第一次寫文章語言表達(dá)能力太差。如果有哪里表達(dá)的不夠清晰可以直接評論回復(fù)我,我來加以修改。這篇文章力求脫離語言的特性，咱們多講結(jié)構(gòu)和算法。即使你不懂iOS開發(fā)，不懂Objective-C語言也可以看這篇文章。
????通過閱讀本文你可以了解iOS管理對象內(nèi)存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是什么樣的，以及操作邏輯。對象的reatin、release、dealloc操作是該通過怎樣的算法實(shí)現(xiàn)的，weak指針是如何自動變nil的。
????本文所闡述的內(nèi)容代碼部分在蘋果的開源項(xiàng)目objc4-706中。

** 本文流程:**
一、引用計(jì)數(shù)的概念
二、拋出問題
三、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析(* SideTables、RefcountMap、weak_table_t*)

一、引用計(jì)數(shù)的概念

這一部分是寫給非iOS工程師的，便于大家了解引用計(jì)數(shù)、循環(huán)引用、弱引用的概念。如果已經(jīng)了解相關(guān)概念可以直接跳過第一部分。

大家都知道想要占用一塊內(nèi)存很容易，咱們 new 一個對象就完事兒了。但是什么時(shí)候回收？不回收自然是不成的，內(nèi)存再大也不能完全不回收利用?；厥赵缌说脑?真正用到的時(shí)候會出現(xiàn)野指針問題?；厥胀砹擞掷速M(fèi)寶貴的內(nèi)存資源。咱們得拿出一套管理內(nèi)存的方法才成。本文只討論iOS管理對象內(nèi)存的引用計(jì)數(shù)法。
????內(nèi)存中每一個對象都有一個屬于自己的引用計(jì)數(shù)器。當(dāng)某個對象A被另一個家伙引用時(shí)，A的引用計(jì)數(shù)器就+1,如果再有一個家伙引用到A，那么A的引用計(jì)數(shù)器就再+1。當(dāng)其中某個家伙不再引用A了，A的引用計(jì)數(shù)器會-1。直到A的引用計(jì)數(shù)減到了0,那么就沒有人再需要它了，就是時(shí)候把它釋放掉了。

在引用計(jì)數(shù)中，每一個對象負(fù)責(zé)維護(hù)對象所有引用的計(jì)數(shù)值。當(dāng)一個新的引用指向?qū)ο髸r(shí)，引用計(jì)數(shù)器就遞增，當(dāng)去掉一個引用時(shí)，引用計(jì)數(shù)就遞減。當(dāng)引用計(jì)數(shù)到零時(shí)，該對象就將釋放占有的資源。

采用上述機(jī)制看似就可以知道對象在內(nèi)存中應(yīng)該何時(shí)釋放了，但是還有一個循環(huán)引用的問題需要我們解決。

9F4E7963-0B4B-4153-A9FD-C3E9689B545B.png

現(xiàn)在內(nèi)存中有兩個對象，A和B。

A.x = B;
B.y = A;

假如A是做視頻處理的，B是處理音頻的。
現(xiàn)在A的引用計(jì)數(shù)是1(被B.y引用)。
現(xiàn)在B的引用計(jì)數(shù)也是1(被A.x引用)。
那么當(dāng)A處理完它的視頻工作以后,發(fā)現(xiàn)自己的引用計(jì)數(shù)是1不是0,他心里想"哦還有人需要我，我還不能被釋放。"
當(dāng)B處理完音頻操作以后他發(fā)現(xiàn)他的引用計(jì)數(shù)也是1，他心里也覺得"我還不能被釋放還有人需要我。"

這樣兩個對象互相循環(huán)引用著對方誰都不會被釋放就造成了內(nèi)存泄露。為了解決這個問題我們來引入弱引用的概念。
????弱引用指向要引用的對象，但是不會增加那個對象的引用計(jì)數(shù)。就像下面這個圖這樣。虛線為弱引用 (艾瑪我畫圖畫的真丑)

