Cocos2d-x 3.x基础学习：内存管理机制

在3.x版本中，Cocos2d-x采用全新的根类Ref来实现类对象的引用计数记录，引擎中的所有类均派生自Ref。

1、引用计数

引用计数的概念可参考《维基百科》：引用计数。Cocos2d-x通过引用计数来管理内存，具体操作如下：

• 调用retain()方法：使对象的引用计数加1，表示获取该对象的引用权。
• 调用release()方法：在引用结束时，使对象的引用计数值减1，表示释放该对象的引用权。
• 调用autorelease()方法：将对象放入自动释放池。当释放池自身被释放时，会对池中的所有对象执行一次release()方法，实现灵活的垃圾回收。Cocos2d-x提供了AutoreleasePool来管理自动释放对象。

核心类Ref实现了引用计数，以下是其代码定义：

// CCRef.h
class CC_DLL Ref
{
public:
void retain(); // 保留。引用计数+1
void release(); // 释放。引用计数-1
Ref* autorelease(); // 实现自动释放。
unsigned int getReferenceCount() const; // 被引用次数
protected:
Ref(); // 初始化
public:
virtual ~Ref(); // 析构
protected:
unsigned int _referenceCount; // 引用次数
friend class AutoreleasePool; // 自动释放池
};

// CCRef.cpp
// 节点被创建时，引用次数为 1
Ref::Ref() : _referenceCount(1)
{
}

void Ref::retain()
{
CCASSERT(_referenceCount > 0, "reference count should greater than 0");
++_referenceCount;
}

void Ref::release()
{
CCASSERT(_referenceCount > 0, "reference count should greater than 0");
--_referenceCount;
if (_referenceCount == 0)
{
delete this;
}
}

Ref* Ref::autorelease()
{
// 将节点加入自动释放池
PoolManager::getInstance()->getCurrentPool()->addObject(this);
return this;
}

Ref原理分析

• 当一个Ref对象被初始化（即被new出来时），_referenceCount初始值为1。
• 当调用该Ref对象的retain()方法时，_referenceCount加1。
• 当调用该Ref对象的release()方法时，_referenceCount减1。
• 若_referenceCount减为0，则删除该Ref对象。

2、retain()和release()的使用

下面通过一个简单的例子来学习retain()和release()的使用：

TestObject* obj1 = new TestObject("testobj1");
CCLOG("obj1 referenceCount=%d", obj1->getReferenceCount());
obj1->retain();
CCLOG("obj1 referenceCount=%d", obj1->getReferenceCount());
obj1->release();
CCLOG("obj1 referenceCount=%d", obj1->getReferenceCount());
obj1->release();

控制台显示的日志如下：

cocos2d: TestObject:testobj1 is created
cocos2d: obj1 referenceCount=1
cocos2d: obj1 referenceCount=2
cocos2d: obj1 referenceCount=1
cocos2d: TestObject:testobj1 is destroyed

通过上述例子和打印结果可以看出：

• obj1对象创建后，引用计数为1。
• 执行一次retain()后，引用计数变为2。
• 执行一次release()后，引用计数回到1。
• 再执行一次release()后，对象被释放。

因此，我们可以通过调用retain()方法获取对象的引用权，在引用结束时调用release()方法释放引用权，直到对象的引用计数为0时，对象被释放。

3、autorelease()的使用

同样通过一个简单的例子来学习autorelease()的使用，代码如下：

TestObject* obj = new TestObject("testobj");
CCLOG("obj referenceCount=%d", obj->getReferenceCount());
obj->autorelease();
CCLOG("obj is add in currentpool %s", PoolManager::getInstance()->getCurrentPool()->contains(obj) ? "true" : "false");
CCLOG("obj referenceCount=%d", obj->getReferenceCount());
obj->retain();
CCLOG("obj referenceCount=%d", obj->getReferenceCount());
obj->release();
CCLOG("obj referenceCount=%d", obj->getReferenceCount());
// obj in current pool will be release
Director::getInstance()->replaceScene(this);

控制台显示的日志如下：

cocos2d: TestObject:testobj is created
cocos2d: obj referenceCount=1
cocos2d: obj is add in currentpool true
cocos2d: obj referenceCount=1
cocos2d: obj referenceCount=2
cocos2d: obj referenceCount=1
...
cocos2d: TestObject:testobj is destroyed

通过代码和打印结果可知：

• obj对象创建后，引用计数为1。
• 执行一次autorelease()后，obj对象被加入到当前的自动释放池，但引用计数值并未减1。
• 在下一帧开始前，当前的自动释放池会被回收，并对池中的所有对象执行一次release()操作。
• 当对象的引用计数为0时，对象会被释放。
• obj对象执行autorelease()后，又执行了一组retain()和release()操作，此时引用计数仍为1。在场景切换后，当前的自动释放池被回收，obj对象执行一次release()操作后引用计数减为0，对象被释放。

