iOS weak 底层实现原理(一):SideTable|s、weak_table_t、weak_entry_t 等数据结构
runtime(三) weak_table_t
runtime(二) SideTables
[iOS开发]weak底层原理
iOS底层原理:weak的实现原理
我们在学习ARC的过程中了解了retain和release相关于sidetable的实现原理:
不支持Nonpointer isa 的处理:
去sidetable取出计数信息 执行加一操作
支持Nonpointer isa的处理:
从上面我们知道了存储引用计数的方式有两种,一种是通过isa,另一种是通过sideTable
下面我们先来了解两个概念:
HashMap (哈希表):
基于数组的一种数据结构,通过一定的算法,把key进行运算得出一个数字,用这个数字做数组下标,将value存入这个下标对应的内存之中。
HashTon (哈希桶):
哈希算法算出的数字有可能会重复,对于哈希值重复的数据,如何存入哈希表呢?常用方法有闭散列和开散列等方式,其中采用开散列方式的哈希表称为哈希桶。
开散列(哈希桶) :就是在哈希值对应的位置上,使用链表或数组,将哈希值冲突的数据存入这个链表或者数组中,提高查找效率
闭散列(即开放地址法):当发生哈希冲突时,如果该哈希表还没有被填满,那么就把该元素放到哈希表的下一个空闲的位置。
为了管理所有对象的引用计数和weak
指针,苹果创建了一个全局的SideTables
,名字后面有一个"s",但它其实不是一个数组,而是一个全局的Hash桶,里面的内容装的都是SideTable结构体。它用对象的内存地址当作key
,来管理引用计数
和weak指针
。
我们来看一下SideTable的源码实现:
struct SideTable {
spinlock_t slock;//自旋锁
RefcountMap refcnts;//存放引用计数
weak_table_t weak_table;//weak_table是一个哈希表
后方代码省略...
接着我们来看一下SideTable中的这三个成员变量:
锁是线程同步时的一个重要工具
操作系统中有五大锁(操作系统还没有学到这地方,先写着基础概念,后续会有博客详细介绍):
对象引用计数相关操作应该是原子性的,不然如果多个线程同时去写一个对象的引用计数,那么就会造成数据混乱,也就失去了内存管理的意义。同时又应为内存中对象的数量也是很大的,需要非常频繁的操作SideTables,所以不能对整个Hash表加锁,否则就会非常影响效率,所以苹果采用了分离锁技术
我们将每个SideTable
里的每个对象的引用计数都加一把锁,这就是分拆锁,虽然安全,但是消耗很大。
我们给每个SideTable
加上一把锁,只让某个SideTable
不能多次访问,这就是分离锁
相比之下,分拆锁管理的内容更加细微,而分离锁管理的内容更加广泛
说到自旋锁就要谈到互斥锁:
对于每个SideTable,中间都有自旋锁,同时也使用了分离锁为每个SideTable上锁,安全+效率非常合理
来了解一下这个图:
以DisguisedPtr
为key的hash表,用来存储OC
对象的引用计数
DisguisedPtr
就是我们想知道其引用计数的这个对象的地址,但是我们已经对retain
中存储引用计数的方式十分清晰了,如果未开启isa
优化 或 在isa
优化情况下isa_t
的extra_rc
引用计数加一后向上溢出了,才会存入这个哈希表中。
具体的引用计数表的查找和插入过程参考自该博客:runtime(二) SideTables
从中我们知道了SideTables实际上是一个全局的哈希桶:
static StripedMap<SideTable>& SideTables() {
return *reinterpret_cast<StripedMap<SideTable>*>(SideTableBuf);
}
这个方法返回的是一个StripedMap
类型的引用:
template<typename T>
class StripedMap {
#if TARGET_OS_IPHONE && !TARGET_OS_SIMULATOR
enum { StripeCount = 8 };
#else
enum { StripeCount = 64 };
#endif
struct PaddedT {
T value alignas(CacheLineSize);
};
PaddedT array[StripeCount];
...
}
StripedMap 是一个模板类, 内部维护一个大小为 StripeCount 的数组, 数组的成员为结构体 PaddedT, PaddedT 结构体只有一个成员 value, value 的类型是 T.
这里涉及到泛型相关知识, 结合起来理解, 就是说 SideTables() 返回的 StripedMap, 是一个 value 为 SideTable 的哈希桶(由于 SideTable 内部又在维护数组, 所以这是一个哈希桶结构), 哈希值由对象的地址计算得出.
