iOS开发 - 底层解析weak的实现原理

前言

  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。大多数人只知道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,很多公司都会问weak的原理。weak的原理是什么?下面就分析一下weak的原理。

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 的实现原理详细步骤

(一)、初始化

  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。
示例代码:

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

  在我们初始化一个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:

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id objc_initWeak(id *object, id value);

而对于objc_initWeak()方法的实现

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id objc_initWeak(id *location, id newObj) {
// 查看对象实例是否有效
// 无效对象直接导致指针释放
if (!newObj) {
*location = nil;
return nil;
}
// 这里传递了三个 bool 数值
// 使用 template 进行常量参数传递是为了优化性能
return storeWeakfalse/*old*/, true/*new*/, true/*crash*/>
(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。
  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则可以为空,或者指向一个有效的对象。

(二)、添加引用

  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的函数声明和具体实现如下:

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id objc_storeWeak(id *location, id value);

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// HaveOld:  true - 变量有值
// false - 需要被及时清理,当前值可能为 nil
// HaveNew: true - 需要被分配的新值,当前值可能为 nil
// false - 不需要分配新值
// CrashIfDeallocating: true - 说明 newObj 已经释放或者 newObj 不支持弱引用,该过程需要暂停
// false - 用 nil 替代存储
template bool HaveOld, bool HaveNew, bool CrashIfDeallocating>
static id storeWeak(id *location, objc_object *newObj) {
// 该过程用来更新弱引用指针的指向
// 初始化 previouslyInitializedClass 指针
Class previouslyInitializedClass = nil;
id oldObj;
// 声明两个 SideTable
// ① 新旧散列创建
SideTable *oldTable;
SideTable *newTable;
// 获得新值和旧值的锁存位置(用地址作为唯一标示)
// 通过地址来建立索引标志,防止桶重复
// 下面指向的操作会改变旧值
retry:
if (HaveOld) {
// 更改指针,获得以 oldObj 为索引所存储的值地址
oldObj = *location;
oldTable = &SideTables()[oldObj];
} else {
oldTable = nil;
}
if (HaveNew) {
// 更改新值指针,获得以 newObj 为索引所存储的值地址
newTable = &SideTables()[newObj];
} else {
newTable = nil;
}
// 加锁操作,防止多线程中竞争冲突
SideTable::lockTwoHaveOld, HaveNew>(oldTable, newTable);
// 避免线程冲突重处理
// location 应该与 oldObj 保持一致,如果不同,说明当前的 location 已经处理过 oldObj 可是又被其他线程所修改
if (HaveOld && *location != oldObj) {
SideTable::unlockTwoHaveOld, HaveNew>(oldTable, newTable);
goto retry;
}
// 防止弱引用间死锁
// 并且通过 +initialize 初始化构造器保证所有弱引用的 isa 非空指向
if (HaveNew && newObj) {
// 获得新对象的 isa 指针
Class cls = newObj->getIsa();
// 判断 isa 非空且已经初始化
if (cls != previouslyInitializedClass &&
!((objc_class *)cls)->isInitialized()) {
// 解锁
SideTable::unlockTwoHaveOld, HaveNew>(oldTable, newTable);
// 对其 isa 指针进行初始化
_class_initialize(_class_getNonMetaClass(cls, (id)newObj));
// 如果该类已经完成执行 +initialize 方法是最理想情况
// 如果该类 +initialize 在线程中
// 例如 +initialize 正在调用 storeWeak 方法
// 需要手动对其增加保护策略,并设置 previouslyInitializedClass 指针进行标记
previouslyInitializedClass = cls;
// 重新尝试
goto retry;
}
}
// ② 清除旧值
if (HaveOld) {
weak_unregister_no_lock(&oldTable->weak_table, oldObj, location);
}
// ③ 分配新值
if (HaveNew) {
newObj = (objc_object *)weak_register_no_lock(&newTable->weak_table,
(id)newObj, location,
CrashIfDeallocating);
// 如果弱引用被释放 weak_register_no_lock 方法返回 nil
// 在引用计数表中设置若引用标记位
if (newObj && !newObj->isTaggedPointer()) {
// 弱引用位初始化操作
// 引用计数那张散列表的weak引用对象的引用计数中标识为weak引用
newObj->setWeaklyReferenced_nolock();
}
// 之前不要设置 location 对象,这里需要更改指针指向
*location = (id)newObj;
} else {
// 没有新值,则无需更改
}
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,引用计数和弱引用依赖表,主要用于管理对象的引用计数和weak表,在NSObject.m中声明其数据结构:
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    struct SideTable {
    // 保证原子操作的自旋锁
    spinlock_t slock;
    // 引用计数的 hash 表
    RefcountMap refcnts;
    // weak 引用全局 hash 表
    weak_table_t weak_table;
    }

  对于slock和refcnts,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纸巾的extra_rc共同引用计数的变量。

  1. 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所有的弱引用信息,其定义如下(objc_weak.h):
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    struct weak_table_t {
    // 保存了所有指向指定对象的 weak 指针
    weak_entry_t *weak_entries;
    // 存储空间
    size_t num_entries;
    // 参与判断引用计数辅助量
    uintptr_t mask;
    // hash key 最大偏移值
    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,从字面意思看,即为弱引用表入口。
  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:

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typedef objc_object ** weak_referrer_t;
struct weak_entry_t {
DisguisedPtr<objc_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 {
// out_of_line=0 is LSB of one of these (don't care which)
weak_referrer_t inline_referrers[WEAK_INLINE_COUNT];
};
}
}

  在weak_entry_t的结构体中,DisguisedPtrobjc_object>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。

  1. 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中解除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中解除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。

  2. 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函数把新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。

  3. 初始化弱引用对象流程一览
      弱引用初始化,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:

(三)、释放

  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函数
  3. 在dealloc中,调用了_objc_rootDealloc函数
  4. 在_objc_rootDealloc中,调用了object_disponse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_deallocation函数,该函数的实现如下:

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

  也就是调用了clearDeallocating函数,继续追踪可以发现,它最终是使用了迭代器来取weak表的value,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:

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/**
* Called by dealloc; nils out all weak pointers that point to the
* provided object so that they can no longer be used.
*
* @param weak_table
* @param referent The object being deallocated.
*/
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) {
/// XXX shouldn't happen, but does with mismatched CF/objc
//printf("XXX no entry for clear deallocating %p\n", referent);
return;
}
// zero out references
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函数的动作如下:

  1. 从weak表中获取废弃对象的地址为键值得记录
  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表中删除该记录
  4. 从引用计数表中删除废弃对象的地址为键值得记录

  看了objc_weak.mm的源码就明白了:其实weak表是一个hash(哈希)表,key是指向对象的地址,value是weak指针的地址数组。

转载于

标题:iOS 底层解析weak的实现原理(包含weak对象的初始化,引用,释放的分析)
作者:逍遥晨旭
链接:https://www.jianshu.com/p/13c4fb1cedea
來源:简书

本文标题:iOS开发 - 底层解析weak的实现原理

文章作者:kim逸云

发布时间:2019年10月15日 - 10:10

最后更新:2020年01月03日 - 16:01

原始链接:http://cloverkim.com/ios_weak-principle.html

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