內存管理剖析（七）—— weak指針實現原理

iOS引用計數的存儲

我在isa的深入體會一文中介紹過，蘋果從arm64架構開始，對isa進行了優(yōu)化，通過位域計數將更多信息存儲在了isa指針當中，充分利用了isa的內存空間。目前isa的結構如下

union isa_t 
{
    Class cls;
    uintptr_t bits;
    struct {
        uintptr_t nonpointer        : 1;
        uintptr_t has_assoc         : 1;
        uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;
        uintptr_t shiftcls          : 33; // MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x1000000000
        uintptr_t magic             : 6;
        uintptr_t weakly_referenced : 1;
        uintptr_t deallocating      : 1;
        uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;
        uintptr_t extra_rc          : 19;
    };

其中的extra_rc就是用來存放引用計數的，它使用了isa上面的19個二進制為作為存儲空間。extra_rc這個命名含義是額外的引用計數，也就是除了創(chuàng)建時候的那一次retain操作之外，在其他時刻對象進行過retain操作的次數。因此一個對象實際的引用計數 = extra_rc + 1（創(chuàng)建的那一次）。當然extra_rc能夠表達的數量也是有限的，當對象的引用超過了extra_rc的表示范圍之后，isa內部的has_sidetable_rc，用來指示對象的引用計數無法存儲在isa當中，并且將引用計數的值存放到一個叫SideTable的類的屬性當中。SideTable的定義可以在objc源碼的NSObject.mm文件中找到。如下

struct SideTable {
    spinlock_t slock;
    RefcountMap refcnts;
    weak_table_t weak_table;
    }

如果isa存不下引用計數的話，那么引用計數就會被存放在SideTable的refcnts中，從類型RefcountMap可以看出，它實際上是一個散列表的結構（類似OC中的字典）。

weak指針實現原理

我們可以給property屬性設置strong、weak、unsafe_unretained，轉化到成員變量上分別是__strong、__weak、__unsafe_unretained.下面我們來看一下他們的區(qū)別，我們通過下面幾段代碼案例以及運行結果來逐個說明

*********************mian.m***************************
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        
        NSLog(@"臨時作用域開始");
        {
            CLPerson *person = [[CLPerson alloc] init];
            NSLog(@"person對象：%@", person);
        }
        NSLog(@"臨時作用域結束");
        
        NSLog(@"strongPerson：%@", strongPerson);
            
    }
    return 0;
}


*******************運行結果********************
2019-09-02 19:59:00.835983+0800 Block學習[24021:2941713] 臨時作用域開始
2019-09-02 19:59:00.836482+0800 Block學習[24021:2941713] person對象：<CLPerson: 0x100704a60>
2019-09-02 19:59:00.836541+0800 Block學習[24021:2941713] -[CLPerson dealloc]
2019-09-02 19:59:00.836575+0800 Block學習[24021:2941713] 臨時作用域結束
Program ended with exit code: 0

上面這個案例很清晰的說明，局部變量person在出了臨時作用域之后，就釋放了。


*********************mian.m***************************
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
      
        __strong CLPerson *strongPerson;
        
        NSLog(@"臨時作用域開始");
        {
            CLPerson *person = [[CLPerson alloc] init];
            NSLog(@"person對象：%@", person);
            strongPerson = person;
        }
        NSLog(@"臨時作用域結束");
            
        NSLog(@"strongPerson：%@", strongPerson);
    }
    return 0;
}


*******************運行結果********************
2019-09-02 20:00:07.368972+0800 Block學習[24033:2942509] 臨時作用域開始
2019-09-02 20:00:07.369392+0800 Block學習[24033:2942509] person對象：<CLPerson: 0x1007003c0>
2019-09-02 20:00:07.369430+0800 Block學習[24033:2942509] 臨時作用域結束
2019-09-02 20:00:07.369442+0800 Block學習[24033:2942509] strongPerson：<CLPerson: 0x1007003c0>
2019-09-02 20:00:07.369460+0800 Block學習[24033:2942509] -[CLPerson dealloc]
Program ended with exit code: 0

當person被作用域外的__strong指針指向時，可以看到臨時作用域結束之后，person對象并沒有被銷毀，說明__strong指針增加了person的引用計數


*********************mian.m***************************
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
      
        __weak CLPerson *weakPerson;
                
        NSLog(@"臨時作用域開始");
        {
            CLPerson *person = [[CLPerson alloc] init];
            NSLog(@"person對象：%@", person);
            weakPerson = person;
        }
        NSLog(@"臨時作用域結束");
        
        NSLog(@"weakPerson：%@", weakPerson);    
    }
    return 0;
}


*******************運行結果********************
2019-09-02 21:48:58.332332+0800 Block學習[24180:2987983] 臨時作用域開始
2019-09-02 21:48:58.332851+0800 Block學習[24180:2987983] person對象：<CLPerson: 0x100600d20>
2019-09-02 21:48:58.332889+0800 Block學習[24180:2987983] -[CLPerson dealloc]
2019-09-02 21:48:58.332920+0800 Block學習[24180:2987983] 臨時作用域結束
2019-09-02 21:48:58.332938+0800 Block學習[24180:2987983] weakPerson：(null)
Program ended with exit code: 0

當person被作用域外的__weak指針指向時，可以看到臨時作用域結束之后，person和第一種情況一樣，直接釋放了，說明__weak指針沒有增加person的引用計數，并且，person釋放時候，__weak指針被置為nil，防止了野指針錯誤


*********************mian.m***************************
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
      
        __unsafe_unretained CLPerson *unsafePerson;
        
        NSLog(@"臨時作用域開始");
        {
            CLPerson *person = [[CLPerson alloc] init];
            NSLog(@"person對象：%@", person);
            unsafePerson = person; 
        }
        NSLog(@"臨時作用域結束");
        
        NSLog(@"unsafePerson：%@", unsafePerson);    
    }
    return 0;
}


*******************運行結果********************

image

當person被作用域外的__unsafe_unretained指針指向時，可以看到臨時作用域結束之后，person和第一種情況一樣，直接釋放了，說明__unsafe_unretained指針也沒有增加person的引用計數，但是最后卻出現了EXC_BAD_ACCESS報錯，說明是野指針問題。

【這樣就看出了__weak和__unsafe_unretained的區(qū)別就是前者會在對象被釋放的時候自動置為nil，而后者卻不行。 】那么蘋果是如何實現對象釋放后，自動將__weak指針清空的呢？下面我們就從源碼來挖掘一下。

因為__weak指針是在對象釋放的時候被清空的，所以我們從對象的dealloc方法入手，我們可以在objc源碼的NSObject.mm文件中找到dealloc的實現如下

- (void)dealloc {
    _objc_rootDealloc(self);
}
**********************************
void _objc_rootDealloc(id obj)
{
    assert(obj);

    obj->rootDealloc();
}
***********************************
inline void objc_object::rootDealloc()
{
    //??如果是Tagged Pointer，就直接返回
    if (isTaggedPointer()) return;  // fixme necessary?

    /*
    ??如果同時滿足 
    1. 是優(yōu)化過的isa、
    2. 沒有被weak指針引用過、
    3. 沒有關聯對象、
    4. 沒有C++析構函數、
    5. 沒有sideTable，
    就可以直接釋放內存free()
    */
    if (fastpath(isa.nonpointer  &&  
                 !isa.weakly_referenced  &&  
                 !isa.has_assoc  &&  
                 !isa.has_cxx_dtor  &&  
                 !isa.has_sidetable_rc))
    {
        assert(!sidetable_present());
        free(this);
    } 
    else {//否則的話就需要通過下面的函數處理
        object_dispose((id)this);
    }
}

進入object_dispose函數

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.
        //??如果有C++析構函數，就調用一下
        if (cxx) object_cxxDestruct(obj);
        //??如果有關聯對象，就進行關聯對象移除操作
        if (assoc) _object_remove_assocations(obj);
        //??完了之后調用下面的函數
        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());
}

上看的方法里，如果isa是普通指針，就直接調用sidetable_clearDeallocating函數，如果是個優(yōu)化過的isa，那么就走clearDeallocating_slow函數。我們查看一下這兩個函數

image

image

可以看到這兩個函數內部都是通過調用weak_clear_no_lock(&table.weak_table, (id)this);來處理__weak指針的，其中第一個參數就是sideTable的成員weak_table，第二個參數就是需要被釋放的對象。我們看看該函數的內部邏輯
image

這里的核心方法是weak_entry_for_referent再點進去
image

很明顯，上面的方法里面，通過需要釋放的對象referent根據一定的算法得出一個索引index，然后再從weak_table里面利用index拿到對象referent所對應的weak指針，這就說明weak_table內部其實就是一個散列表結構，通過對象作為key，value就是指向該對象的weak指針組成的數組。

weak實現原理總結

  • 當一個對象obj被weak指針指向時，這個weak指針會以obj作為key，被存儲到sideTable類的weak_table這個散列表上對應的一個weak指針數組里面。
  • 當一個對象obj的dealloc方法被調用時，Runtime會以obj為key，從sideTable的weak_table散列表中，找出對應的weak指針列表，然后將里面的weak指針逐個置為nil。
    以上就是weak指針的實現原理
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