SideTables 结构图见下:
我们再来看一下SideTable
的完整源码结构:
struct SideTable {
spinlock_t slock; //线程锁
RefcountMap refcnts;
weak_table_t weak_table;
// 构造函数,只做了一件事把 weak_table 的空间置为 0
SideTable() {
// 把从 &weak_table 位置开始的长度为 sizeof(weak_table) 的内存空间置为 0
memset(&weak_table, 0, sizeof(weak_table));
}
// 析构函数(不能进行析构)
~SideTable() {
// 看到 SidetTable 是不能析构的,如果进行析构则会直接终止运行
_objc_fatal("Do not delete SideTable.");
}
// 三个函数正对应了 StripedMap 中模版抽象类型 T 的接口要求,三个函数的内部都是直接调用 slock 的对应函数
void lock() { slock.lock(); }
void unlock() { slock.unlock(); }
void forceReset() { slock.forceReset(); }
// Address-ordered lock discipline for a pair of side tables.
// HaveOld 和 HaveNew 分别表示 lock1 和 lock2 是否存在,
// 表示 __weak 变量是否指向有旧值和目前要指向的新值。
// lock1 代表旧值对象所处的 SideTable
// lock2 代表新值对象所处的 SideTable
// lockTwo 是根据谁有值就调谁的锁,触发加锁 (C++ 方法重载),
// 如果两个都有值,那么两个都加锁,并且根据谁低,先给谁加锁,然后另一个后加锁
template<HaveOld, HaveNew>
static void lockTwo(SideTable *lock1, SideTable *lock2);
// 同上,对 slock 解锁
template<HaveOld, HaveNew>
static void unlockTwo(SideTable *lock1, SideTable *lock2);
}
接着我们言归正传,看一下RefcountMap的定义:
typedef objc::DenseMap<DisguisedPtr<objc_object>,size_t,true> RefcountMap;
其中DenseMap 又是一个模板类:
template<typename KeyT, typename ValueT,
bool ZeroValuesArePurgeable = false,
typename KeyInfoT = DenseMapInfo<KeyT> >
class DenseMap : public DenseMapBase<DenseMap<KeyT, ValueT,
ZeroValuesArePurgeable, KeyInfoT>, KeyT, ValueT, KeyInfoT,
ZeroValuesArePurgeable> {
...
BucketT *Buckets;
unsigned NumEntries;
unsigned NumTombstones;
unsigned NumBuckets;
...
}
比较重要的成员有这几个:
BucketT 的定义如下:
typedef std::pair<KeyT, ValueT> BucketT;
inline uint64_t NextPowerOf2(uint64_t A) {
A |= (A >> 1);
A |= (A >> 2);
A |= (A >> 4);
A |= (A >> 8);
A |= (A >> 16);
A |= (A >> 32);
return A + 1;
}
这是对应 64 位的提供数组大小的方法, 需要为桶数组开辟空间时, 会由这个方法来决定数组大小. 这个算法可以做到把最高位的 1 覆盖到所有低位. 例如 A = 0b10000, (A >> 1) = 0b01000, 按位与就会得到 A = 0b11000, 这个时候 (A >> 2) = 0b00110, 按位与就会得到 A = 0b11110. 以此类推 A 的最高位的 1, 会一直覆盖到高 2 位、高 4 位、高 8 位, 直到最低位. 最后这个充满 1 的二进制数会再加 1, 得到一个 0b1000…(N 个 0). 也就是说, 桶数组的大小会是 2^n.
value_type& FindAndConstruct(const KeyT &Key) {
BucketT *TheBucket;
if (LookupBucketFor(Key, TheBucket))
return *TheBucket;
return *InsertIntoBucket(Key, ValueT(), TheBucket);
}
到这里SideTables管理引用计数的过程就基本结束了。
下面放上大佬博客中的图解助于快速理解:
接下来就体现了墓碑的作用:
bool LookupBucketFor(const LookupKeyT &Val,
const BucketT *&FoundBucket) const {
...
if (NumBuckets == 0) { //桶数是0
FoundBucket = 0;
return false; //返回 false 回上层调用添加函数
}
...
