Swift - 自动引用计数（ARC）

Swift 使用自动引用计数（ARC）机制来跟踪和管理你的应用程序的内存。通常情况下，Swift 内存管理机制会一直起作用，你无须自己来考虑内存的管理。ARC 会在类的实例不再被使用时，自动释放其占用的内存。

注意
引用计数仅仅应用于类的实例。结构体和枚举类型是值类型，不是引用类型，也不是通过引用的方式存储和传递。

自动引用计数的工作机制

当你每次创建一个类的新的实例的时候，ARC 会分配一块内存来储存该实例信息。内存中会包含实例的类型信息，以及这个实例所有相关的存储型属性的值。

此外，当实例不再被使用时，ARC 释放实例所占用的内存，并让释放的内存能挪作他用。这确保了不再被使用的实例，不会一直占用内存空间。

然而，当 ARC 收回和释放了正在被使用中的实例，该实例的属性和方法将不能再被访问和调用。实际上，如果你试图访问这个实例，你的应用程序很可能会崩溃。

为了确保使用中的实例不会被销毁，ARC 会跟踪和计算每一个实例正在被多少属性，常量和变量所引用。哪怕实例的引用数为1，ARC都不会销毁这个实例。

为了使上述成为可能，无论你将实例赋值给属性、常量或变量，它们都会创建此实例的强引用。之所以称之为“强”引用，是因为它会将实例牢牢地保持住，只要强引用还在，实例是不允许被销毁的。

自动引用计数实践

下面的例子展示了自动引用计数的工作机制。例子以一个简单的Person类开始，并定义了一个叫name的常量属性：

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

Person类有一个构造函数，此构造函数为实例的name属性赋值，并打印一条消息以表明初始化过程生效。Person类也拥有一个析构函数，这个析构函数会在实例被销毁时打印一条消息。

接下来的代码片段定义了三个类型为Person?的变量，用来按照代码片段中的顺序，为新的Person实例建立多个引用。由于这些变量是被定义为可选类型（Person?，而不是Person），它们的值会被自动初始化为nil，目前还不会引用到Person类的实例。

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

现在你可以创建Person类的新实例，并且将它赋值给三个变量中的一个：

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

应当注意到当你调用Person类的构造函数的时候，"John Appleseed is being initialized"会被打印出来。由此可以确定构造函数被执行。

由于Person类的新实例被赋值给了reference1变量，所以reference1到Person类的新实例之间建立了一个强引用。正是因为这一个强引用，ARC 会保证Person实例被保持在内存中不被销毁。

如果你将同一个Person实例也赋值给其他两个变量，该实例又会多出两个强引用：

reference2 = reference1
reference3 = reference1

现在这一个Person实例已经有三个强引用了。

如果你通过给其中两个变量赋值nil的方式断开两个强引用（包括最先的那个强引用），只留下一个强引用，Person实例不会被销毁：

reference1 = nil
reference2 = nil

在你清楚地表明不再使用这个Person实例时，即第三个也就是最后一个强引用被断开时，ARC 会销毁它：

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

类实例之间的循环强引用

在上面的例子中，ARC 会跟踪你所新创建的Person实例的引用数量，并且会在Person实例不再被需要时销毁它。

然而，我们可能会写出一个类实例的强引用数永远不能变成0的代码。如果两个类实例互相持有对方的强引用，因而每个实例都让对方一直存在，就是这种情况。这就是所谓的循环强引用。

你可以通过定义类之间的关系为弱引用或无主引用，以替代强引用，从而解决循环强引用的问题。具体的过程在解决类实例之间的循环强引用中有描述。

解决实例之间的循环强引用

Swift 提供了两种办法用来解决你在使用类的属性时所遇到的循环强引用问题：弱引用（weak reference）和无主引用（unowned reference）。

弱引用和无主引用允许循环引用中的一个实例引用而另外一个实例不保持强引用。这样实例能够互相引用而不产生循环强引用。

当其他的实例有更短的生命周期时，使用弱引用，也就是说，当其他实例析构在先时。在上面公寓的例子中，很显然一个公寓在它的生命周期内会在某个时间段没有它的主人，所以一个弱引用就加在公寓类里面，避免循环引用。相比之下，当其他实例有相同的或者更长生命周期时，请使用无主引用。

