内存管理（五）copy
2020-10-15
| 2024-6-7
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本文将主要讲述拷贝这个操作以及copy关键字，大部分是实际代码应用的部分，示例代码参考-copy。

一、拷贝

关于拷贝，要了解两个点：
  • 为什么要拷贝？
  • 如何拷贝？
notion image

二、纯量类型的拷贝

一般来讲，标准的拷贝，指的是简单的赋值操作的调用，也就是使用 = 操作符来赋值一个变量给另一个变量，比如说:
int a = 5;
int b = a;
那么b就获得了一份a的拷贝，b和a的内存地址是不同的，他们各占不同的内存区域。
但是如果你这种方式企图复制一个Core Foundation对象，那么复制的仅仅是对象的引用，而对象本身并没有得到实际的复制。
纯量类型的拷贝简单直接，而对象类型的拷贝，就复杂的多。原因在于两点：
  • 对象类型有不同的分类，主要分为容器类对象和非容器类对象；
  • 对象类型要处理更复杂的结构，针对对象中成员变量的处理；

三、非容器类对象

我们先从最常用的字符串对象说起，不过不管是容器类对象还是非容器类对象，copy返回不可变对象，mutablecopy返回可变对象。

3.1 NSString

对NSString对象进行copy是浅拷贝，而mutableCopy是深拷贝。我们可以简单理解：
  • copy是为了拷贝出一个不可变对象，而NSString源对象本身就是不可变对象，系统为了性能和内存优化的考虑，自然只简单增加引用，进行浅拷贝。
  • mutableCopy是为了拷贝出一个可变对象，其在之后可能改变，那么为了不影响源NSString对象，自然要拷贝出一个新对象，进行深拷贝。
针对上面的理解，系统和我们的理解其实是完全一致的。看下面代码实例：
- (void)stringCopy
{
    NSString *str1 = [NSString stringWithFormat:@"123"];
    NSString *str2 = [str1 copy];                     //浅拷贝
    NSMutableString *str3 = [str1 mutableCopy];       //深拷贝

    //0xa000000003332313, 0xa000000003332313, 0x1c00524e0
    NSLog(@"%p, %p, %p", str1, str2, str3);
    //-1, -1, 1
    NSLog(@"retainCount: %ld, %ld, %ld ",
          [str1 retainCount],
          [str2 retainCount],
          [str3 retainCount]);

    [str1 release];
    [str2 release];
    [str3 release];
}
上面的打印，与预想中的有所出入：
  • 三个str对象的指针出入巨大，按理说，三个对象均分配在堆中，应该是前后的关系。
  • 三个str对象的引用计数更让人摸不着头脑，按上面的分析，str1、str2的引用计数为2，而不是1，何况1又是什么引用计数。
其实这两个问题，本质上，都是由于Tagged Pointer计数引起的。
Tagged Pointer对象会将数据，即"123"，直接存入指针，而str1为什么要采用Tagged Pointer，str3不用，因为系统对str1进行Tagged Pointer存储，好处很多，也不会有变化的可能。而str3是可变对象，就导致了其不可能存在于指针中，否则每次改变都要检查指针是否可以存储，这样实际更为浪费。
NSSting拷贝总结：
  • 非容器类不可变对象的copy是浅拷贝；
  • 非容器类不可变对象的mutableCopy是深拷贝。
notion image

3.2 NSMutableString

针对可变字符串对象NSMutableString对象，假如源对象为str1，分别进行两种拷贝操作：
  • copy：str1是可变对象，要产生一个不可变对象，所以只能新建对象，即深拷贝。
  • mutableCopy：str1是可变对象，要产生另外一个可变对象，而且两个可变对象之间不能相互影响，当然也是新建对象，即深拷贝。
如下是，代码示例：
- (void)mutableStringCopy
{
    NSMutableString *str1 = [NSMutableString stringWithString:@"123"];
    NSString *str2 = [str1 copy];                     //深拷贝
    NSMutableString *str3 = [str1 mutableCopy];       //深拷贝
}
NSMutableString拷贝总结：
  • 非容器类可变对象的copy、mutableCopy都是深拷贝。
notion image

