iOS weak实现原理 weak对象的初始化、引用、释放

释放双眼,带上耳机,听听看~!

很少有人知道weak表其实是一个hash(哈希)表,Key是所指对象的地址,Value是weak指针的地址数组。更多人的人只是知道weak是弱引用,所引用对象的计数器不会加一,并在引用对象被释放的时候自动被设置为nil。通常用于解决循环引用问题。但现在单知道这些已经不足以应对面试了,好多公司会问weak的原理。weak的原理是什么呢?下面就分析一下weak的工作原理(只是自己对这个问题好奇,学习过程中的笔记,希望对读者也有所帮助)。

weak 实现原理的概括

Runtime维护了一个weak表,用于存储指向某个对象的所有weak指针。weak表其实是一个hash(哈希)表,Key是所指对象的地址,Value是weak指针的地址(这个地址的值是所指对象指针的地址)数组。

weak 的实现原理可以概括一下三步:

1、初始化时:runtime会调用objc_initWeak函数,初始化一个新的weak指针指向对象的地址。
2、添加引用时:objc_initWeak函数会调用 objc_storeWeak() 函数, objc_storeWeak() 的作用是更新指针指向,创建对应的弱引用表。
3、释放时,调用clearDeallocating函数。clearDeallocating函数首先根据对象地址获取所有weak指针地址的数组,然后遍历这个数组把其中的数据设为nil,最后把这个entry从weak表中删除,最后清理对象的记录。

下面将开始详细介绍每一步:

1、初始化时:runtime会调用objc_initWeak函数,objc_initWeak函数会初始化一个新的weak指针指向对象的地址。

示例代码:

{
NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];
id __weak obj1 = obj;
}

当我们初始化一个weak变量时,runtime会调用 NSObject.mm 中的objc_initWeak函数。这个函数在Clang中的声明如下:

id objc_initWeak(id *object, id value);

而对于 objc_initWeak() 方法的实现

id objc_initWeak(id *location, id newObj) {
if (!newObj) {
*location = nil;
return nil;
}
return storeWeakfalse, true, true>
(location, (objc_object*)newObj);
}

可以看出,这个函数仅仅是一个深层函数的调用入口,而一般的入口函数中,都会做一些简单的判断(例如 objc_msgSend 中的缓存判断),这里判断了其指针指向的类对象是否有效,无效直接释放,不再往深层调用函数。否则,object将被注册为一个指向value的__weak对象。而这事应该是objc_storeWeak函数干的。

注意:objc_initWeak函数有一个前提条件:就是object必须是一个没有被注册为__weak对象的有效指针。而value则可以是null,或者指向一个有效的对象。

2、添加引用时:objc_initWeak函数会调用 objc_storeWeak() 函数, objc_storeWeak() 的作用是更新指针指向,创建对应的弱引用表。

objc_storeWeak的函数声明如下:

id objc_storeWeak(id *location, id value);

objc_storeWeak() 的具体实现如下:


template bool HaveOld, bool HaveNew, bool CrashIfDeallocating>
static id storeWeak(id *location, objc_object *newObj) {
Class previouslyInitializedClass = nil;
id oldObj;
SideTable *oldTable;
SideTable *newTable;
retry:
if (HaveOld) {
oldObj = *location;
oldTable = &SideTables()[oldObj];
} else {
oldTable = nil;
}
if (HaveNew) {
newTable = &SideTables()[newObj];
} else {
newTable = nil;
}
SideTable::lockTwoHaveOld, HaveNew>(oldTable, newTable);
if (HaveOld  &&  *location != oldObj) {
SideTable::unlockTwoHaveOld, HaveNew>(oldTable, newTable);
goto retry;
}
if (HaveNew  &&  newObj) {
Class cls = newObj->getIsa();
if (cls != previouslyInitializedClass  &&
!((objc_class *)cls)->isInitialized()) {
SideTable::unlockTwoHaveOld, HaveNew>(oldTable, newTable);
_class_initialize(_class_getNonMetaClass(cls, (id)newObj));
previouslyInitializedClass = cls;
goto retry;
}
}
if (HaveOld) {
weak_unregister_no_lock(&oldTable->weak_table, oldObj, location);
}
if (HaveNew) {
newObj = (objc_object *)weak_register_no_lock(&newTable->weak_table,
(id)newObj, location,
CrashIfDeallocating);
if (newObj  &&  !newObj->isTaggedPointer()) {
newObj->setWeaklyReferenced_nolock();
}
*location = (id)newObj;
}
else {
}
SideTable::unlockTwoHaveOld, HaveNew>(oldTable, newTable);
return (id)newObj;
}