unsigned BucketNo = getHashValue(Val) & (NumBuckets-1); //将哈希值与数组最大下标按位与
unsigned ProbeAmt = 1; //哈希值重复的对象需要靠它来重新寻找位置
while (1) {
const BucketT *ThisBucket = BucketsPtr + BucketNo; //头指针 + 下标, 类似于数组取值
//找到的桶中的 key 和对象地址相等, 则是找到
if (KeyInfoT::isEqual(Val, ThisBucket->first)) {
FoundBucket = ThisBucket;
return true;
}
//找到的桶中的 key 是空桶占位符, 则表示可插入
if (KeyInfoT::isEqual(ThisBucket->first, EmptyKey)) {
if (FoundTombstone) ThisBucket = FoundTombstone; //如果曾遇到墓碑, 则使用墓碑的位置
FoundBucket = FoundTombstone ? FoundTombstone : ThisBucket;
return false; //找到空占位符, 则表明表中没有已经插入了该对象的桶
}
//如果找到了墓碑
if (KeyInfoT::isEqual(ThisBucket->first, TombstoneKey) && !FoundTombstone)
FoundTombstone = ThisBucket; // 记录下墓碑
//这里涉及到最初定义 typedef objc::DenseMap,size_t,true> RefcountMap, 传入的第三个参数 true
//这个参数代表是否可以清除 0 值, 也就是说这个参数为 true 并且没有墓碑的时候, 会记录下找到的 value 为 0 的桶
if (ZeroValuesArePurgeable &&
ThisBucket->second == 0 && !FoundTombstone)
FoundTombstone = ThisBucket;
//用于计数的 ProbeAmt 如果大于了数组容量, 就会抛出异常
if (ProbeAmt > NumBuckets) {
_objc_fatal("...");
}
BucketNo += ProbeAmt++; //本次哈希计算得出的下表不符合, 则利用 ProbeAmt 寻找下一个下标
BucketNo&= (NumBuckets-1); //得到新的数字和数组下标最大值按位与
}
}
BucketT *InsertIntoBucketImpl(const KeyT &Key, BucketT *TheBucket) {
unsigned NewNumEntries = getNumEntries() + 1; //桶的使用量 +1
unsigned NumBuckets = getNumBuckets(); //桶的总数
if (NewNumEntries*4 >= NumBuckets*3) { //使用量超过 3/4
this->grow(NumBuckets * 2); //数组大小 * 2做参数, grow 中会决定具体数值
//grow 中会重新布置所有桶的位置, 所以将要插入的对象也要重新确定位置
LookupBucketFor(Key, TheBucket);
NumBuckets = getNumBuckets(); //获取最新的数组大小
}
//如果空桶数量少于 1/8, 哈希查找会很难定位到空桶的位置
if (NumBuckets-(NewNumEntries+getNumTombstones()) <= NumBuckets/8) {
//grow 以原大小重新开辟空间, 重新安排桶的位置并能清除墓碑
this->grow(NumBuckets);
LookupBucketFor(Key, TheBucket); //重新布局后将要插入的对象也要重新确定位置
}
assert(TheBucket);
//找到的 BucketT 标记了 EmptyKey, 可以直接使用
if (KeyInfoT::isEqual(TheBucket->first, getEmptyKey())) {
incrementNumEntries(); //桶使用量 +1
}
else if (KeyInfoT::isEqual(TheBucket->first, getTombstoneKey())) { //如果找到的是墓碑
incrementNumEntries(); //桶使用量 +1
decrementNumTombstones(); //墓碑数量 -1
}
else if (ZeroValuesArePurgeable && TheBucket->second == 0) { //找到的位置是 value 为 0 的位置
TheBucket->second.~ValueT(); //测试中这句代码被直接跳过并没有执行, value 还是 0
} else {
// 其它情况, 并没有成员数量的变化(官方注释是 Updating an existing entry.)
}
return TheBucket;
}
weak_table_t
在SideTable
结构体中,储存对象弱引用指针的Hash表,weak功能实现的核心数据结构
首先我们来看一下weak_table_t结构体的源码:
struct weak_table_t {
weak_entry_t *weak_entries;//连续地址空间的头指针,数组
size_t num_entries;//数组中已占用位置的个数
uintptr_t mask;//数组下标最大值(即数组大小 -1)
uintptr_t max_hash_displacement;//最大哈希偏移值
};
weak_table
是一个哈希表的结构, 根据 weak
指针指向的对象的地址计算哈希值, 哈希值相同的对象按照下标 +1
的形式向后查找可用位置, 是典型的闭散列算法. 最大哈希偏移值即是所有对象中计算出的哈希值和实际插入位置的最大偏移量, 在查找时可以作为循环的上限.
源码如下:
struct weak_entry_t {
DisguisedPtr<objc_object> referent; //对象地址
union { //这里又是一个联合体, 苹果设计的数据结构的确很棒
struct {
// 因为这里要存储的又是一个 weak 指针数组, 所以苹果继续选择采用哈希算法
weak_referrer_t *referrers; //指向 referent 对象的 weak 指针数组
uintptr_t out_of_line_ness : 2; //这里标记是否超过内联边界, 下面会提到
uintptr_t num_refs : PTR_MINUS_2; //数组中已占用的大小
uintptr_t mask; //数组下标最大值(数组大小 - 1)
uintptr_t max_hash_displacement; //最大哈希偏移值
};
struct {
//这是一个取名叫内联引用的数组
weak_referrer_t inline_referrers[WEAK_INLINE_COUNT]; //宏定义的值是 4
};
};
// weak_entry_t 的赋值操作,直接使用 memcpy 函数拷贝 other 内存里面的内容到 this 中,
// 而不是用复制构造函数什么的形式实现,应该也是为了提高效率考虑的...