四、容器类对象

其实在上面，理解了非容器内对象拷贝的本质，或者对象拷贝的本质之后，你会发现只要遵循：
  • 拷贝的目的：拷贝得到的目标对象与源对象互不影响；
  • 拷贝方法：copy拷贝得到不可变对象，mutableCopy拷贝得到可变对象。
再从系统对对象的存储优化及性能方面出发，就能对拷贝这回事，理解的八九不离十。
  • 两个不可变对象，是否有必要保留两份内存对象？
  • Tagged Pointer技术什么时候使用，效率最大化？

4.1 NSArray

针对容器对象，我们对容器本身，可以直接得知：copy是浅拷贝，mutableCopy是深拷贝的结论。主要看容器内的元素如何：
- (void)arrayCopy
{
    //copy返回不可变对象，mutablecopy返回可变对象
    //浅拷贝：arr2是和arr1同一个对象，其内部元素浅拷贝
    //深拷贝：arr3是arr1的可变副本，指向不同的对象，其内部元素浅拷贝
    NSArray *arr1 = [NSArray arrayWithObjects:[NSMutableString stringWithString:@"a"],@"b",@"c",nil];
    NSArray *arr2 = [arr1 copy];
    NSMutableArray *arr3 = [arr1 mutableCopy];
    //arr[0]: 0x1c00525a0, 0x1c00525a0, 0x1c00525a0     //浅拷贝
    NSLog(@"arr[0]: %p, %p, %p", arr1[0], arr2[0], arr3[0]);
    //arr[0] retainCount: 3, 3, 3
    NSLog(@"arr[0] retainCount: %ld, %ld, %ld ",
          [arr1[0] retainCount],
          [arr2[0] retainCount],
          [arr3[0] retainCount]);
}
最后我们发现，容器内元素不管是哪种拷贝，都是浅拷贝。
NSArray拷贝总结：
  • 不可变对象的copy是浅拷贝，不可变对象的mutableCopy是深拷贝；
  • 容器内元素都是浅拷贝。

4.2 NSMutableArray

遵循上面方式，我们直接如下有测试代码：
- (void)mutableArrayCopy
{
    //copy返回不可变对象，mutablecopy返回可变对象
    //深拷贝：arr2是和arr1是不同对象，其内部元素是浅拷贝
    //深拷贝：arr3也是和arr1不同对象，其内部元素是浅拷贝
    NSMutableArray *arr1 = [NSMutableArray arrayWithObjects:[NSMutableString stringWithString:@"a"],@"b",@"c", nil];
    NSArray *arr2 = [arr1 copy];
    NSMutableArray *arr3 = [arr1 mutableCopy];

    //arr[0]: 0x1c0052540, 0x1c0052540, 0x1c0052540
    NSLog(@"arr[0]: %p, %p, %p", arr1[0], arr2[0], arr3[0]);
    //arr[0] retainCount: 3, 3, 3
    NSLog(@"arr[0] retainCount: %ld, %ld, %ld ",
          [arr1[0] retainCount],
          [arr2[0] retainCount],
          [arr3[0] retainCount]);
}
NSMutableArray拷贝总结：
  • 可变对象的copy，mutableCopy都是深拷贝；
  • 容器内元素都是浅拷贝。

4.3 元素的深拷贝

针对容器对象的讨论似乎到此结束了，但是我们有个需求：如何对容器内的元素进行深拷贝。系统给我们提供了两种方案：

4.3.1 copyItems

调用容器类对象的copyItems方法：
//NSArray
- (instancetype)initWithArray:(NSArray<ObjectType> *)array copyItems:(BOOL)flag;
//NSDictionray
- (instancetype)initWithDictionary:(NSDictionary<KeyType, ObjectType> *)otherDictionary copyItems:(BOOL)flag;
如下：
BFPerson *person = [[BFPerson alloc] init];
NSMutableArray *strArr = [NSMutableArray arrayWithObjects:@"a", nil];
NSArray *arr1 = [NSArray arrayWithObjects:strArr,
                     [NSMutableString stringWithString:@"b"],person,@"c", nil];
NSArray *arr2 = [[NSArray alloc] initWithArray:arr1 copyItems:YES];
copyItems为YES，表示将对容器内元素最顶层结构的对象发送copyWithZone:消息，比如在上面只对strArr发送copyWithZone:，而其内部的元素@"a"并不会发送。
这样就会有一个问题，拷贝后获得的容器对象，其中的元素很大程度上依赖元素各自的copyWithZone:实现，因此可能会导致拷贝后，对象类型改变，比如容器内为NSMutableArr对象元素拷贝后，成了NSArray类型。