撇开源码中各种锁操作,来看看这段代码都做了些什么。

1)、SideTable

SideTable 这个结构体,我给他起名引用计数和弱引用依赖表,因为它主要用于管理对象的引用计数和 weak 表。在 NSObject.mm 中声明其数据结构:

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

}
对于 slock 和 refcnts 两个成员不用多说,第一个是为了防止竞争选择的自旋锁,第二个是协助对象的 isa 指针的 extra_rc 共同引用计数的变量(对于对象结果,在今后的文中提到)。这里主要看 weak 全局 hash 表的结构与作用。

2)、weak表

weak表是一个弱引用表,实现为一个weak_table_t结构体,存储了某个对象相关的的所有的弱引用信息。其定义如下(具体定义在objc-weak.h中):

   struct weak_table_t {
weak_entry_t *weak_entries;
size_t    num_entries;
uintptr_t mask;
uintptr_t max_hash_displacement;
};

这是一个全局弱引用hash表。使用不定类型对象的地址作为 key ,用 weak_entry_t 类型结构体对象作为 value 。其中的 weak_entries 成员,从字面意思上看,即为弱引用表入口。其实现也是这样的。

其中weak_entry_t是存储在弱引用表中的一个内部结构体,它负责维护和存储指向一个对象的所有弱引用hash表。其定义如下:

typedef objc_object ** weak_referrer_t;
struct weak_entry_t {
DisguisedPtrobjc_object> referent;
union {
struct {
weak_referrer_t *referrers;
uintptr_t        out_of_line : 1;
uintptr_t        num_refs : PTR_MINUS_1;
uintptr_t        mask;
uintptr_t        max_hash_displacement;
};
struct {
weak_referrer_t  inline_referrers[WEAK_INLINE_COUNT];
};
}
}

在 weak_entry_t 的结构中,DisguisedPtr referent 是对泛型对象的指针做了一个封装,通过这个泛型类来解决内存泄漏的问题。从注释中写 out_of_line 成员为最低有效位,当其为0的时候, weak_referrer_t 成员将扩展为多行静态 hash table。其实其中的 weak_referrer_t 是二维 objc_object 的别名,通过一个二维指针地址偏移,用下标作为 hash 的 key,做成了一个弱引用散列。
那么在有效位未生效的时候,out_of_line 、 num_refs、 mask 、 max_hash_displacement 有什么作用?以下是笔者自身的猜测:

out_of_line:最低有效位,也是标志位。当标志位 0 时,增加引用表指针纬度。
num_refs:引用数值。这里记录弱引用表中引用有效数字,因为弱引用表使用的是静态 hash 结构,所以需要使用变量来记录数目。
mask:计数辅助量。
max_hash_displacement:hash 元素上限阀值。
其实 out_of_line 的值通常情况下是等于零的,所以弱引用表总是一个 objc_objective 指针二维数组。一维 objc_objective 指针可构成一张弱引用散列表,通过第三纬度实现了多张散列表,并且表数量为 WEAK_INLINE_COUNT 。

总结一下 StripedMap[] : StripedMap 是一个模板类,在这个类中有一个 array 成员,用来存储 PaddedT 对象,并且其中对于 [] 符的重载定义中,会返回这个 PaddedT 的 value 成员,这个 value 就是我们传入的 T 泛型成员,也就是 SideTable 对象。在 array 的下标中,这里使用了 indexForPointer 方法通过位运算计算下标,实现了静态的 Hash Table。而在 weak_table 中,其成员 weak_entry 会将传入对象的地址加以封装起来,并且其中也有访问全局弱引用表的入口。

