環強引用

Swift 提供了兩種辦法用來解決你在使用類的屬性時所遇到的循環強引用問題：弱引用（weak reference）和無主引用（unowned reference）。

弱引用和無主引用允許循環引用中的一個實例引用另外一個實例而不保持強引用。這樣實例能夠互相引用而不產生循環強引用。

對于生命周期中會變為nil的實例使用弱引用。相反的，對于初始化賦值后再也不會被賦值為nil的實例，使用無主引用。

弱引用

弱引用不會牢牢保持住引用的實例，并且不會阻止 ARC 銷毀被引用的實例。這種行為阻止了引用變為循環強引用。聲明屬性或者變量時，在前面加上weak關鍵字表明這是一個弱引用。

在實例的生命周期中，如果某些時候引用沒有值，那么弱引用可以阻止循環強引用。如果引用總是有值，則可以使用無主引用，在無主引用中有描述。在上面Apartment的例子中，一個公寓的生命周期中，有時是沒有“居民”的，因此適合使用弱引用來解決循環強引用。

注意: 弱引用必須被聲明為變量，表明其值能在運行時被修改。弱引用不能被聲明為常量。

因為弱引用可以沒有值，你必須將每一個弱引用聲明為可選類型。可選類型是在 Swift 語言中推薦的用來表示可能沒有值的類型。

因為弱引用不會保持所引用的實例，即使引用存在，實例也有可能被銷毀。因此，ARC 會在引用的實例被銷毀后自動將其賦值為nil。你可以像其他可選值一樣，檢查弱引用的值是否存在，你永遠也不會遇到被銷毀了而不存在的實例。

下面的例子跟上面Person和Apartment的例子一致，但是有一個重要的區別。這一次，Apartment的tenant屬性被聲明為弱引用：

class Person {
    let name: String
    init(name: String) { self.name = name }
    var apartment: Apartment?
    deinit { println("\(name) is being deinitialized") }
}

class Apartment {
    let number: Int
    init(number: Int) { self.number = number }
    weak var tenant: Person?
    deinit { println("Apartment #\(number) is being deinitialized") }
}

然后跟之前一樣，建立兩個變量（john和number73）之間的強引用，并關聯兩個實例：

var john: Person?
var number73: Apartment?

john = Person(name: "John Appleseed")
number73 = Apartment(number: 73)

john!.apartment = number73
number73!.tenant = john

現在，兩個關聯在一起的實例的引用關系如下圖所示：

Person實例依然保持對Apartment實例的強引用，但是Apartment實例只是對Person實例的弱引用。這意味著當你斷開john變量所保持的強引用時，再也沒有指向Person實例的強引用了：

由于再也沒有指向Person實例的強引用，該實例會被銷毀：

john = nil
// prints "John Appleseed is being deinitialized"

唯一剩下的指向Apartment實例的強引用來自于變量number73。如果你斷開這個強引用，再也沒有指向Apartment實例的強引用了：

由于再也沒有指向Apartment實例的強引用，該實例也會被銷毀：

number73 = nil
// prints "Apartment #73 is being deinitialized"

上面的兩段代碼展示了變量john和number73在被賦值為nil后，Person實例和Apartment實例的析構函數都打印出“銷毀”的信息。這證明了引用循環被打破了。

無主引用

和弱引用類似，無主引用不會牢牢保持住引用的實例。和弱引用不同的是，無主引用是永遠有值的。因此，無主引用總是被定義為非可選類型（non-optional type）。你可以在聲明屬性或者變量時，在前面加上關鍵字unowned表示這是一個無主引用。

由于無主引用是非可選類型，你不需要在使用它的時候將它展開。無主引用總是可以被直接訪問。不過 ARC 無法在實例被銷毀后將無主引用設為nil，因為非可選類型的變量不允許被賦值為nil。

注意: 如果你試圖在實例被銷毀后，訪問該實例的無主引用，會觸發運行時錯誤。使用無主引用，你必須確保引用始終指向一個未銷毀的實例。

還需要注意的是如果你試圖訪問實例已經被銷毀的無主引用，程序會直接崩潰，而不會發生無法預期的行為。所以你應當避免這樣的事情發生。

下面的例子定義了兩個類，Customer和CreditCard，模擬了銀行客戶和客戶的信用卡。這兩個類中，每一個都將另外一個類的實例作為自身的屬性。這種關系會潛在的創造循環強引用。