需要注意的是，autorelease()只有在自动释放池被释放时才会进行一次释放操作。如果对象释放的次数超过了应有的次数，这个错误在调用autorelease()时不会被发现，只有当自动释放池被释放时（通常是游戏的每一帧结束时），游戏才会崩溃，此时定位错误会非常困难。例如，在游戏中一个对象含有1个引用计数，但被调用了两次autorelease()，第二次调用时游戏会继续执行这一帧，结束游戏时才会崩溃，很难及时找到出错的地点。因此，在开发过程中应避免滥用autorelease()，只在工厂方法等不得不用的情况下使用，尽量使用release()来释放对象引用。

4、AutoreleasePool类的使用

Cocos2d-x提供了AutoreleasePool来管理自动释放对象，下面通过一个简单的例子讲解其使用方法：

TestObject* obj2 = new TestObject("testobj2");
CCLOG("obj2 referenceCount=%d", obj2->getReferenceCount());
// use AutoreleasePool
{
AutoreleasePool pool;
obj2->retain();
CCLOG("obj2 referenceCount=%d", obj2->getReferenceCount());
obj2->release();
CCLOG("obj2 referenceCount=%d", obj2->getReferenceCount());
obj2->autorelease();
CCLOG("obj2 is add in pool %s", pool.contains(obj2) ? "true" : "false");
TestObject *obj3 = new TestObject("testobj3");
obj3->autorelease();
CCLOG("obj3 is add in pool %s", pool.contains(obj3) ? "true" : "false");
}

控制台输出日志如下：

cocos2d: TestObject:testobj2 is created
cocos2d: obj2 referenceCount=1
cocos2d: obj2 referenceCount=2
cocos2d: obj2 referenceCount=1
cocos2d: obj2 is add in pool true
cocos2d: TestObject:testobj3 is created
cocos2d: obj3 is add in pool true
cocos2d: TestObject:testobj2 is destroyed
cocos2d: TestObject:testobj3 is destroyed

通过代码和输出结果可以看到：

• 创建obj2对象时，其引用计数为1。
• 接着创建一个自动释放池，对obj2对象执行retain()和release()操作后，再执行autorelease()操作，此时obj2对象被加入到当前新建的自动释放池。
• 新建obj3对象并执行autorelease()操作，obj3也被加入到当前新建的自动释放池。
• 在代码块结束后，自动释放池被回收，obj2和obj3执行release()操作，引用计数减为0，对象被释放销毁。

我们可以自己创建AutoreleasePool来管理对象的autorelease操作。虽然Cocos2d-x保证每一帧结束后释放一次释放池，并在下一帧开始前创建一个新的释放池，但如果在一帧之内生成了大量的autorelease对象，会导致释放池性能下降。因此，在生成autorelease对象密集的区域（通常是循环中）的前后，最好手动创建并释放一个回收池，示例如下：

// example of using temple autorelease pool
{
AutoreleasePool pool2;
char name[20];
for (int i = 0; i < 100; ++i)
{
snprintf(name, 20, "object%d", i);
TestObject *tmpObj = new TestObject(name);
tmpObj->autorelease();
}
}

总结

• autorelease()的实质是将对象加入自动释放池，对象的引用计数不会立刻减1，而是在自动释放池被回收时执行release()操作。
• autorelease()并非毫无代价，其背后的释放池机制会占用内存和CPU资源。
• 过多使用autorelease()会增加自动释放池的管理和维护成本，在内存和CPU资源本就不足的程序中会使系统资源更加紧张。
• 此时需要合理创建自动释放池来管理对象的autorelease操作，对于不用的对象，推荐使用release()来释放引用，立即回收。

5、特殊内存管理

5.1、工厂方法create()

在Cocos2d-x中，提供了大量的工厂方法来创建对象，这些对象通常都是自动释放的。以Label的create方法为例：

Label* Label::create()
{
auto ret = new Label();
if (ret)
{
ret->autorelease();
}
return ret;
}

可以发现，创建Label对象后，对其执行了autorelease()操作，表示该对象是自动释放的。Layer、Scene、Sprite等类的create()方法也类似。使用工厂方法创建对象时，虽然引用计数为1，但由于对象已被放入释放池，调用者没有对该对象的引用权，除非人为调用retain()来获取引用权，否则不需要主动释放对象。

5.2、Node的addChild() / removeChild方法

在Cocos2d-x中，所有继承自Node类的对象，在调用addChild方法添加子节点时，会自动调用retain；通过removeChild移除子节点时，会自动调用release。调用addChild方法添加子节点时，节点对象执行retain，子节点被加入到节点容器中，父节点销毁时会销毁节点容器并释放子节点，对子节点执行release。如果想提前移除子节点，可以调用removeChild。在大部分情况下，通过调用addChild/removeChild方法可以自动完成retain和release调用，无需再手动调用。

【内存优化】

1、内存优化原理

为优化应用内存使用，开发人员首先要了解什么最耗应用内存，答案是纹理，纹理几乎会占据90%的应用内存。因此，应尽量最小化应用的纹理内存使用，否则应用可能会因低内存而崩溃。本节介绍Cocos2d-x游戏通用的两条内存优化原理。

1.1、认识瓶颈寻找方案

要了解什么样的纹理最耗应用内存以及这些纹理会消耗多少内存，可使用苹果的工具“Allocation & Leaks”。在Xcode中长按“Run”命令，选择“Profile”即可启动这两个工具。使用Allocation工具可以监控应用的内存使用，使用Leaks工具可以观察内存的泄漏情况。此外，还可以通过一些代码获取游戏内存使用的其他信息，示例如下：

Sprite* bg = Sprite::create("HelloWorld.png");
bg->setPosition(240, 160);
this->addChild(bg);
CCLOG("%s", Director::getInstance()->getTextureCache()->getCachedTextureInfo().c_str());

调用上述代码后，游戏在DEBUG模式下运行，在Xcode控制台窗口会看到格式工整的日志信息，例如：

cocos2d: "****/HelloWorld.png" rc=2 id=3 480 x 320 @ 32 bpp => 600 KB
"/cc_fps_images" rc=5 id=2 999 x 54 @ 16 bpp => 105 KB
TextureCache dumpDebugInfo: 2 textures, for 705 KB (0.69 MB)

从日志中可以看到纹理的名称、引用计数、ID、大小及每像素的位数，最重要的是能显示内存的使用情况，如“cc_fps_images”消耗了105KB内存，“HelloWorld.png”消耗了600KB内存。

1.2、切勿过度优化

这是一个通用的优化规则。在优化过程中，需要进行权衡取舍，因为图像质量和图像内存使用往往是相互矛盾的，千万不要过度优化。

2、内存优化等级

将Cocos2d-x内存优化分为三个等级，每个等级的说明和策略不同。

2.1、客户端等级

这是最重要的优化等级，因为在Cocos2d-x引擎顶层编译游戏时，引擎自身会提供一些优化选项，在这个等级可以进行大部分优化，主要包括优化纹理、音频、字体及粒子的内存使用。

• 纹理优化：影响纹理内存使用的主要因素有纹理格式（压缩还是非压缩）、颜色深度和大小。可以使用PVR格式纹理减少内存使用，推荐纹理格式为pvr.ccz。纹理使用的每种颜色位数越多，图像质量越好，但越耗内存，因此可以使用颜色深度为RGB4444的纹理代替RGB8888，可使内存消耗降低一半。此外，超大的纹理会导致内存相关问题，最好使用中等大小的纹理。
• 音频优化：影响音频文件内存使用的因素有音频文件数据格式、比特率及采样率。推荐使用MP3数据格式的音频文件，因为Android平台和iOS平台均支持MP3格式，且MP3格式经过压缩和硬件加速。背景音乐文件大小应低于800KB，可通过减少背景音乐时间然后重复播放来实现。音频文件采样率大约在96 - 128kbps为佳，比特率44kHz即可。
• 字体和粒子优化：使用BMFont字体显示游戏分数时，应尽可能使用最少数量的文字，例如只显示单位数的数字时，可以移除所有字母。对于粒子，可以通过减少粒子数来降低内存使用。

2.2、引擎等级

此等级需要OpenGL ES及游戏引擎高手。

2.3、C++语言等级

在这个等级中，建议编写无内存泄露的代码，遵循Cocos2d-x内置的内存管理原则，尽量避免内存泄露。

3、提示和技巧

• 一帧一帧载入游戏资源。
• 减少绘制调用，使用“Auto-batching”自动批处理。
• 载入纹理时按照从大到小的顺序。
• 避免高峰内存使用。
• 使用载入屏幕预载入游戏资源。
• 需要时释放空闲资源。
• 收到内存警告后释放缓存资源。
• 使用纹理打包器优化纹理大小、格式、颜色深度等。
• 使用JPG格式要谨慎。
• 请使用RGB4444颜色深度16位纹理。
• 请使用NPOT纹理，不要使用POT纹理。
• 避免载入超大纹理。
• 推荐1024 * 1024 NPOT pvr.ccz纹理集，而不要采用RAW PNG纹理。