弱引用

弱引用不会对其引用的实例保持强引用，因而不会阻止 ARC 销毁被引用的实例。这个特性阻止了引用变为循环强引用。声明属性或者变量时，在前面加上weak关键字表明这是一个弱引用。

因为弱引用不会保持所引用的实例，即使引用存在，实例也有可能被销毁。因此，ARC 会在引用的实例被销毁后自动将其赋值为nil。并且因为弱引用可以允许它们的值在运行时被赋值为nil，所以它们会被定义为可选类型变量，而不是常量。

你可以像其他可选值一样，检查弱引用的值是否存在，你将永远不会访问已销毁的实例的引用。

> 注意
> 当 ARC 设置弱引用为`nil`时，属性观察不会被触发。

下面的例子跟上面`Person`和`Apartment`的例子一致，但是有一个重要的区别。这一次，`Apartment`的`tenant`属性被声明为弱引用：

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

class Apartment {
let unit: String
init(unit: String) { self.unit = unit }
weak var tenant: Person?
deinit { print("Apartment (unit) is being deinitialized") }
}

注意
在使用垃圾收集的系统里，弱指针有时用来实现简单的缓冲机制，因为没有强引用的对象只会在内存压力触发垃圾收集时才被销毁。但是在 ARC 中，一旦值的最后一个强引用被移除，就会被立即销毁，这导致弱引用并不适合上面的用途。

无主引用

和弱引用类似，无主引用不会牢牢保持住引用的实例。和弱引用不同的是，无主引用在其他实例有相同或者更长的生命周期时使用。你可以在声明属性或者变量时，在前面加上关键字unowned表示这是一个无主引用。

无主引用通常都被期望拥有值。不过 ARC 无法在实例被销毁后将无主引用设为nil，因为非可选类型的变量不允许被赋值为nil。

重要
使用无主引用，你必须确保引用始终指向一个未销毁的实例。
如果你试图在实例被销毁后，访问该实例的无主引用，会触发运行时错误。

无主引用以及隐式解析可选属性

上面弱引用和无主引用的例子涵盖了两种常用的需要打破循环强引用的场景。

Person和Apartment的例子展示了两个属性的值都允许为nil，并会潜在的产生循环强引用。这种场景最适合用弱引用来解决。

Customer和CreditCard的例子展示了一个属性的值允许为nil，而另一个属性的值不允许为nil，这也可能会产生循环强引用。这种场景最适合通过无主引用来解决。

然而，存在着第三种场景，在这种场景中，两个属性都必须有值，并且初始化完成后永远不会为nil。在这种场景中，需要一个类使用无主属性，而另外一个类使用隐式解析可选属性。

这使两个属性在初始化完成后能被直接访问（不需要可选展开），同时避免了循环引用。这一节将为你展示如何建立这种关系。

下面的例子定义了两个类，Country和City，每个类将另外一个类的实例保存为属性。在这个模型中，每个国家必须有首都，每个城市必须属于一个国家。为了实现这种关系，Country类拥有一个capitalCity属性，而City类有一个country属性：

class Country {
    let name: String
    var 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
    }
}

为了建立两个类的依赖关系，City的构造函数接受一个Country实例作为参数，并且将实例保存到country属性。

Country的构造函数调用了City的构造函数。然而，只有Country的实例完全初始化后，Country的构造函数才能把self传给City的构造函数。在两段式构造过程中有具体描述。

为了满足这种需求，通过在类型结尾处加上感叹号（City!）的方式，将Country的capitalCity属性声明为隐式解析可选类型的属性。这意味着像其他可选类型一样，capitalCity属性的默认值为nil，但是不需要展开它的值就能访问它。在隐式解析可选类型中有描述。

由于capitalCity默认值为nil，一旦Country的实例在构造函数中给name属性赋值后，整个初始化过程就完成了。这意味着一旦name属性被赋值后，Country的构造函数就能引用并传递隐式的self。Country的构造函数在赋值capitalCity时，就能将self作为参数传递给City的构造函数。

以上的意义在于你可以通过一条语句同时创建Country和City的实例，而不产生循环强引用，并且capitalCity的属性能被直接访问，而不需要通过感叹号来展开它的可选值：

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

在上面的例子中，使用隐式解析可选值意味着满足了类的构造函数的两个构造阶段的要求。capitalCity属性在初始化完成后，能像非可选值一样使用和存取，同时还避免了循环强引用。

闭包引起的循环强引用

前面我们看到了循环强引用是在两个类实例属性互相保持对方的强引用时产生的，还知道了如何用弱引用和无主引用来打破这些循环强引用。

循环强引用还会发生在当你将一个闭包赋值给类实例的某个属性，并且这个闭包体中又使用了这个类实例时。这个闭包体中可能访问了实例的某个属性，例如self.someProperty，或者闭包中调用了实例的某个方法，例如self.someMethod()。这两种情况都导致了闭包“捕获”self，从而产生了循环强引用。

循环强引用的产生，是因为闭包和类相似，都是引用类型。当你把一个闭包赋值给某个属性时，你是将这个闭包的引用赋值给了属性。实质上，这跟之前的问题是一样的——两个强引用让彼此一直有效。但是，和两个类实例不同，这次一个是类实例，另一个是闭包。

Swift 提供了一种优雅的方法来解决这个问题，称之为闭包捕获列表（closure capture list）。同样的，在学习如何用闭包捕获列表打破循环强引用之前，先来了解一下这里的循环强引用是如何产生的，这对我们很有帮助。

下面的例子为你展示了当一个闭包引用了self后是如何产生一个循环强引用的。例子中定义了一个叫HTMLElement的类，用一种简单的模型表示 HTML 文档中的一个单独的元素：

class HTMLElement {

    let name: String
    let text: String?

    lazy var asHTML: (Void) -> 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 {
        print("\(name) is being deinitialized")
    }

}

注意
虽然闭包多次使用了self，它只捕获HTMLElement实例的一个强引用。

解决闭包引起的循环强引用

在定义闭包时同时定义捕获列表作为闭包的一部分，通过这种方式可以解决闭包和类实例之间的循环强引用。捕获列表定义了闭包体内捕获一个或者多个引用类型的规则。跟解决两个类实例间的循环强引用一样，声明每个捕获的引用为弱引用或无主引用，而不是强引用。应当根据代码关系来决定使用弱引用还是无主引用。

注意
Swift 有如下要求：只要在闭包内使用self的成员，就要用self.someProperty或者self.someMethod()（而不只是someProperty或someMethod()）。这提醒你可能会一不小心就捕获了self。

定义捕获列表

捕获列表中的每一项都由一对元素组成，一个元素是weak或unowned关键字，另一个元素是类实例的引用（例如self）或初始化过的变量（如delegate = self.delegate!）。这些项在方括号中用逗号分开。

如果闭包有参数列表和返回类型，把捕获列表放在它们前面：

lazy var someClosure: (Int, String) -> String = {
    [unowned self, weak delegate = self.delegate!] (index: Int, stringToProcess: String) -> String in
    // 这里是闭包的函数体
}

如果闭包没有指明参数列表或者返回类型，即它们会通过上下文推断，那么可以把捕获列表和关键字in放在闭包最开始的地方：

lazy var someClosure: Void -> String = {
    [unowned self, weak delegate = self.delegate!] in
    // 这里是闭包的函数体
}

弱引用和无主引用

在闭包和捕获的实例总是互相引用并且总是同时销毁时，将闭包内的捕获定义为无主引用。

相反的，在被捕获的引用可能会变为nil时，将闭包内的捕获定义为弱引用。弱引用总是可选类型，并且当引用的实例被销毁后，弱引用的值会自动置为nil。这使我们可以在闭包体内检查它们是否存在。

注意
如果被捕获的引用绝对不会变为nil，应该用无主引用，而不是弱引用。