Customer和CreditCard之間的關系與前面弱引用例子中Apartment和Person的關系截然不同。在這個數據模型中，一個客戶可能有或者沒有信用卡，但是一張信用卡總是關聯著一個客戶。為了表示這種關系，Customer類有一個可選類型的card屬性，但是CreditCard類有一個非可選類型的customer屬性。

此外，只能通過將一個number值和customer實例傳遞給CreditCard構造函數的方式來創建CreditCard實例。這樣可以確保當創建CreditCard實例時總是有一個customer實例與之關聯。

由于信用卡總是關聯著一個客戶，因此將customer屬性定義為無主引用，用以避免循環強引用：

class Customer {
    let name: String
    var card: CreditCard?
    init(name: String) {
        self.name = name
    }
    deinit { println("\(name) is being deinitialized") }
}

class CreditCard {
    let number: Int
    unowned let customer: Customer
    init(number: Int, customer: Customer) {
        self.number = number
        self.customer = customer
    }
    deinit { println("Card #\(number) is being deinitialized") }
}

下面的代碼片段定義了一個叫john的可選類型Customer變量，用來保存某個特定客戶的引用。由于是可選類型，所以變量被初始化為nil。

var john: Customer?

現在你可以創建Customer類的實例，用它初始化CreditCard實例，并將新創建的CreditCard實例賦值為客戶的card屬性。

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

在你關聯兩個實例后，他們的引用關系如下圖所示：

Customer實例持有對CreditCard實例的強引用，而CreditCard實例持有對Customer實例的無主引用。

由于customer的無主引用，當你斷開john變量持有的強引用時，再也沒有指向Customer實例的強引用了：

由于再也沒有指向Customer實例的強引用，該實例被銷毀了。其后，再也沒有指向CreditCard實例的強引用，該實例也隨之被銷毀了：

john = nil
// prints "John Appleseed is being deinitialized"
// prints "Card #1234567890123456 is being deinitialized"

最后的代碼展示了在john變量被設為nil后Customer實例和CreditCard實例的構造函數都打印出了“銷毀”的信息。

無主引用以及隱式解析可選屬性

上面弱引用和無主引用的例子涵蓋了兩種常用的需要打破循環強引用的場景。

Person和Apartment的例子展示了兩個屬性的值都允許為nil，并會潛在的產生循環強引用。這種場景最適合用弱引用來解決。

Customer和CreditCard的例子展示了一個屬性的值允許為nil，而另一個屬性的值不允許為nil，并會潛在的產生循環強引用。這種場景最適合通過無主引用來解決。

然而，存在著第三種場景，在這種場景中，兩個屬性都必須有值，并且初始化完成后不能為nil。在這種場景中，需要一個類使用無主屬性，而另外一個類使用隱式解析可選屬性。

這使兩個屬性在初始化完成后能被直接訪問（不需要可選展開），同時避免了循環引用。這一節將為你展示如何建立這種關系。

下面的例子定義了兩個類，Country和City，每個類將另外一個類的實例保存為屬性。在這個模型中，每個國家必須有首都，而每一個城市必須屬于一個國家。為了實現這種關系，Country類擁有一個capitalCity屬性，而City類有一個country屬性：

class Country {
    let name: String
    let capitalCity: City!
    init(name: String, capitalName: String) {
        self.name = name
        self.capitalCity = City(name: capitalName, country: self)
    }
}

class City {
    let name: String
    unowned let country: Country
    init(name: String, country: Country) {
        self.name = name
        self.country = country
    }
}

為了建立兩個類的依賴關系，City的構造函數有一個Country實例的參數，并且將實例保存為country屬性。

Country的構造函數調用了City的構造函數。然而，只有Country的實例完全初始化完后，Country的構造函數才能把self傳給City的構造函數。（在兩段式構造過程中有具體描述）

