前言

weak弱引用的相關(guān)內(nèi)容在開(kāi)發(fā)中常遇到，那么這篇文章我們主要探索weak的底層操作是什么樣子的，開(kāi)始吧！

準(zhǔn)備工作

• Objc-818.2

1. weak基本用法

weak是弱引用，用weak來(lái)修飾、描述所引用對(duì)象的計(jì)數(shù)器并不會(huì)增加，而且weak會(huì)在引用對(duì)象被釋放的時(shí)候自動(dòng)置為nil，這也就避免了野指針訪問(wèn)壞內(nèi)存而引起奔潰的情況，另外weak也可以解決循環(huán)引用。

面試拓展：為什么修飾代理使用weak而不是用assign？
assign可用來(lái)修飾基本數(shù)據(jù)類型，也可修飾OC的對(duì)象，但如果用 assign修飾對(duì)象類型指向的是一個(gè)強(qiáng)指針，當(dāng)指向的這個(gè)指針釋放之后，它仍指向這塊內(nèi)存，必須要手動(dòng)給置為nil，否則會(huì)產(chǎn)生野指針，如果還通過(guò)此指針操作那塊內(nèi)存，會(huì)導(dǎo)致EXC_BAD_ACCESS錯(cuò)誤，調(diào)用了已經(jīng)被釋放的內(nèi)存空間；而weak只能用來(lái)修飾OC對(duì)象，而且相比assign比較安全，如果指向的對(duì)象消失了，那么它會(huì)自動(dòng)置為nil，不會(huì)導(dǎo)致野指針。

2. weak的實(shí)現(xiàn)原理

Runtime維護(hù)了一個(gè)weak表，用于存儲(chǔ)指向某個(gè)對(duì)象的所有weak指針。weak表其實(shí)是一個(gè)hash（哈希）表，Key是所指對(duì)象的地址，Value是weak指針的地址 （這個(gè)地址的值是所指對(duì)象的地址）數(shù)組。

weak的實(shí)現(xiàn)原理可以概括一下三步：

• 初始化時(shí)：runtime會(huì)調(diào)用objc_initWeak函數(shù)，初始化一個(gè)新的weak指針指向對(duì)象的地址。
• 添加引用時(shí)：objc_initWeak函數(shù)會(huì)調(diào)用objc_storeWeak()函數(shù)，objc_storeWeak()的作用是更新指針指向，創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的弱引用表。
• 釋放時(shí)：調(diào)用clearDeallocating函數(shù)。clearDeallocating函數(shù)首先根據(jù)對(duì)象地址獲取所有weak指針地址的數(shù)組，然后遍歷這個(gè)數(shù)組把其中的數(shù)據(jù)設(shè)為nil，最后把這個(gè)entry從weak表中刪除，最后清理對(duì)象的記錄。

3. weak底層原理探索

以下案例就是使用一個(gè)臨時(shí)變量obc1來(lái)存儲(chǔ)創(chuàng)建出來(lái)的變量，代碼如下：

    NSObject * objc1 = [[NSObject alloc] init];
    id  __weak objc2 = objc1;

注意：
一般情況下，我們不會(huì)直接用__weak來(lái)修飾一個(gè)剛創(chuàng)建出來(lái)的臨時(shí)變量，因?yàn)?code>__weak修飾這個(gè)變量，運(yùn)行時(shí)一創(chuàng)建出來(lái)就會(huì)釋放，而如果使用一個(gè)臨時(shí)變量objc1話，創(chuàng)建出來(lái)后會(huì)放到自動(dòng)釋放池中，延緩這個(gè)變量的生命周期，變量的生命周期會(huì)跟著自動(dòng)釋放池自動(dòng)保持，所以這樣能夠保證不會(huì)一創(chuàng)建出來(lái)就會(huì)釋放。

然后我們運(yùn)行代碼，打開(kāi)匯編斷點(diǎn)查看底層調(diào)用了什么方法，如下：

打開(kāi)匯編斷點(diǎn)

進(jìn)入?yún)R編斷點(diǎn)

4. 初始化源碼分析

進(jìn)入objc_initWeak的內(nèi)部添加斷點(diǎn)，進(jìn)行lldb調(diào)試。

• objc_initWeak分析
  在libobjc.dylib源碼中成功定位到了初始化過(guò)程，同時(shí)objc_initWeak傳入了兩個(gè)參數(shù)，location即弱引用的地址（存儲(chǔ)在棧中)，newObjc也就是創(chuàng)建的對(duì)象（存儲(chǔ)在堆中）。見(jiàn)下圖：
  
  objc_initWeak內(nèi)部斷點(diǎn)
  
  根據(jù)以上的源碼，可以分析得出：
• 首先會(huì)判斷對(duì)象是否為空，如果為空直接返回nil。
• 如果不為空，則會(huì)調(diào)用stroeWeak方法進(jìn)行存儲(chǔ)。
• location是弱引用的地址；
• newObjc是一個(gè)對(duì)象，在底層對(duì)象的實(shí)現(xiàn)就是objc_object。