31B622B5-77ED-4D50-8CF9-0803785117BC.png

旧对象解除注册操作 weak_unregister_no_lock

该方法主要作用是将旧对象在 weak_table 中接触 weak 指针的对应绑定。根据函数名,称之为解除注册操作。从源码中,可以知道其功能就是从 weak_table 中接触 weak 指针的绑定。而其中的遍历查询,就是针对于 weak_entry 中的多张弱引用散列表。

新对象添加注册操作 weak_register_no_lock

这一步与上一步相反,通过 weak_register_no_lock 函数把心的对象进行注册操作,完成与对应的弱引用表进行绑定操作。

初始化弱引用对象流程一览

弱引用的初始化,从上文的分析中可以看出,主要的操作部分就在弱引用表的取键、查询散列、创建弱引用表等操作,可以总结出如下的流程图:

C6029C92-5145-4334-9C25-3CDBA50F142B.png

这个图中省略了很多情况的判断,但是当声明一个 __weak 会调用上图中的这些方法。当然, storeWeak 方法不仅仅用在 __weak 的声明中,在 class 内部的操作中也会常常通过该方法来对 weak 对象进行操作。

3、释放时,调用clearDeallocating函数。clearDeallocating函数首先根据对象地址获取所有weak指针地址的数组,然后遍历这个数组把其中的数据设为nil,最后把这个entry从weak表中删除,最后清理对象的记录。

当weak引用指向的对象被释放时,又是如何去处理weak指针的呢?当释放对象时,其基本流程如下:

1、调用objc_release
2、因为对象的引用计数为0,所以执行dealloc
3、在dealloc中,调用了_objc_rootDealloc函数
4、在_objc_rootDealloc中,调用了object_dispose函数
5、调用objc_destructInstance
6、最后调用objc_clear_deallocating

重点看对象被释放时调用的objc_clear_deallocating函数。该函数实现如下:

void  objc_clear_deallocating(id obj)
{
assert(obj);
assert(!UseGC);
if (obj->isTaggedPointer()) return;
obj->clearDeallocating();
}

也就是调用了clearDeallocating,继续追踪可以发现,它最终是使用了迭代器来取weak表的value,然后调用weak_clear_no_lock,然后查找对应的value,将该weak指针置空,weak_clear_no_lock函数的实现如下:


void weak_clear_no_lock(weak_table_t *weak_table, id referent_id)
{
objc_object *referent = (objc_object *)referent_id;
weak_entry_t *entry = weak_entry_for_referent(weak_table, referent);
if (entry == nil) {
return;
}
weak_referrer_t *referrers;
size_t count;
if (entry->out_of_line) {
referrers = entry->referrers;
count = TABLE_SIZE(entry);
}
else {
referrers = entry->inline_referrers;
count = WEAK_INLINE_COUNT;
}
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();
}
}
}
weak_entry_remove(weak_table, entry);
}

objc_clear_deallocating该函数的动作如下:

1、从weak表中获取废弃对象的地址为键值的记录
2、将包含在记录中的所有附有 weak修饰符变量的地址,赋值为nil
3、将weak表中该记录删除
4、从引用计数表中删除废弃对象的地址为键值的记录

看了objc-weak.mm的源码就明白了:其实Weak表是一个hash(哈希)表,然后里面的key是指向对象的地址,Value是Weak指针的地址的数组。

补充:.m和.mm的区别

.m:源代码文件,这个典型的源代码文件扩展名,可以包含OC和C代码。
.mm:源代码文件,带有这种扩展名的源代码文件,除了可以包含OC和C代码之外,还可以包含C++代码。仅在你的OC代码中确实需要使用C++类或者特性的时候才用这种扩展名。

参考资料:
weak 弱引用的实现方式

 

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