weak_entry_t& operator=(const weak_entry_t& other) {
memcpy(this, &other, sizeof(other));
return *this;
}
// 返回 true 表示使用 referrers 哈希数组 false 表示使用 inline_referrers 数组保存 weak_referrer_t
bool out_of_line() {
return (out_of_line_ness == REFERRERS_OUT_OF_LINE);
}
// weak_entry_t 的构造函数
// newReferent 是原始对象的指针,
// newReferrer 则是指向 newReferent 的弱引用变量的指针。
// 初始化列表 referent(newReferent) 会调用: DisguisedPtr(T* ptr) : value(disguise(ptr)) { } 构造函数,
// 调用 disguise 函数把 newReferent 转化为一个整数赋值给 value。
weak_entry_t(objc_object *newReferent, objc_object **newReferrer)
: referent(newReferent)
{
// 把 newReferrer 放在数组 0 位,也会调用 DisguisedPtr 构造函数,把 newReferrer 转化为整数保存
inline_referrers[0] = newReferrer;
// 循环把 inline_referrers 数组的剩余 3 位都置为 nil
for (int i = 1; i < WEAK_INLINE_COUNT; i++) {
inline_referrers[i] = nil;
}
}
}
我们通过对象的地址, 可以在 weak_table_t
中找到对应的 weak_entry_t
, weak_entry_t
中保存了所有指向这个对象的 weak
指针
苹果在 weak_entry_t
中又使用了一个共用体, 第一个结构体中 out_of_line_ness
占用 2bit
, num_refs
在 64
位环境下占用了 62bit
, 所以实际上两个结构体都是 32 字节
, 共用一段地址. 当指向这个对象的 weak
指针不超过 4
个, 则直接使用数组 inline_referrers
, 省去了哈希操作的步骤, 如果 weak
指针个数超过了 4
个, 就要使用第一个结构体中的哈希表.
weak_table_t
的工作逻辑(后面再放上源码实现,这样便于理解):ARC
下, 编译器会自动添加管理引用计数的代码, weak
指针赋值的时候, 编译器会调用 storeWeak
来赋值, 若 weak
指针有指向的对象, 那么会先调用 weak_unregister_no_lock()
方法来从原有的表中先删除这个 weak
指针, 然后再调用 weak_register_no_lock()
来向对应的表中插入这个 weak
指针SideTables()
中找到对应的 SideTable
, 再进一步使用这个对象地址来从 SideTable
的 weak_table
中找到对应的 weak_entry_t
. 最终要进行操作的就是这个 weak_entry_t
.weak
指针不超过 4
个, 则直接操作 inline_referrers
数组, 否则会为 referrers
数组申请内存, 采用哈希算法来管理表.weak
指针时, 会使用原本指向的对象的地址来查找对应的 weak_entry_t
, 从中删除这个 weak
指针. 如果删除之后 weak
指针数组为空, 则销毁这个 weak_entry_t
, 原有位置置空, 原本被指向对象的 isa
指针的 weak
引用标记位 0
.weak
指针时, 如果查找到对应的 weak_entry_t
, 则将 weak
指针插入到 referrers
数组中. 如果没找到则创建一个 weak_entry_t
配置好后插入 weak_table_t
的数组中.到这里weak_table_t
中比较重要的逻辑就完成了,这就是ARC
为我们管理weak
指针的步骤
图示如下:
weak_table_t
中的 weak_entries
是成员为 weak_entry_t
的数组, weak_entry_t
就是对象与其 weak
指针数组的对应关系.
我们现在申请一个__weak修饰符修饰的变量,然后看一下汇编:
说到底就是两个重要部分:objc_initWeak
和objc_destroyWeak
,其中,咱们主要进行分析的是:objc_initWeak
。
我们看一下对应的源码部分:
id
objc_initWeak(id *location, id newObj)
{
if (!newObj) {
*location = nil;
return nil;
}
return storeWeak<DontHaveOld, DoHaveNew, DoCrashIfDeallocating>
(location, (objc_object*)newObj);
}
该方法的两个参数:location
和newObj
。
__weak指针
的地址,存储指针的地址,这样便可以在最后将其指向的对象置为nil
。obj
。很显然,如果这个weak指针如果要指向一个对象的话,就会调用storeWeak
方法,下面我们主要来看一下这个storeWeak
方法的源码实现。
storeWeak
方法源码如下:
// Template parameters.
enum HaveOld { DontHaveOld = false, DoHaveOld = true };
enum HaveNew { DontHaveNew = false, DoHaveNew = true };
enum CrashIfDeallocating {
DontCrashIfDeallocating = false, DoCrashIfDeallocating = true
};
template <HaveOld haveOld, HaveNew haveNew,
CrashIfDeallocating crashIfDeallocating>
static id
storeWeak(id *location, objc_object *newObj)
{
assert(haveOld || haveNew);
if (!haveNew) assert(newObj == nil);
Class previouslyInitializedClass = nil;
id oldObj;
SideTable *oldTable;
SideTable *newTable;
// Acquire locks for old and new values.
// Order by lock address to prevent lock ordering problems.