注意：object必須是一個(gè)沒(méi)有被注冊(cè)為_(kāi)_weak對(duì)象的有效指針。

4.1數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析

在分析方法之前進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的分析是非常必要的！系統(tǒng)維護(hù)了一個(gè)SideTables，那么SideTable散列表為什么有多張？一張表不安全，太多了性能不好。真機(jī)下8張表，其他環(huán)境下64張，散列表也是一張hash表。而SideTables是一個(gè)hash表，綜合了鏈表和數(shù)組的特點(diǎn)。拉鏈法，同一個(gè)hash可以放在同一個(gè)表中。

1. 散列表SideTable

struct SideTable {
    //自旋鎖
    spinlock_t slock;
    //引用計(jì)數(shù)
    RefcountMap refcnts;
     //對(duì)象的弱引用表
    weak_table_t weak_table;
    .....
    //后面還有一些對(duì)鎖的操作
}

SideTable是個(gè)結(jié)構(gòu)體，其屬性包括：自旋鎖、引用計(jì)數(shù)表和弱引用依賴表。
2. 弱引用表weak_table

struct weak_table_t {
    //保存了所有指向指定對(duì)象的 weak 指針
    weak_entry_t *weak_entries;
    //存儲(chǔ)空間
    size_t    num_entries;
    //哈希算法輔助值（掩碼）
    uintptr_t mask;
    //最大偏移量
    uintptr_t max_hash_displacement;
};

weak表是一個(gè)弱引用表，實(shí)現(xiàn)為一個(gè)weak_table_t結(jié)構(gòu)體，存儲(chǔ)了某個(gè)對(duì)象相關(guān)的所有的弱引用信息，這是一個(gè)hash表。使用不定類型對(duì)象的地址作為key，用weak_entry_t類型結(jié)構(gòu)體對(duì)象作為value。其中的weak_entries成員，即為弱引用表入口。

3. weak_entry_t

struct weak_entry_t {
    DisguisedPtr<objc_object> referent;
    union {
        struct {
            weak_referrer_t *referrers;
            uintptr_t        out_of_line_ness : 2;
            uintptr_t        num_refs : PTR_MINUS_2;
            uintptr_t        mask;
            uintptr_t        max_hash_displacement;
        };
        struct {
            //最開(kāi)始會(huì)存放到inline_referrers, 放滿之后存放到上面的 referrers
            // out_of_line_ness field is low bits of inline_referrers[1]
            weak_referrer_t  inline_referrers[WEAK_INLINE_COUNT];
        };
    };
    ......
    //還有一些結(jié)構(gòu)體提供的方法
}

弱引用實(shí)體，有兩個(gè)屬性，一個(gè)對(duì)象，另一個(gè)屬性是一個(gè)聯(lián)合體，其中包含弱引用的數(shù)組。

數(shù)據(jù)關(guān)系圖：

關(guān)系圖

4.2 objc_storeWeak分析

結(jié)束完所需類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析后，我們就開(kāi)始進(jìn)入核心方法的流程分析了，即分析objc_storeWeak方法，該方法主要分為三個(gè)功能，如下：

• 1. 判斷應(yīng)用是否存在值

     
     
     功能1

• 2. 如果有舊值，將舊值清除

     
     
     功能2
• 有新增，重新初始化
  
  功能3
  
  根據(jù)上面的源碼可以知道，objc_storeWeak主要做了以下的三點(diǎn)：
• 對(duì)當(dāng)前引用的數(shù)據(jù)處理判斷，判斷該引用是否存在舊值以及是否指向了新值；
• 如果引用當(dāng)前有指向的值，即存在舊值，則需要將舊值清除；
• 同時(shí)如果引用指向了新的對(duì)象，即存在新值，則需要進(jìn)行對(duì)應(yīng)對(duì)象弱引用的初始化工作。

我們從弱引用指向一個(gè)新值開(kāi)始探索，整理其核心代碼如下：

 if (haveNew) {
       //根據(jù)對(duì)象回去對(duì)應(yīng)的散列表
        newTable = &SideTables()[newObj];
    }
 if (haveNew) {
       // 從散列表中獲取弱引用表，并傳入
        newObj = (objc_object *)
            weak_register_no_lock(&newTable->weak_table, (id)newObj, location, 
                                  crashIfDeallocating ? CrashIfDeallocating : ReturnNilIfDeallocating);
        // weak_register_no_lock returns nil if weak store should be rejected

        // Set is-weakly-referenced bit in refcount table.
        if (!newObj->isTaggedPointerOrNil()) {
            newObj->setWeaklyReferenced_nolock();
        }

        // Do not set *location anywhere else. That would introduce a race.
        *location = (id)newObj;
    }

進(jìn)入weak_register_no_lock流程。代碼如下：

//對(duì)象對(duì)應(yīng)的全局弱引用表，對(duì)象指針，弱引用指針
id 
weak_register_no_lock(weak_table_t *weak_table, id referent_id, 
                      id *referrer_id, WeakRegisterDeallocatingOptions deallocatingOptions)
{
    //對(duì)象
    objc_object *referent = (objc_object *)referent_id;
    //弱引用指針
    objc_object **referrer = (objc_object **)referrer_id;

  ......