EFDCA2C8-4E42-48EF-AE5F-3D4607B6CF68.png

        A.x = B;
 __weak B.y = A;

這里我們讓B的y是一個弱引用，它還可以指向A但是不增加A的引用計(jì)數(shù)。

所以A的引用計(jì)數(shù)是0，B的引用計(jì)數(shù)是1(被A.x引用)。
當(dāng)A處理完他的視頻操作以后，發(fā)現(xiàn)自己的引用計(jì)數(shù)是0了，ok他可以釋放了。
隨之A.x也被釋放了。(A.x是對象A內(nèi)部的一個變量)
A.x被釋放了以后B的引用計(jì)數(shù)就也變成0了。
然后B處理完他的音頻操作以后也可以釋放了。

循環(huán)引用的問題解決了。我們不妨思考一下，這套方案還會不會有其它的問題？
思考中...
還有一個野指針的問題等待我們解決。

如果A先處理完他的視頻任務(wù)之后被釋放了。
這時(shí)候B還在處理中。
但是處理過程中B需要訪問A (B.y)來獲取一些數(shù)據(jù)。
由于A已經(jīng)被釋放了,所以再訪問的時(shí)候就造成了野指針錯誤。

因此我們還需要一個機(jī)制，可以讓A釋放之后，我再訪問所有指向A的指針(比如B.y)的時(shí)候都可以友好的得知A已經(jīng)不存在了,從而避免出錯。
????我們這里假設(shè)用一個數(shù)組,把所有指向A的弱引用都存起來，然后當(dāng)A被釋放的時(shí)候把數(shù)組內(nèi)所有的弱引用都設(shè)置成nil(相當(dāng)于其他語言中的NULL)。這樣當(dāng)B再訪問B.y的時(shí)候就會返回nil。通過判空的方式就可以避免野指針錯誤了。當(dāng)然說起來簡單，下面我們來看看蘋果是如何實(shí)現(xiàn)的。

二、拋出問題

前面絮絮叨叨說了一大堆，其實(shí)真正現(xiàn)在才拋出本次討論的問題。

1、如何實(shí)現(xiàn)的引用計(jì)數(shù)管理,控制加一減一和釋放？
2、如何維護(hù)weak指針防止野指針錯誤？

三、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析(* SideTables、RefcountMap、weak_table_t*)

WechatIMG24.jpeg

很多人反應(yīng)看了這篇文章后還是對SideTables、SideTable、RefcountMap三者的關(guān)系不太清楚?？赡苁俏疫@篇文章講述的不太好。大家可以看我第二篇文章中有一個大學(xué)宿舍樓的例子，結(jié)合這個例子看或許可以有助于理解三者關(guān)系。
咱們先來討論最頂層的SideTables

WechatIMG21.jpeg

為了管理所有對象的引用計(jì)數(shù)和weak指針，蘋果創(chuàng)建了一個全局的SideTables，雖然名字后面有個"s"不過他其實(shí)是一個全局的Hash表，里面的內(nèi)容裝的都是SideTable結(jié)構(gòu)體而已。它使用對象的內(nèi)存地址當(dāng)它的key。管理引用計(jì)數(shù)和weak指針就靠它了。
????因?yàn)閷ο笠糜?jì)數(shù)相關(guān)操作應(yīng)該是原子性的。不然如果多個線程同時(shí)去寫一個對象的引用計(jì)數(shù)，那就會造成數(shù)據(jù)錯亂，失去了內(nèi)存管理的意義。同時(shí)又因?yàn)閮?nèi)存中對象的數(shù)量是非常非常龐大的需要非常頻繁的操作SideTables，所以不能對整個Hash表加鎖。蘋果采用了分離鎖技術(shù)。