// Retry if the old value changes underneath us.
retry:
if (haveOld) { // 如果weak ptr之前弱引用过一个obj,则将这个obj所对应的SideTable取出,赋值给oldTable
oldObj = *location;
oldTable = &SideTables()[oldObj];
} else {
oldTable = nil; // 如果weak ptr之前没有弱引用过一个obj,则oldTable = nil
}
if (haveNew) { // 如果weak ptr要weak引用一个新的obj,则将该obj对应的SideTable取出,赋值给newTable
newTable = &SideTables()[newObj];
} else {
newTable = nil; // 如果weak ptr不需要引用一个新obj,则newTable = nil
}
// 加锁操作,防止多线程中竞争冲突
SideTable::lockTwo<haveOld, haveNew>(oldTable, newTable);
// 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 可能是又被其他线程所修改
if (haveOld && *location != oldObj) {
SideTable::unlockTwo<haveOld, haveNew>(oldTable, newTable);
goto retry;
}
// Prevent a deadlock between the weak reference machinery
// and the +initialize machinery by ensuring that no
// weakly-referenced object has an un-+initialized isa.
// 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) {
Class cls = newObj->getIsa();
if (cls != previouslyInitializedClass &&
!((objc_class *)cls)->isInitialized()) // 如果cls还没有初始化,先初始化,再尝试设置weak
{
SideTable::unlockTwo<haveOld, haveNew>(oldTable, newTable);
_class_initialize(_class_getNonMetaClass(cls, (id)newObj));
// If this class is finished with +initialize then we're good.
// If this class is still running +initialize on this thread
// (i.e. +initialize called storeWeak on an instance of itself)
// then we may proceed but it will appear initializing and
// not yet initialized to the check above.
// Instead set previouslyInitializedClass to recognize it on retry.
previouslyInitializedClass = cls; // 这里记录一下previouslyInitializedClass, 防止改if分支再次进入
goto retry; // 重新获取一遍newObj,这时的newObj应该已经初始化过了
}
}
// Clean up old value, if any.
if (haveOld) {
weak_unregister_no_lock(&oldTable->weak_table, oldObj, location); // 如果weak_ptr之前弱引用过别的对象oldObj,则调用weak_unregister_no_lock,在oldObj的weak_entry_t中移除该weak_ptr地址
}
// Assign new value, if any.
if (haveNew) { // 如果weak_ptr需要弱引用新的对象newObj
// (1) 调用weak_register_no_lock方法,将weak ptr的地址记录到newObj对应的weak_entry_t中
newObj = (objc_object *)
weak_register_no_lock(&newTable->weak_table, (id)newObj, location,
crashIfDeallocating);
// weak_register_no_lock returns nil if weak store should be rejected
// (2) 更新newObj的isa的weakly_referenced bit标志位(因为类的优化版的isa指针里面有一个标记是否被弱引用的成员变量)
// Set is-weakly-referenced bit in refcount table.
if (newObj && !newObj->isTaggedPointer()) {
newObj->setWeaklyReferenced_nolock();
}
// Do not set *location anywhere else. That would introduce a race.
// (3)*location 赋值,也就是将weak ptr直接指向了newObj。可以看到,这里并没有将newObj的引用计数+1
*location = (id)newObj; // 将weak ptr指向object
}
else {
// No new value. The storage is not changed.
}
// 解锁,其他线程可以访问oldTable, newTable了
SideTable::unlockTwo<haveOld, haveNew>(oldTable, newTable);
return (id)newObj; // 返回newObj,此时的newObj与刚传入时相比,weakly-referenced bit位置1
}
storeWeak
方法的实现代码虽然有些长,但是并不难以理解。下面我们来分析下该方法的实现:
storeWeak
方法实际上是接收了3个参数,分别是haveOld
、haveNew
和crashIfDeallocating
,这三个参数都是以模板的方式传入的,是三个bool
类型的参数。 分别表示weak
指针之前是否指向了一个弱引用,weak
指针是否需要指向一个新的引用,若果被弱引用的对象正在析构,此时再弱引用该对象是否应该crash
。oldTable
和newTable
分别表示旧的引用弱表和新的弱引用表,它们都是SideTable
的hash
表。weak
指针之前指向了一个弱引用,则会调用weak_unregister_no_lock
方法将旧的weak
指针地址移除(前提是weak
指针会指向一个新的对象)。weak
指针需要指向一个新的引用,则会调用weak_register_no_lock
方法将新的weak
指针地址添加到弱引用表中。setWeaklyReferenced_nolock
方法修改weak
新引用的对象的bit标志位(优化版isa
指针的标记是否被弱引用的成员变量)我们清楚地知道了向weak_entry_t
中添加新指向的对象时的方法是weak_register_no_lock
,现在我们就来看看它的源码。
首先放上函数调用时传的参数接口,便于下方阅读源码:
weak_register_no_lock(&newTable->weak_table, (id)newObj, location,