4.3.2 NSCoding协议

容器内的元素都实现NSCoding协议，并且通过NSKeyedArchiver归档对象，然后通过NSKeyedUnarchiver解档对象，能成功将对象进行全面的拷贝，不但是深拷贝，而且能保证对象类型不会变化。
BFPerson *person = [[BFPerson alloc] init];
NSArray *arr1 = [NSArray arrayWithObjects:[NSMutableArray arrayWithObjects:@"a", nil],
                     [NSMutableString stringWithString:@"b"],person, @"c",nil];
NSArray *arr2 = [NSKeyedUnarchiver unarchiveObjectWithData: [NSKeyedArchiver archivedDataWithRootObject:arr1]];
但是，该实现有个缺陷，就是成本过高，性能较差。
下面是NSCoding协议实现的一个示例：
@interface BFPerson : NSObject<NSCopying, NSCoding>
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@property (nonatomic, assign) NSInteger age;
@property (nonatomic, strong) NSMutableArray *data;
@end

@implementation BFPerson
//解档
- (instancetype)initWithCoder:(NSCoder *)aDecoder
{
    if (self = [super init]) {
        self.name = [aDecoder decodeObjectForKey:@"name"];
        self.age = [aDecoder decodeIntegerForKey:@"age"];
        self.data = [aDecoder decodeObjectForKey:@"data"];
    }
    return self;
}
//归档
- (void)encodeWithCoder:(NSCoder *)aCoder
{
    [aCoder encodeObject:self.name forKey:@"name"];
    [aCoder encodeInteger:self.age forKey:@"age"];
    [aCoder encodeObject:self.data forKey:@"data"];
}

@end

五、自定义对象的拷贝

如果自定义对象想要支持copy操作，需要将自定义类实现NSCopying协议，该协议有如下方法支持copy操作。
@protocol NSCopying
- (id)copyWithZone:(nullable NSZone *)zone;
@end
另外，要支持mutabCopy，需要实现NSMutableCopying的-mutableCopyWithZone:方法。
实现如下：
@implementation BFPerson
- (id)copyWithZone:(NSZone *)zone
{
    BFPerson *person = [[BFPerson alloc] init];
    person.name = self.name;
    person.age = self.age;
    return person;
}
@end

六、属性

作为@property内存管理语义的一个，copy的setter实现，我们在内存管理（三）MRC与ARC有提到：
- (void)setName:(NSString *)name
{
    if (_name != name) {
        [_name release];
        _name = [name copy];
    }
}
此时，需要注意的一个问题是，如下声明：
@interface BFPerson : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSMutableArray *data;
@end
声明了一个NSMutableArray的属性data，并且定义了copy，那么不管最后在使用的时候，传入的是可变还是不可变的数组，最后data都是不可变对象。使用时，注意不要产生崩溃。
// ViewController
- (void)copyProperty
{
    BFPerson *tom = [[BFPerson alloc] init];
    tom.name = @"tom";
    tom.age = 10;
    tom.data = [NSMutableArray array];
    //崩溃： -[__NSArray0 addObject:]: unrecognized selector sent to instance 0x1c4010960
    //@property (nonatomic, copy) NSMutableArray *data;
    //因为BFPerson类定义的是copy属性
    [tom.data addObject: @"a"];
}
解决之道，就是将copy声明改为strong。
@property (nonatomic, strong) NSMutableArray *data;

参考

链接
  1. Collections Programming Topics
  1. NSString retain count -1
示例代码
  1. copy
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    • 内存管理（六）autorelease内存管理（四）引用计数与weak
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