分離鎖和分拆鎖的區(qū)別
????降低鎖競爭的另一種方法是降低線程請求鎖的頻率。分拆鎖 (lock splitting) 和分離鎖 (lock striping) 是達(dá)到此目的兩種方式。相互獨(dú)立的狀態(tài)變量，應(yīng)該使用獨(dú)立的鎖進(jìn)行保護(hù)。有時(shí)開發(fā)人員會錯誤地使用一個鎖保護(hù)所有的狀態(tài)變量。這些技術(shù)減小了鎖的粒度，實(shí)現(xiàn)了更好的可伸縮性。但是，這些鎖需要仔細(xì)地分配，以降低發(fā)生死鎖的危險(xiǎn)。
????如果一個鎖守護(hù)多個相互獨(dú)立的狀態(tài)變量，你可能能夠通過分拆鎖，使每一個鎖守護(hù)不同的變量，從而改進(jìn)可伸縮性。通過這樣的改變，使每一個鎖被請求的頻率都變小了。分拆鎖對于中等競爭強(qiáng)度的鎖，能夠有效地把它們大部分轉(zhuǎn)化為非競爭的鎖，使性能和可伸縮性都得到提高。
????分拆鎖有時(shí)候可以被擴(kuò)展，分成若干加鎖塊的集合，并且它們歸屬于相互獨(dú)立的對象，這樣的情況就是分離鎖。

因?yàn)槭鞘褂脤ο蟮膬?nèi)存地址當(dāng)key所以Hash的分部也很平均。假設(shè)Hash表有n個元素，則可以將Hash的沖突減少到n分之一，支持n路的并發(fā)寫操作。

SideTable

當(dāng)我們通過SideTables[key]來得到SideTable的時(shí)候，SideTable的結(jié)構(gòu)如下:

1,一把自旋鎖。spinlock_t??slock;

自旋鎖比較適用于鎖使用者保持鎖時(shí)間比較短的情況。正是由于自旋鎖使用者一般保持鎖時(shí)間非常短，因此選擇自旋而不是睡眠是非常必要的，自旋鎖的效率遠(yuǎn)高于互斥鎖。信號量和讀寫信號量適合于保持時(shí)間較長的情況，它們會導(dǎo)致調(diào)用者睡眠，因此只能在進(jìn)程上下文使用，而自旋鎖適合于保持時(shí)間非常短的情況，它可以在任何上下文使用。

它的作用是在操作引用技術(shù)的時(shí)候?qū)ideTable加鎖，避免數(shù)據(jù)錯誤。
????蘋果在對鎖的選擇上可以說是精益求精。蘋果知道對于引用計(jì)數(shù)的操作其實(shí)是非?？斓摹Ｋ赃x擇了雖然不是那么高級但是確實(shí)效率高的自旋鎖，我在這里只能說"雙擊666，老鐵們！沒毛病！"

2,引用計(jì)數(shù)器 RefcountMap??refcnts;

對象具體的引用計(jì)數(shù)數(shù)量是記錄在這里的。
????這里注意RefcountMap其實(shí)是個C++的Map。為什么Hash以后還需要個Map？其實(shí)蘋果采用的是分塊化的方法。
????舉個例子
????假設(shè)現(xiàn)在內(nèi)存中有16個對象。
0x0000、0x0001、...... 0x000e、0x000f
????咱們創(chuàng)建一個SideTables[8]來存放這16個對象，那么查找的時(shí)候發(fā)生Hash沖突的概率就是八分之一。
????假設(shè)SideTables[0x0000]和SideTables[0x0x000f]沖突,映射到相同的結(jié)果。

SideTables[0x0000] == SideTables[0x0x000f]  ==> 都指向同一個SideTable

蘋果把兩個對象的內(nèi)存管理都放到里同一個SideTable中。你在這個SideTable中需要再次調(diào)用table.refcnts.find(0x0000)或者table.refcnts.find(0x000f)來找到他們真正的引用計(jì)數(shù)器。
????這里是一個分流。內(nèi)存中對象的數(shù)量實(shí)在是太龐大了我們通過第一個Hash表只是過濾了第一次，然后我們還需要再通過這個Map才能精確的定位到我們要找的對象的引用計(jì)數(shù)器。
引用計(jì)數(shù)器的存儲結(jié)構(gòu)如下
注意這里討論的是table.refcnts.find(this)得到的value的結(jié)構(gòu),至于RefcountMap是什么結(jié)構(gòu)我們在下一篇文章中討論

WechatIMG22.jpeg

引用計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)類型是:

typedef __darwin_size_t        size_t;

再進(jìn)一步看它的定義其實(shí)是unsigned long，在32位和64位操作系統(tǒng)中，它分別占用32和64個bit。
蘋果經(jīng)常使用bit mask技術(shù)。這里也不例外。拿32位系統(tǒng)為例的話，可以理解成有32個盒子排成一排橫著放在你面前。盒子里可以裝0或者1兩個數(shù)字。我們規(guī)定最后邊的盒子是低位，左邊的盒子是高位。

(1UL<<0)的意思是將一個"1"放到最右側(cè)的盒子里，然后將這個"1"向左移動0位(就是原地不動):0b0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001
(1UL<<1)的意思是將一個"1"放到最右側(cè)的盒子里,然后將這個"1"向左移動1位:0b0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0010

下面來分析引用計(jì)數(shù)器(圖中右側(cè))的結(jié)構(gòu),從低位到高位。

(1UL<<0)????WEAKLY_REFERENCED
表示是否有弱引用指向這個對象，如果有的話(值為1)在對象釋放的時(shí)候需要把所有指向它的弱引用都變成nil(相當(dāng)于其他語言的NULL)，避免野指針錯誤。
(1UL<<1)????DEALLOCATING
表示對象是否正在被釋放。1正在釋放，0沒有。
REAL COUNT
圖中REAL COUNT的部分才是對象真正的引用計(jì)數(shù)存儲區(qū)。所以咱們說的引用計(jì)數(shù)加一或者減一，實(shí)際上是對整個unsigned long加四或者減四,因?yàn)檎嬲挠?jì)數(shù)是從2^2位開始的。
(1UL<<(WORD_BITS-1))????SIDE_TABLE_RC_PINNED
其中WORD_BITS在32位和64位系統(tǒng)的時(shí)候分別等于32和64。隨著對象的引用計(jì)數(shù)不斷變大。如果這一位都變成1了，就表示引用計(jì)數(shù)已經(jīng)最大了不能再增加了。

3,維護(hù)weak指針的結(jié)構(gòu)體 weak_table_t ??weak_table;

WechatIMG24.jpeg

上面的RefcountMap??refcnts;是一個一層結(jié)構(gòu)，可以通過key直接找到對應(yīng)的value。而這里是一個兩層結(jié)構(gòu)。
????第一層結(jié)構(gòu)體中包含兩個元素。
????第一個元素weak_entry_t *weak_entries;是一個數(shù)組,上面的RefcountMap是要通過find(key)來找到精確的元素的。weak_entries則是通過循環(huán)遍歷來找到對應(yīng)的entry。
????(上面管理引用計(jì)數(shù)器蘋果使用的是Map,這里管理weak指針蘋果使用的是數(shù)組,有興趣的朋友可以思考一下為什么蘋果會分別采用這兩種不同的結(jié)構(gòu))
????第二個元素num_entries是用來維護(hù)保證數(shù)組始終有一個合適的size。比如數(shù)組中元素的數(shù)量超過3/4的時(shí)候?qū)?shù)組的大小乘以2。

第二層weak_entry_t的結(jié)構(gòu)包含3個部分

1,referent:
被指對象的地址。前面循環(huán)遍歷查找的時(shí)候就是判斷目標(biāo)地址是否和他相等。
2,referrers
可變數(shù)組,里面保存著所有指向這個對象的弱引用的地址。當(dāng)這個對象被釋放的時(shí)候，referrers里的所有指針都會被設(shè)置成nil。
3,inline_referrers
只有4個元素的數(shù)組，默認(rèn)情況下用它來存儲弱引用的指針。當(dāng)大于4個的時(shí)候使用referrers來存儲指針。

OK大家來看著圖看著偽代碼走一遍流程

1,alloc

這時(shí)候其實(shí)并不操作SideTable，具體可以參考:

深入淺出ARC(上)
Objc使用了類似散列表的結(jié)構(gòu)來記錄引用計(jì)數(shù)。并且在初始化的時(shí)候設(shè)為了一。

2,retain: NSObject.mm line:1402-1417

//1、通過對象內(nèi)存地址，在SideTables找到對應(yīng)的SideTable
SideTable& table = SideTables()[this];

//2、通過對象內(nèi)存地址，在refcnts中取出引用計(jì)數(shù)
//這里是table是SideTable。refcnts是RefcountMap
size_t& refcntStorage = table.refcnts[this];

//3、判斷PINNED位，不為1則+4
if (! (refcntStorage & PINNED)) {
    refcntStorage += (1UL<<2);
}

3,release NSObject.mm line:1524-1551

table.lock();
引用計(jì)數(shù)器 = table.refcnts.find(this);
//table.refcnts.end()表示使用一個iterator迭代器到達(dá)了end()狀態(tài)
if (引用計(jì)數(shù)器 == table.refcnts.end()) {
    //標(biāo)記對象為正在釋放
    table.refcnts[this] = SIDE_TABLE_DEALLOCATING;
} else if (引用計(jì)數(shù)器 < SIDE_TABLE_DEALLOCATING) {
    //這里很有意思，當(dāng)出現(xiàn)小余(1UL<<1) 的情況的時(shí)候
    //就是前面引用計(jì)數(shù)位都是0,后面弱引用標(biāo)記位WEAKLY_REFERENCED可能有弱引用1
    //或者沒弱引用0

    //為了不去影響WEAKLY_REFERENCED的狀態(tài)
    引用計(jì)數(shù)器 |= SIDE_TABLE_DEALLOCATING;
} else if ( SIDE_TABLE_RC_PINNED位為0) {
    引用計(jì)數(shù)器 -= SIDE_TABLE_RC_ONE;
}
table.unlock();
如果做完上述操作后如果需要釋放對象，則調(diào)用dealloc

4,dealloc NSObject.mm line:1555-1571

dealloc操作也做了大量了邏輯判斷和其它處理，咱們這里拋開那些邏輯只討論下面部分sidetable_clearDeallocating()

SideTable& table = SideTables()[this];
table.lock();
引用計(jì)數(shù)器 = table.refcnts.find(this);
if (引用計(jì)數(shù)器 != table.refcnts.end()) {
    if (引用計(jì)數(shù)器中SIDE_TABLE_WEAKLY_REFERENCED標(biāo)志位為1) {
        weak_clear_no_lock(&table.weak_table, (id)this);
    }
    //從refcnts中刪除引用計(jì)數(shù)器
    table.refcnts.erase(it);
}
table.unlock();

weak_clear_no_lock()是關(guān)鍵，它才是在對象被銷毀的時(shí)候處理所有弱引用指針的方法。

weak_clear_no_lock objc-weak.mm line:461-504

void 
weak_clear_no_lock(weak_table_t *weak_table, id referent_id) 
{
    //1、拿到被銷毀對象的指針
    objc_object *referent = (objc_object *)referent_id;

    //2、通過 指針 在weak_table中查找出對應(yīng)的entry
    weak_entry_t *entry = weak_entry_for_referent(weak_table, referent);
    if (entry == nil) {
        /// XXX shouldn't happen, but does with mismatched CF/objc
        //printf("XXX no entry for clear deallocating %p\n", referent);
        return;
    }

    //3、將所有的引用設(shè)置成nil
    weak_referrer_t *referrers;
    size_t count;
    
    if (entry->out_of_line()) {
        //3.1、如果弱引用超過4個則將referrers數(shù)組內(nèi)的弱引用都置成nil。
        referrers = entry->referrers;
        count = TABLE_SIZE(entry);
    } 
    else {
        //3.2、不超過4個則將inline_referrers數(shù)組內(nèi)的弱引用都置成nil
        referrers = entry->inline_referrers;
        count = WEAK_INLINE_COUNT;
    }
    
    //循環(huán)設(shè)置所有的引用為nil
    for (size_t i = 0; i < count; ++i) {
        objc_object **referrer = referrers[I];
        if (referrer) {
            if (*referrer == referent) {
                *referrer = nil;
            }
            else if (*referrer) {
                _objc_inform("__weak variable at %p holds %p instead of %p. "
                             "This is probably incorrect use of "
                             "objc_storeWeak() and objc_loadWeak(). "
                             "Break on objc_weak_error to debug.\n", 
                             referrer, (void*)*referrer, (void*)referent);
                objc_weak_error();
            }
        }
    }
    
    //4、從weak_table中移除entry
    weak_entry_remove(weak_table, entry);
}

講到這里我們就已經(jīng)把SideTables的操作流程過一遍了，希望大家看的開心。
??歡迎加我的微博http://weibo.com/xuyang186
??轉(zhuǎn)載請注明出處，謝謝。

參考文獻(xiàn)

iOS進(jìn)階——iOS（Objective-C）內(nèi)存管理·二
深入淺出ARC(上)
我們的對象會經(jīng)歷什么
Objective-C 引用計(jì)數(shù)原理
神經(jīng)病院Objective-C Runtime入院第一天——isa和Class
深入理解Tagged Pointer
Why is weak_table_t a member of SideTable in Objective-C runtime?
How can the Objective-C runtime know whether a weakly referenced object is still alive?

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iOS管理對象內(nèi)存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及操作算法--SideTables、RefcountMap、weak_table_t-一

iOS管理對象內(nèi)存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及操作算法--SideTables、RefcountMap、weak_table_t-一

一、引用計(jì)數(shù)的概念

二、拋出問題

三、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析(* SideTables、RefcountMap、weak_table_t*)

SideTable

1,一把自旋鎖。spinlock_t??slock;

2,引用計(jì)數(shù)器 RefcountMap??refcnts;

3,維護(hù)weak指針的結(jié)構(gòu)體 weak_table_t ??weak_table;

第二層weak_entry_t的結(jié)構(gòu)包含3個部分

OK大家來看著圖看著偽代碼走一遍流程

1,alloc

2,retain: NSObject.mm line:1402-1417

3,release NSObject.mm line:1524-1551

4,dealloc NSObject.mm line:1555-1571

參考文獻(xiàn)

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iOS管理對象內(nèi)存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及操作算法--SideTables、RefcountMap、weak_table_t-一

一、引用計(jì)數(shù)的概念

二、拋出問題

三、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析(* SideTables、RefcountMap、weak_table_t*)

SideTable

1,一把自旋鎖。spinlock_t??slock;

2,引用計(jì)數(shù)器 RefcountMap??refcnts;

3,維護(hù)weak指針的結(jié)構(gòu)體 weak_table_t ??weak_table;

第二層weak_entry_t的結(jié)構(gòu)包含3個部分

OK大家來看著圖看著偽代碼走一遍流程

1,alloc

2,retain: NSObject.mm line:1402-1417

3,release NSObject.mm line:1524-1551

4,dealloc NSObject.mm line:1555-1571

參考文獻(xiàn)

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一、引用計(jì)數(shù)的概念

二、拋出問題

三、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析(* SideTables、RefcountMap、weak_table_t*)

1,一把自旋鎖。spinlock_t??slock;