crashIfDeallocating);
weak_register_no_lock
源码如下:
id
weak_register_no_lock(weak_table_t *weak_table, id referent_id,
id *referrer_id, bool crashIfDeallocating)
{
objc_object *referent = (objc_object *)referent_id;
objc_object **referrer = (objc_object **)referrer_id;
// 如果referent为nil 或 referent 采用了TaggedPointer计数方式,直接返回,不做任何操作
if (!referent || referent->isTaggedPointer()) return referent_id;
// 确保被引用的对象可用(没有在析构,同时应该支持weak引用)
bool deallocating;
if (!referent->ISA()->hasCustomRR()) {
deallocating = referent->rootIsDeallocating();
}
else {
BOOL (*allowsWeakReference)(objc_object *, SEL) =
(BOOL(*)(objc_object *, SEL))
object_getMethodImplementation((id)referent,
SEL_allowsWeakReference);
if ((IMP)allowsWeakReference == _objc_msgForward) {
return nil;
}
deallocating =
! (*allowsWeakReference)(referent, SEL_allowsWeakReference);
}
// 正在析构的对象,不能够被弱引用
if (deallocating) {
if (crashIfDeallocating) {
_objc_fatal("Cannot form weak reference to instance (%p) of "
"class %s. It is possible that this object was "
"over-released, or is in the process of deallocation.",
(void*)referent, object_getClassName((id)referent));
} else {
return nil;
}
}
// now remember it and where it is being stored
// 在 weak_table中找到referent对应的weak_entry,并将referrer加入到weak_entry中
weak_entry_t *entry;
if ((entry = weak_entry_for_referent(weak_table, referent))) { // 如果能找到weak_entry,则讲referrer插入到weak_entry中
append_referrer(entry, referrer); // 将referrer插入到weak_entry_t的引用数组中
}
else { // 如果找不到,就新建一个
weak_entry_t new_entry(referent, referrer);
weak_grow_maybe(weak_table);
weak_entry_insert(weak_table, &new_entry);
}
// Do not set *referrer. objc_storeWeak() requires that the
// value not change.
return referent_id;
}
该方法需要传进四个参数,它们代表的意义如下:
weak_table_t
结构类型的全局的弱引用表。weak
指针。weak
指针地址。crash
。从上面的代码我么可以知道该方法主要的做了如下几个方便的工作:
referent
为nil
或 referent
采用了TaggedPointer
计数方式,直接返回,不做任何操作。weak
引用,直接返回nil
。weak
引用,则调用weak_entry_for_referent
方法根据弱引用对象的地址从弱引用表中找到对应的weak_entry
,如果能够找到则调用append_referrer
方法向其中插入weak
指针地址。否则新建一个weak_entry
。接下来我们就来看从弱引用表中找相应weak_entry
的方法weak_entry_for_referent
的源码实现:
源码如下:
static weak_entry_t *
weak_entry_for_referent(weak_table_t *weak_table, objc_object *referent)
{
assert(referent);
weak_entry_t *weak_entries = weak_table->weak_entries;
if (!weak_entries) return nil;
size_t begin = hash_pointer(referent) & weak_table->mask; // 这里通过 & weak_table->mask的位操作,来确保index不会越界
size_t index = begin;
size_t hash_displacement = 0;
while (weak_table->weak_entries[index].referent != referent) {
index = (index+1) & weak_table->mask;
if (index == begin) bad_weak_table(weak_table->weak_entries); // 触发bad weak table crash
hash_displacement++;
if (hash_displacement > weak_table->max_hash_displacement) { // 当hash冲突超过了可能的max hash 冲突时,说明元素没有在hash表中,返回nil
return nil;
}
}
return &weak_table->weak_entries[index];
}
接着我们来看一下向weak_entry
中添加元素的方法append_referrer
的源码实现:
static void append_referrer(weak_entry_t *entry, objc_object **new_referrer)
{
if (! entry->out_of_line()) { // 如果weak_entry 尚未使用动态数组,走这里
// Try to insert inline.
//尝试插入内联引用的数组
for (size_t i = 0; i < WEAK_INLINE_COUNT; i++) {
if (entry->inline_referrers[i] == nil) {
entry->inline_referrers[i] = new_referrer;
return;
}
}
// 如果inline_referrers的位置已经存满了,则要转型为referrers,做动态数组。
// Couldn't insert inline. Allocate out of line.
weak_referrer_t *new_referrers = (weak_referrer_t *)
calloc(WEAK_INLINE_COUNT, sizeof(weak_referrer_t));
// This constructed table is invalid, but grow_refs_and_insert
// will fix it and rehash it.