    // now remember it and where it is being stored
    weak_entry_t *entry;
    //根據(jù)弱引用對(duì)象從weak_table中找出weak_entry_t
    if ((entry = weak_entry_for_referent(weak_table, referent))) {
        //將弱引用指針加入entry
        append_referrer(entry, referrer);
    } 
    else {
        //通過(guò)弱引用指針與對(duì)象創(chuàng)建new_entry
        weak_entry_t new_entry(referent, referrer);
        //weak_table擴(kuò)容
        weak_grow_maybe(weak_table);
        //將new_entry插入weak_table
        weak_entry_insert(weak_table, &new_entry);
    }

    // Do not set *referrer. objc_storeWeak() requires that the 
    // value not change.
    //返回對(duì)象
    return referent_id;
}

• 在weak_table中找到對(duì)象對(duì)應(yīng)的weak_entry_t。
• 找到對(duì)應(yīng)的weak_entry_t調(diào)用append_referrer將弱引用指針加入weak_entry_t（因?yàn)獒尫胚^(guò)程中有置空操作，所以找空位nil加入，這個(gè)過(guò)程中可能會(huì)進(jìn)行擴(kuò)容）。
• 找不到則根據(jù)對(duì)象和弱引用指針創(chuàng)建weak_entry_t。
  • 調(diào)用weak_grow_maybe嘗試擴(kuò)容。
  • 調(diào)用weak_entry_insert將創(chuàng)建的weak_entry_t加入weak_table。

方法所傳入的前三個(gè)參數(shù)分別為：弱引用表、對(duì)象、弱引用。該方法會(huì)判斷對(duì)象是否析構(gòu)，如果有就不會(huì)處理，直接返回。如果沒(méi)有，則會(huì)通過(guò)weak_entry_for_referent方法獲取對(duì)象對(duì)應(yīng)的weak_entry_t見(jiàn)下圖：

weak_entry_for_referent

append_referrer

如果弱引用存在舊值，具體操作是什么樣子的呢？以下是核心代碼：

    if (haveOld) {
        weak_unregister_no_lock(&oldTable->weak_table, oldObj, location);
    }

進(jìn)入weak_unregister_no_lock方法，如下：

weak_unregister_no_lock

remove_referrer

5. 弱引用的清除流程

當(dāng)一個(gè)對(duì)象調(diào)用dealloc方法時(shí)，其弱引用處理流程見(jiàn)下面代碼：

        - (void)dealloc {
            _objc_rootDealloc(self);
        }

        void _objc_rootDealloc(id obj)
        {
            ASSERT(obj);
            obj->rootDealloc();
        }

        inline void objc_object::rootDealloc()
        {
            if (isTaggedPointer()) return;  // fixme necessary?
            if (fastpath(isa.nonpointer                     &&
                         !isa.weakly_referenced             &&
                         !isa.has_assoc                     &&
        #if ISA_HAS_CXX_DTOR_BIT
                         !isa.has_cxx_dtor                  &&
        #else
                         !isa.getClass(false)->hasCxxDtor() &&
        #endif
                         !isa.has_sidetable_rc))
            {
                assert(!sidetable_present());
                free(this);
            } 
            else {
                object_dispose((id)this);
            }
        }

        id object_dispose(id obj)
        {
            if (!obj) return nil;
            objc_destructInstance(obj);    
            free(obj);
            return nil;
        }

        void *objc_destructInstance(id obj) 
        {
            if (obj) {
                // Read all of the flags at once for performance.
                bool cxx = obj->hasCxxDtor();
                bool assoc = obj->hasAssociatedObjects();

                // This order is important.
                if (cxx) object_cxxDestruct(obj);
                if (assoc) _object_remove_assocations(obj, /*deallocating*/true);
                obj->clearDeallocating();
            }
            return obj;
        }

        inline void objc_object::clearDeallocating()
        {
            if (slowpath(!isa.nonpointer)) {
                // Slow path for raw pointer isa.
                sidetable_clearDeallocating();
            }
            else if (slowpath(isa.weakly_referenced  ||  isa.has_sidetable_rc)) {
                // Slow path for non-pointer isa with weak refs and/or side table data.
                clearDeallocating_slow();
            }
            assert(!sidetable_present());
        }

最終會(huì)調(diào)用clearDeallocating方法對(duì)弱引用進(jìn)行處理。針對(duì)有弱引用的對(duì)象，會(huì)調(diào)用clearDeallocating_slow();方法，最終的弱引用清除的處理流程在weak_clear_no_lock中。見(jiàn)下圖：

weak_clear_no_lock

補(bǔ)充：弱引用存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

弱引用存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