為了滿足這種需求，通過在類型結尾處加上感嘆號（City!）的方式，將Country的capitalCity屬性聲明為隱式解析可選類型的屬性。這表示像其他可選類型一樣，capitalCity屬性的默認值為nil，但是不需要展開他的值就能訪問它。（在隱式解析可選類型中有描述）

由于capitalCity默認值為nil，一旦Country的實例在構造函數中給name屬性賦值后，整個初始化過程就完成了。這代表一旦name屬性被賦值后，Country的構造函數就能引用并傳遞隱式的self。Country的構造函數在賦值capitalCity時，就能將self作為參數傳遞給City的構造函數。

以上的意義在于你可以通過一條語句同時創建Country和City的實例，而不產生循環強引用，并且capitalCity的屬性能被直接訪問，而不需要通過感嘆號來展開它的可選值：

var country = Country(name: "Canada", capitalName: "Ottawa")
println("\(country.name)'s capital city is called \(country.capitalCity.name)")
// prints "Canada's capital city is called Ottawa"

在上面的例子中，使用隱式解析可選值的意義在于滿足了兩個類構造函數的需求。capitalCity屬性在初始化完成后，能像非可選值一樣使用和存取同時還避免了循環強引用。

閉包引起的循環強引用

前面我們看到了循環強引用環是在兩個類實例屬性互相保持對方的強引用時產生的，還知道了如何用弱引用和無主引用來打破循環強引用。

循環強引用還會發生在當你將一個閉包賦值給類實例的某個屬性，并且這個閉包體中又使用了實例。這個閉包體中可能訪問了實例的某個屬性，例如self.someProperty，或者閉包中調用了實例的某個方法，例如self.someMethod。這兩種情況都導致了閉包 “捕獲" self，從而產生了循環強引用。

循環強引用的產生，是因為閉包和類相似，都是引用類型。當你把一個閉包賦值給某個屬性時，你也把一個引用賦值給了這個閉包。實質上，這跟之前的問題是一樣的－兩個強引用讓彼此一直有效。但是，和兩個類實例不同，這次一個是類實例，另一個是閉包。

Swift 提供了一種優雅的方法來解決這個問題，稱之為閉包占用列表（closuer capture list）。同樣的，在學習如何用閉包占用列表破壞循環強引用之前，先來了解一下循環強引用是如何產生的，這對我們是很有幫助的。

下面的例子為你展示了當一個閉包引用了self后是如何產生一個循環強引用的。例子中定義了一個叫HTMLElement的類，用一種簡單的模型表示 HTML 中的一個單獨的元素：

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
    }

    deinit {
        println("\(name) is being deinitialized")
    }

}

HTMLElement類定義了一個name屬性來表示這個元素的名稱，例如代表段落的"p"，或者代表換行的"br"。HTMLElement還定義了一個可選屬性text，用來設置和展現 HTML 元素的文本。

除了上面的兩個屬性，HTMLElement還定義了一個lazy屬性asHTML。這個屬性引用了一個閉包，將name和text組合成 HTML 字符串片段。該屬性是() -> String類型，或者可以理解為“一個沒有參數，返回String的函數”。

默認情況下，閉包賦值給了asHTML屬性，這個閉包返回一個代表 HTML 標簽的字符串。如果text值存在，該標簽就包含可選值text；如果text不存在，該標簽就不包含文本。對于段落元素，根據text是"some text"還是nil，閉包會返回

<p>some text</p>

或者

可以像實例方法那樣去命名、使用asHTML屬性。然而，由于asHTML是閉包而不是實例方法，如果你想改變特定元素的 HTML 處理的話，可以用自定義的閉包來取代默認值。

注意:

asHTML聲明為lazy屬性，因為只有當元素確實需要處理為HTML輸出的字符串時，才需要使用asHTML。也就是說，在默認的閉包中可以使用self，因為只有當初始化完成以及self確實存在后，才能訪問lazy屬性。

HTMLElement類只提供一個構造函數，通過name和text（如果有的話）參數來初始化一個元素。該類也定義了一個析構函數，當HTMLElement實例被銷毀時，打印一條消息。

下面的代碼展示了如何用HTMLElement類創建實例并打印消息。

var paragraph: HTMLElement? = HTMLElement(name: "p", text: "hello, world")
println(paragraph!.asHTML())
// prints"hello, world"

注意:

上面的paragraph變量定義為可選HTMLElement，因此我們可以賦值nil給它來演示循環強引用。

不幸的是，上面寫的HTMLElement類產生了類實例和asHTML默認值的閉包之間的循環強引用。循環強引用如下圖所示：

實例的asHTML屬性持有閉包的強引用。但是，閉包在其閉包體內使用了self（引用了self.name和self.text），因此閉包捕獲了self，這意味著閉包又反過來持有了HTMLElement實例的強引用。這樣兩個對象就產生了循環強引用。（更多關于閉包捕獲值的信息，請參考值捕獲）。

注意:

雖然閉包多次使用了self，它只捕獲HTMLElement實例的一個強引用。

如果設置paragraph變量為nil，打破它持有的HTMLElement實例的強引用，HTMLElement實例和它的閉包都不會被銷毀，也是因為循環強引用：

paragraph = nil

注意HTMLElementdeinitializer中的消息并沒有別打印，證明了HTMLElement實例并沒有被銷毀。

解決閉包引起的循環強引用

在定義閉包時同時定義捕獲列表作為閉包的一部分，通過這種方式可以解決閉包和類實例之間的循環強引用。捕獲列表定義了閉包體內捕獲一個或者多個引用類型的規則。跟解決兩個類實例間的循環強引用一樣，聲明每個捕獲的引用為弱引用或無主引用，而不是強引用。應當根據代碼關系來決定使用弱引用還是無主引用。

注意:

Swift 有如下要求：只要在閉包內使用self的成員，就要用self.someProperty或者self.someMethod（而不只是someProperty或someMethod）。這提醒你可能會不小心就捕獲了self。

定義捕獲列表

捕獲列表中的每個元素都是由weak或者unowned關鍵字和實例的引用（如self或someInstance）成對組成。每一對都在方括號中，通過逗號分開。

捕獲列表放置在閉包參數列表和返回類型之前：

@lazy var someClosure: (Int, String) -> String = {
    [unowned self] (index: Int, stringToProcess: String) -> String in
    // closure body goes here
}

如果閉包沒有指定參數列表或者返回類型，則可以通過上下文推斷，那么可以捕獲列表放在閉包開始的地方，跟著是關鍵字in：

@lazy var someClosure: () -> String = {
    [unowned self] in
    // closure body goes here
}

弱引用和無主引用

當閉包和捕獲的實例總是互相引用時并且總是同時銷毀時，將閉包內的捕獲定義為無主引用。

相反的，當捕獲引用有時可能會是nil時，將閉包內的捕獲定義為弱引用。弱引用總是可選類型，并且當引用的實例被銷毀后，弱引用的值會自動置為nil。這使我們可以在閉包內檢查他們是否存在。

注意:

如果捕獲的引用絕對不會置為nil，應該用無主引用，而不是弱引用。

前面的HTMLElement例子中，無主引用是正確的解決循環強引用的方法。這樣編寫HTMLElement類來避免循環強引用：

class HTMLElement {

    let name: String
    let text: String?

    @lazy var asHTML: () -> String = {
        [unowned self] in
        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
    }

    deinit {
        println("\(name) is being deinitialized")
    }

}

上面的HTMLElement實現和之前的實現一致，只是在asHTML閉包中多了一個捕獲列表。這里，捕獲列表是[unowned self]，表示“用無主引用而不是強引用來捕獲self”。

和之前一樣，我們可以創建并打印HTMLElement實例：

var paragraph: HTMLElement? = HTMLElement(name: "p", text: "hello, world")
println(paragraph!.asHTML())
// prints "<p>hello, world</p>"

使用捕獲列表后引用關系如下圖所示：

這一次，閉包以無主引用的形式捕獲self，并不會持有HTMLElement實例的強引用。如果將paragraph賦值為nil，HTMLElement實例將會被銷毀，并能看到它的析構函數打印出的消息。

paragraph = nil
// prints "p is being deinitialized"