for (size_t i = 0; i < WEAK_INLINE_COUNT; i++) {
new_referrers[i] = entry->inline_referrers[I];
}
entry->referrers = new_referrers;
entry->num_refs = WEAK_INLINE_COUNT;
entry->out_of_line_ness = REFERRERS_OUT_OF_LINE;
entry->mask = WEAK_INLINE_COUNT-1;
entry->max_hash_displacement = 0;
}
// 对于动态数组的附加处理:
assert(entry->out_of_line()); // 断言: 此时一定使用的动态数组
if (entry->num_refs >= TABLE_SIZE(entry) * 3/4) { // 如果动态数组中元素个数大于或等于数组位置总空间的3/4,则扩展数组空间为当前长度的一倍
return grow_refs_and_insert(entry, new_referrer); // 扩容,并插入
}
// 如果不需要扩容,直接插入到weak_entry中
// 注意,weak_entry是一个哈希表,key:w_hash_pointer(new_referrer) value: new_referrer
// 细心的人可能注意到了,这里weak_entry_t 的hash算法和 weak_table_t的hash算法是一样的,同时扩容/减容的算法也是一样的
size_t begin = w_hash_pointer(new_referrer) & (entry->mask); // '& (entry->mask)' 确保了 begin的位置只能大于或等于 数组的长度
size_t index = begin; // 初始的hash index
size_t hash_displacement = 0; // 用于记录hash冲突的次数,也就是hash再位移的次数
while (entry->referrers[index] != nil) {
hash_displacement++;
index = (index+1) & entry->mask; // index + 1, 移到下一个位置,再试一次能否插入。(这里要考虑到entry->mask取值,一定是:0x111, 0x1111, 0x11111, ... ,因为数组每次都是*2增长,即8, 16, 32,对应动态数组空间长度-1的mask,也就是前面的取值。)
if (index == begin) bad_weak_table(entry); // index == begin 意味着数组绕了一圈都没有找到合适位置,这时候一定是出了什么问题。
}
if (hash_displacement > entry->max_hash_displacement) { // 记录最大的hash冲突次数, max_hash_displacement意味着: 我们尝试至多max_hash_displacement次,肯定能够找到object对应的hash位置
entry->max_hash_displacement = hash_displacement;
}
// 将ref存入hash数组,同时,更新元素个数num_refs
weak_referrer_t &ref = entry->referrers[index];
ref = new_referrer;
entry->num_refs++;
}
这段代码首先确定是使用定长数组还是动态数组,如果是使用定长数组,则直接将weak
指针地址添加到数组即可,如果定长数组已经用尽,则需要将定长数组中的元素转存到动态数组中。
接着我们来看一下weak
指针移除弱引用,需要清除weak_entry
时调用的方法:weak_unregister_no_lock
,方法里面将旧的weak
指针地址移除了。
如果weak
指针之前指向了一个弱引用,则会调用weak_unregister_no_lock
方法将旧的weak
指针地址移除。源码如下:
void
weak_unregister_no_lock(weak_table_t *weak_table, id referent_id,
id *referrer_id)
{
//对象的地址
objc_object *referent = (objc_object *)referent_id;
//weak指针地址
objc_object **referrer = (objc_object **)referrer_id;
weak_entry_t *entry;
if (!referent) return;
if ((entry = weak_entry_for_referent(weak_table, referent))) { // 查找到referent所对应的weak_entry_t
remove_referrer(entry, referrer); // 在referent所对应的weak_entry_t的hash数组中,移除referrer
// 移除元素之后, 要检查一下weak_entry_t的hash数组是否已经空了
bool empty = true;
if (entry->out_of_line() && entry->num_refs != 0) {
empty = false;
}
else {
for (size_t i = 0; i < WEAK_INLINE_COUNT; i++) {
if (entry->inline_referrers[i]) {
empty = false;
break;
}
}
}
if (empty) { // 如果weak_entry_t的hash数组已经空了,则需要将weak_entry_t从weak_table中移除
weak_entry_remove(weak_table, entry);
}
}
// Do not set *referrer = nil. objc_storeWeak() requires that the
// value not change.
}
浅浅总结:
weak_table
中找出referent
对应的weak_entry_t
weak_entry_t
中移除referrer
weak_entry_t
中是否还有元素 (empty==true?)
weak_entry_t
已经没有元素了,则需要将weak_entry_t
从weak_table
中移除到这里为止就是对于一个对象做weak
引用时底层做的事情,用weak
引用对象后引用计数并不会加1
,当对象释放时,所有weak
引用它的指针又是如何自动设置为nil
的呢?
接下来我们就来分析一下dealloc时的源码实现,回答这个问题。
当对象的引用计数为0
时,底层会调用_objc_rootDealloc
方法对对象进行释放,而在_objc_rootDealloc
方法里面会调用rootDealloc
方法。如下是rootDealloc
方法的代码实现:
inline void
objc_object::rootDealloc()
{
if (isTaggedPointer()) return; // fixme necessary?
