深入理解Objective C的ARC机制

前言

本文的ARC特指Objective C的ARC，并不会讲解其他语言。另外，本文涉及到的原理部分较多，适合有一定经验的开发者。

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什么是ARC？

ARC的全称Auto Reference Counting. 也就是自动引用计数。那么，为什么要有ARC呢？

我们从C语言开始。使用C语言编程的时候，如果要在堆上分配一块内存，代码如下

//分配内存（malloc/calloc均可）
int * array = calloc(10, sizeof (int));

//释放内存
free(array);

C是面向过程的语言（Procedural programming），这种内存的管理方式简单直接。但是，对于面向对象编程，这种手动的分配释放毫无疑问会大大的增加代码的复杂度。

于是，OOP的语言引入了各种各样的内存管理方法，比如Java的垃圾回收和Objective C的引用计数。关于垃圾回收和饮用计数的对比，可以参见Brad Larson的这个SO回答。

Objective C的引用计数理解起来很容易，当一个对象被持有的时候计数加一，不再被持有的时候引用计数减一，当引用计数为零的时候，说明这个对象已经无用了，则将其释放。

引用计数分为两种：

• 手动引用计数（MRC）
• 自动引用计数（ARC）

在iOS开发早期，编写代码是采用MRC的

// MRC代码
NSObject * obj = [[NSObject alloc] init]; //引用计数为1
//不需要的时候
[obj release] //引用计数减1
//持有这个对象
[obj retain] //引用计数加1
//放到AutoReleasePool
[obj autorelease]//在auto release pool释放的时候，引用计数减1

虽说这种方式提供了面向对象的内存管理接口，但是开发者不得不花大量的时间在内存管理上，并且容易出现内存泄漏或者release一个已被释放的对象，导致crash。

再后来，Apple对iOS/Mac OS开发引入了ARC。使用ARC，开发者不再需要手动的retain/release/autorelease. 编译器会自动插入对应的代码，再结合Objective C的runtime，实现自动引用计数。

比如如下ARC代码：

NSObject * obj;
{
    obj = [[NSObject alloc] init]; //引用计数为1
}
NSLog(@"%@",obj);

等同于如下MRC代码

NSObject * obj;
{
    obj = [[NSObject alloc] init]; //引用计数为1
    [obj relrease]
}
NSLog(@"%@",obj);

在Objective C中，有三种类型是ARC适用的：

• block
• objective 对象，id, Class, NSError*等
• 由attribute((NSObject))标记的类型。

像double *,CFStringRef等不是ARC适用的，仍然需要手动管理内存。

Tips： 以CF开头的（Core Foundation）的对象往往需要手动管理内存。

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属性所有权

最后，我们在看看ARC中常见的所有权关键字，

• assign对应关键字__unsafe_unretained, 顾名思义，就是指向的对象被释放的时候，仍然指向之前的地址，容易引起野指针。
• copy对应关键字__strong,只不过在赋值的时候，调用copy方法。
• retain对应__strong
• strong对应__strong
• unsafe_unretained对应__unsafe_unretained
• weak对应__weak。

其中，__weak和__strong是本文要讲解的核心内容。

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ARC的内部实现

ARC背后的引用计数主要依赖于这三个方法：

• retain 增加引用计数
• release 降低引用计数，引用计数为0的时候，释放对象。
• autorelease 在当前的auto release pool结束后，降低引用计数。

在Cocoa Touch中，NSObject协议中定义了这三个方法，由于Cocoa Touch中，绝大部分类都继承自NSObject（NSObject类本身实现了NSObject协议），所以可以“免费”获得NSObject提供的运行时和ARC管理方法，这就是为什么适用OC开发iOS的时候，你的类要继承自NSObject。

既然ARC是引用计数，那么对应一个对象，内存中必然会有一个地方来存储这个对象的引用计数。iOS的Runtime是开源的，在这里可以下载到全部的代码，我们通过源代码一探究竟。

我们从retain入手,

- (id)retain {
    return ((id)self)->rootRetain();
}
inline id objc_object::rootRetain()
{
    if (isTaggedPointer()) return (id)this;
    return sidetable_retain();
}

所以说，本质上retain就是调用sidetable_retain，再看看sitetable_retain的实现：

id objc_object::sidetable_retain()
{
    //获取table
    SideTable& table = SideTables()[this];
    //加锁
    table.lock();
    //获取引用计数
    size_t& refcntStorage = table.refcnts[this];
    if (! (refcntStorage & SIDE_TABLE_RC_PINNED)) {
         //增加引用计数
        refcntStorage += SIDE_TABLE_RC_ONE;
    }
    //解锁
    table.unlock();
    return (id)this;
}

到这里，retain如何实现就很清楚了，通过SideTable这个数据结构来存储引用计数。我们看看这个数据结构的实现：

typedef objc::DenseMap<DisguisedPtr<objc_object>,size_t,true> RefcountMap;
struct SideTable {
    spinlock_t slock;
    RefcountMap refcnts;
    weak_table_t weak_table;
     //省略其他实现...
};

可以看到，这个数据结构就是存储了一个自旋锁，一个引用计数map。这个引用计数的map以对象的地址作为key，引用计数作为value。到这里，引用计数的底层实现我们就很清楚了。

存在全局的map，这个map以地址作为key，引用计数的值作为value。

再来看看release的实现：

    SideTable& table = SideTables()[this];
    bool do_dealloc = false;
    table.lock();
    //找到对应地址的
    RefcountMap::iterator it = table.refcnts.find(this);
    if (it == table.refcnts.end()) { //找不到的话，执行dellloc
        do_dealloc = true;
        table.refcnts[this] = SIDE_TABLE_DEALLOCATING;
    } else if (it->second < SIDE_TABLE_DEALLOCATING) {//引用计数小于阈值，dealloc
        do_dealloc = true;
        it->second |= SIDE_TABLE_DEALLOCATING;
    } else if (! (it->second & SIDE_TABLE_RC_PINNED)) {
    //引用计数减去1
        it->second -= SIDE_TABLE_RC_ONE;
    }
    table.unlock();
    if (do_dealloc  &&  performDealloc) {
        //执行dealloc
        ((void(*)(objc_object *, SEL))objc_msgSend)(this, SEL_dealloc);
    }
    return do_dealloc;

release的到这里也比较清楚了：查找map，对引用计数减1，如果引用计数小于阈值，则调用SEL_dealloc

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Autorelease pool

上文提到了，autorelease方法的作用是把对象放到autorelease pool中，到pool drain的时候，会释放池中的对象。举个例子

    __weak NSObject * obj;
    NSObject * temp = [[NSObject alloc] init];
    obj = temp;
    NSLog(@"%@",obj); //非空

放到auto release pool中，

    __weak NSObject * obj;
    @autoreleasepool {
        NSObject * temp = [[NSObject alloc] init];
        obj = temp;
    }
    NSLog(@"%@",obj); //null

可以看到，放到自动释放池的对象是在超出自动释放池作用域后立即释放的。事实上在iOS 程序启动之后，主线程会启动一个Runloop，这个Runloop在每一次循环是被自动释放池包裹的，在合适的时候对池子进行清空。

对于Cocoa框架来说，提供了两种方式来把对象显式的放入AutoReleasePool.

• NSAutoreleasePool(只能在MRC下使用)
• @autoreleasepool {}代码块(ARC和MRC下均可以使用)

那么AutoRelease pool又是如何实现的呢？

我们先从autorelease方法源码入手

//autorelease方法
- (id)autorelease {
    return ((id)self)->rootAutorelease();
}

//rootAutorelease 方法
inline id objc_object::rootAutorelease()
{
    if (isTaggedPointer()) return (id)this;

    //检查是否可以优化
    if (prepareOptimizedReturn(ReturnAtPlus1)) return (id)this;
    //放到auto release pool中。
    return rootAutorelease2();
}

// rootAutorelease2
id objc_object::rootAutorelease2()
{
    assert(!isTaggedPointer());
    return AutoreleasePoolPage::autorelease((id)this);
}

可以看到，把一个对象放到auto release pool中，是调用了AutoreleasePoolPage::autorelease这个方法。

我们继续查看对应的实现：

public: static inline id autorelease(id obj)
    {
        assert(obj);
        assert(!obj->isTaggedPointer());
        id *dest __unused = autoreleaseFast(obj);
        assert(!dest  ||  dest == EMPTY_POOL_PLACEHOLDER  ||  *dest == obj);
        return obj;
    }

static inline id *autoreleaseFast(id obj)
    {
        AutoreleasePoolPage *page = hotPage();
        if (page && !page->full()) {
            return page->add(obj);
        } else if (page) {
            return autoreleaseFullPage(obj, page);
        } else {
            return autoreleaseNoPage(obj);
        }
    }
id *add(id obj)
    {
        assert(!full());
        unprotect();
        id *ret = next;  // faster than `return next-1` because of aliasing
        *next++ = obj;
        protect();
        return ret;
    }

到这里，autorelease方法的实现就比较清楚了，

autorelease方法会把对象存储到AutoreleasePoolPage的链表里。等到auto release pool被释放的时候，把链表内存储的对象删除。所以，AutoreleasePoolPage就是自动释放池的内部实现。

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__weak与__strong

用过block的同学一定写过类似的代码：

__weak typeSelf(self) weakSelf = self;

[object fetchSomeFromRemote:^{
    __strong typeSelf(weakSelf) strongSelf = weakSelf;
    //从这里开始用strongSelf
}];

那么，为什么要这么用呢？原因是：

• block会捕获外部变量，用weakSelf保证self不会被block被捕获，防止引起循环引用或者不必要的额外生命周期。
• 用strongSelf则保证在block的执行过程中，对象不会被释放掉。

首先__strong和__weak都是关键字，是给编译器理解的。为了理解其原理，我们需要查看它们编译后的代码，使用XCode，我们可以容易的获得一个文件的汇编代码。

比如，对于Test.m文件，当源代码如下时：

 #import "Test.h"

 @implementation Test

- (void)testFunction{
    {
        __strong NSObject * temp = [[NSObject alloc] init];
    }
}

@end

转换后的汇编代码如下：

Ltmp3:
    .loc    2 15 37 prologue_end    ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/Test.m:15:37
    ldr     x9, [x9]
    ldr     x1, [x8]
    mov  x0, x9
    bl  _objc_msgSend
    adrp    x8, L_OBJC_SELECTOR_REFERENCES_.2@PAGE
    add x8, x8, L_OBJC_SELECTOR_REFERENCES_.2@PAGEOFF
    .loc    2 15 36 is_stmt 0       ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/Test.m:15:36
    ldr     x1, [x8]
    .loc    2 15 36 discriminator 1 ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/Test.m:15:36
    bl  _objc_msgSend
    mov x8, #0
    add x9, sp, #8              ; =8
    .loc    2 15 29                 ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/Test.m:15:29
    str x0, [sp, #8]
Ltmp4:
    .loc    2 16 5 is_stmt 1        ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/Test.m:16:5
    mov  x0, x9
    mov  x1, x8
    bl  _objc_storeStrong
    .loc    2 17 1                  ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/Test.m:17:1
    ldp x29, x30, [sp, #32]     ; 8-byte Folded Reload
    add sp, sp, #48             ; =48
    ret
Ltmp5:

即使你不懂汇编，也能很轻易的获取到调用顺序如下

_objc_msgSend // alloc
_objc_msgSend // init
_objc_storeStrong // 强引用

在结合Runtime的源码，我们看看最关键的objc_storeStrong的实现

void objc_storeStrong(id *location, id obj)
{
    id prev = *location;
    if (obj == prev) {
        return;
    }
    objc_retain(obj);
    *location = obj;
    objc_release(prev);
}

id objc_retain(id obj) { return [obj retain]; }
void objc_release(id obj) { [obj release]; }

我们再来看看__weak. 将Test.m修改成为如下代码，同样我们分析其汇编实现

    .loc    2 15 35 prologue_end    ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/Test.m:15:35
    ldr     x9, [x9]
    ldr     x1, [x8]
    mov  x0, x9
    bl  _objc_msgSend
    adrp    x8, L_OBJC_SELECTOR_REFERENCES_.2@PAGE
    add x8, x8, L_OBJC_SELECTOR_REFERENCES_.2@PAGEOFF
    .loc    2 15 34 is_stmt 0       ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/Test.m:15:34
    ldr     x1, [x8]
    .loc    2 15 34 discriminator 1 ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/Test.m:15:34
    bl  _objc_msgSend
    add x8, sp, #24             ; =24
    .loc    2 15 27                 ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/Test.m:15:27
    mov  x1, x0
    .loc    2 15 27 discriminator 2 ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/Test.m:15:27
    str x0, [sp, #16]           ; 8-byte Folded Spill
    mov  x0, x8
    bl  _objc_initWeak
    .loc    2 15 27                 ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/Test.m:15:27
    ldr x1, [sp, #16]           ; 8-byte Folded Reload
    .loc    2 15 27 discriminator 3 ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/Test.m:15:27
    str x0, [sp, #8]            ; 8-byte Folded Spill
    mov  x0, x1
    bl  _objc_release
    add x8, sp, #24  
    Ltmp4:
    .loc    2 16 5 is_stmt 1        ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/Test.m:16:5
    mov  x0, x8
    bl  _objc_destroyWeak
    .loc    2 17 1                  ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/Test.m:17:1
    ldp x29, x30, [sp, #48]     ; 8-byte Folded Reload
    add sp, sp, #64             ; =64
    ret

可以看到，__weak本身实现的核心就是以下两个方法

• _objc_initWeak
• _objc_destroyWeak

我们通过Runtime的源码分析这两个方法的实现：

id objc_initWeak(id *location, id newObj)
{
    //省略....
    return storeWeak<false/*old*/, true/*new*/, true/*crash*/>
        (location, (objc_object*)newObj);
}
void objc_destroyWeak(id *location)
{
    (void)storeWeak<true/*old*/, false/*new*/, false/*crash*/>
        (location, nil);
}

所以，本质上都是调用了storeWeak函数，这个函数内容较多，主要做了以下事情

• 获取存储weak对象的map，这个map的key是对象的地址，value是weak引用的地址。
• 当对象被释放的时候，根据对象的地址可以找到对应的weak引用的地址，将其置为nil即可。

这就是在weak背后的黑魔法。

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总结

这篇文章属于想到哪里写到哪里的类型，后边有时间了在继续总结ARC的东西吧。