面试题：Objective-C中NSHashTable和NSMapTable的内存管理及性能优化

Question

在Objective-C项目中，大量使用NSHashTable和NSMapTable存储大量的对象，可能会导致内存问题和性能瓶颈。请深入分析NSHashTable和NSMapTable内部的内存管理机制，以及在使用过程中可能出现的内存泄漏、过度占用内存等问题。并针对这些问题提出详细的性能优化方案，包括但不限于如何选择合适的存储策略、如何优化遍历操作、如何处理对象生命周期与容器的关系等。同时，分析在ARC和MRC环境下这些优化方案有何不同。

Answer 1

1. NSHashTable 和 NSMapTable 内存管理机制

• NSHashTable：
  • 存储方式：NSHashTable 以散列表的形式存储对象。它使用对象的哈希值来确定存储位置，以提高查找效率。
  • 内存管理：
    • 弱引用：当创建NSHashTable 并指定为弱引用类型时（[NSHashTable weakObjectsHashTable]），NSHashTable 不会对存储的对象保持强引用。这意味着当对象在其他地方释放时，NSHashTable 中的对应引用会自动被设置为 nil。
    • 强引用：如果创建为强引用类型（[NSHashTable strongObjectsHashTable]），NSHashTable 会对存储的对象保持强引用，对象的生命周期会受NSHashTable 影响。
• NSMapTable：
  • 存储方式：NSMapTable 存储键值对，类似于字典。它同样基于散列表结构，通过键的哈希值来确定存储位置。
  • 内存管理：
    • 键值引用类型：NSMapTable 可以对键和值分别设置不同的引用类型，如强引用、弱引用、复制等。例如，可以创建一个键为弱引用，值为强引用的 NSMapTable：[NSMapTable mapTableWithKeyOptions:NSPointerFunctionsWeakMemory valueOptions:NSPointerFunctionsStrongMemory]。这使得其内存管理更为灵活。

2. 可能出现的问题

• 内存泄漏：
  • 强引用情况：在NSHashTable（强引用）或NSMapTable（强引用键/值）中，如果对象在表外没有其他强引用，但表内对其保持强引用，而表本身没有被正确释放，这些对象将无法被释放，从而导致内存泄漏。
  • 对象移除问题：如果没有正确从NSHashTable或NSMapTable中移除不再使用的对象，即使对象在其他地方已无强引用，也会导致内存泄漏。
• 过度占用内存：
  • 大量对象存储：当存储大量对象时，NSHashTable和NSMapTable会占用较多内存。而且，由于散列表的特性，可能会存在一定的空间浪费（如哈希冲突导致的链增长）。
  • 弱引用内存管理开销：在弱引用类型的NSHashTable或NSMapTable中，虽然不会对对象保持强引用，但系统需要额外的机制来管理弱引用，这也会带来一定的内存开销。

3. 性能优化方案

• 选择合适的存储策略：
  • 引用类型选择：
    • 如果对象在表外有足够的强引用，且希望表不影响对象生命周期，使用弱引用类型的NSHashTable或NSMapTable（如在视图控制器的视图已经被其他地方强引用，而只想在NSHashTable中跟踪时）。
    • 如果对象的生命周期需要由表来控制，使用强引用类型。
  • 容器选择：
    • 如果只需要存储对象集合，NSHashTable 是合适的选择。
    • 如果需要存储键值对，NSMapTable 更合适。而且，如果键是对象且可能重复使用，使用弱引用键的NSMapTable可以避免重复创建键对象导致的内存浪费。
• 优化遍历操作：
  • 避免不必要遍历：尽量减少对NSHashTable或NSMapTable的遍历次数。例如，可以在添加/移除对象时更新相关统计信息，而不是每次都遍历整个表来获取统计数据。
  • 快速遍历：使用快速枚举（for (id obj in hashTable) 或 for (id key in mapTable) { id value = [mapTable objectForKey:key]; }），它比传统的 NSEnumerator 遍历更高效。
• 处理对象生命周期与容器的关系：
  • 对象移除：在对象不再需要时，及时从NSHashTable或NSMapTable中移除。例如，在对象的 dealloc 方法中（MRC环境）或在对象生命周期结束前（ARC环境），调用 [hashTable removeObject:obj] 或 [mapTable removeObjectForKey:key]。
  • 自动清理：对于弱引用类型的容器，可以利用对象释放后自动设置为 nil 的特性，在遍历或操作容器时跳过 nil 值，实现自动清理。

4. ARC 和 MRC 环境下优化方案的不同

• ARC（自动引用计数）：
  • 内存管理简化：ARC 自动管理对象的引用计数，减少了手动管理引用计数的错误。在使用NSHashTable和NSMapTable时，无需手动调用 retain、release 等方法。
  • 对象移除：在ARC环境下，对象移除时不需要担心手动释放导致的悬垂指针问题，因为ARC会自动处理。但仍需及时移除不再使用的对象以避免内存泄漏。
• MRC（手动引用计数）：
  • 手动引用管理：在MRC环境下，使用强引用类型的NSHashTable或NSMapTable时，需要手动调用 retain 和 release 方法来管理对象的引用计数。例如，在向强引用的NSHashTable添加对象时，需要先 retain 对象，从表中移除对象时，需要手动 release 对象。
  • 内存泄漏风险：由于手动管理引用计数，MRC环境下更容易出现内存泄漏问题，如忘记 release 对象或过度 release 导致程序崩溃。因此，在MRC环境下更需要谨慎处理对象与容器之间的引用关系。