if (fastpath(isa.nonpointer &&
!isa.weakly_referenced &&
!isa.has_assoc &&
!isa.has_cxx_dtor &&
!isa.has_sidetable_rc))
{
assert(!sidetable_present());
free(this);
}
else {
object_dispose((id)this);
}
}
Tagged Pointer
,如果是则直接返回。!isa.weakly_referenced
、没有关联对象!isa.has_assoc
、没有自定义的C++
析构方法!isa.has_cxx_dtor
、没有用到SideTable
来引用计数!isa.has_sidetable_rc
则直接快速释放。object_dispose
方法。接着我们来分析一下object_dispose
方法的源码实现:
object_dispose
方法很简单,主要是内部调用了objc_destructInstance
方法,源码如下:
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);
obj->clearDeallocating();
}
return obj;
}
上面这一段代码很清晰,如果有自定义的C++析构方法,
则调用C++析构函数。
如果有关联对象
,则移除关联对象
并将其自身从Association Manager
的map
中移除。调用clearDeallocating
方法清除对象的相关引用。
接着我们来分析清除对象的相关引用的方法clearDeallocating
。
源码如下:
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());
}
clearDeallocating
中有两个分支,先判断对象是否采用了优化isa
引用计数,如果没有的话则需要调用sidetable_clearDeallocating
方法清理对象存储在SideTable
中的引用计数数据。如果对象采用了优化isa
引用计数,则判断是否有使用SideTable
的辅助引用计数(isa.has_sidetable_rc)
或者有weak
引用(isa.weakly_referenced)
,符合这两种情况中一种的,调用clearDeallocating_slow
方法。
下面就介绍一下sidetable_clearDeallocating
方法和clearDeallocating_slow
方法:
void
objc_object::sidetable_clearDeallocating()
{
SideTable& table = SideTables()[this];
// clear any weak table items
// clear extra retain count and deallocating bit
// (fixme warn or abort if extra retain count == 0 ?)
//清除所有弱表项
//清除额外的保留计数和释放位
//(如果额外保留计数==0,则修复警告或中止)
table.lock();
RefcountMap::iterator it = table.refcnts.find(this);
if (it != table.refcnts.end()) {
if (it->second & SIDE_TABLE_WEAKLY_REFERENCED) {
weak_clear_no_lock(&table.weak_table, (id)this);
}
table.refcnts.erase(it);
}
table.unlock();
}
NEVER_INLINE void
objc_object::clearDeallocating_slow()
{
assert(isa.nonpointer && (isa.weakly_referenced || isa.has_sidetable_rc));
SideTable& table = SideTables()[this]; // 在全局的SideTables中,以this指针为key,找到对应的SideTable
table.lock();
if (isa.weakly_referenced) { // 如果obj被弱引用
weak_clear_no_lock(&table.weak_table, (id)this); // 在SideTable的weak_table中对this进行清理工作
}
if (isa.has_sidetable_rc) { // 如果采用了SideTable做引用计数
table.refcnts.erase(this); // 在SideTable的引用计数中移除this
}
table.unlock();
}
在这里我们关心的是weak_clear_no_lock
方法。上面两个方法都调用了weak_clear_no_lock
来做weak_table
的清理工作。
源码如下:
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); // 找到referent在weak_table中对应的weak_entry_t
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;
// 找出weak引用referent的weak 指针地址数组以及数组长度
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]; // 取出每个weak ptr的地址
if (referrer) {
if (*referrer == referent) { // 如果weak ptr确实weak引用了referent,则将weak ptr设置为nil,这也就是为什么weak 指针会自动设置为nil的原因
*referrer = nil;
}
else if (*referrer) { // 如果所存储的weak ptr没有weak 引用referent,这可能是由于runtime代码的逻辑错误引起的,报错
_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); // 由于referent要被释放了,因此referent的weak_entry_t也要移除出weak_table
}
注意里面有一个关键的部分:
if (*referrer == referent) { // 如果weak ptr确实weak引用了referent,则将weak ptr设置为nil,这也就是为什么weak 指针会自动设置为nil的原因
*referrer = nil;
}
这个部分就是真正实现我们weak
指针指向的对象被释放时,将weak
指针指向置为nil
的操作的实现。
最后我们来看一下这个当weak指针销毁的时候调用的方法:objc_destroyWeak
,源码如下:
void
objc_destroyWeak(id *location)
{
(void)storeWeak<DoHaveOld, DontHaveNew, DontCrashIfDeallocating>
(location, nil);
}
源码非常简单地调用了storeWeak
方法,storeWeak
方法的源码我们之前已经分析过了,详情见上方源码注释。该处调用storeWeak
方法之后,由于没有指向新的对象,若我们的weak
指针原来已经指向一个对象的话就会到:weak_unregister_no_lock
中来将旧的weak
指针地址移除掉置为nil
,关于weak_unregister_no_lock
的具体源码实现详情见上方讲解。
1、weak
的原理在于底层维护了一张weak_table_t
结构的hash
表,key
是所指对象的地址,value
是weak
指针的地址数组。
2、weak
关键字的作用是弱引用,所引用对象的计数器不会加1
,并在引用对象被释放的时候自动被设置为 nil
。
3、对象释放时,调用clearDeallocating
函数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。
4、文章中介绍了SideTable
、weak_table_t
、weak_entry_t
这样三个结构,它们之间的关系如下图所示:
再次用大佬博客中的很全面的一张图解释整个weak_table_t
相关的关系: