黑箱中的 retain 和 release
https://github.com/Draveness/Analyze/blob/master/contents/objc/黑箱中的%20retain%20和%20release.md
写在前面
在接口设计时,我们经常要考虑某些意义上的平衡。在内存管理中也是这样,Objective-C 同时为我们提供了增加引用计数的 retain
和减少引用计数的 release
方法。
这篇文章会在源代码层面介绍 Objective-C 中 retain
和 release
的实现,它们是如何达到平衡的。
从 retain 开始
如今我们已经进入了全面使用 ARC 的时代,几年前还经常使用的 retain
和 release
方法已经很难出现于我们的视野中了,绝大多数内存管理的实现细节都由编译器代劳。
在这里,我们还要从 retain
方法开始,对内存管理的实现细节一探究竟。
下面是 retain
方法的调用栈:
- [NSObject retain]
└── id objc_object::rootRetain()
└── id objc_object::rootRetain(bool tryRetain, bool handleOverflow)
├── uintptr_t LoadExclusive(uintptr_t *src)
├── uintptr_t addc(uintptr_t lhs, uintptr_t rhs, uintptr_t carryin, uintptr_t *carryout)
├── uintptr_t bits
│ └── uintptr_t has_sidetable_rc
├── bool StoreExclusive(uintptr_t *dst, uintptr_t oldvalue, uintptr_t value)
└── bool objc_object::sidetable_addExtraRC_nolock(size_t delta_rc)
└── uintptr_t addc(uintptr_t lhs, uintptr_t rhs, uintptr_t carryin, uintptr_t *carryout)
调用栈中的前两个方法的实现直接调用了下一个方法:
- (id)retain {
return ((id)self)->rootRetain();
}
id objc_object::rootRetain() {
return rootRetain(false, false);
}
而 id objc_object::rootRetain(bool tryRetain, bool handleOverflow)
方法是调用栈中最重要的方法,其原理就是将 isa
结构体中的 extra_rc
的值加一。
extra_rc
就是用于保存自动引用计数的标志位,下面就是 isa
结构体中的结构:
接下来我们会分三种情况对 rootRetain
进行分析。
正常的 rootRetain
这是简化后的 rootRetain
方法的实现,其中只有处理一般情况的代码:
id objc_object::rootRetain(bool tryRetain, bool handleOverflow) {
isa_t oldisa;
isa_t newisa;
do {
oldisa = LoadExclusive(&isa.bits);
newisa = oldisa;
uintptr_t carry;
newisa.bits = addc(newisa.bits, RC_ONE, 0, &carry);
} while (!StoreExclusive(&isa.bits, oldisa.bits, newisa.bits));
return (id)this;
}
在这里我们假设的条件是
isa
中的extra_rc
的位数足以存储retainCount
。
- 使用
LoadExclusive
加载isa
的值 - 调用
addc(newisa.bits, RC_ONE, 0, &carry)
方法将isa
的值加一 - 调用
StoreExclusive(&isa.bits, oldisa.bits, newisa.bits)
更新isa
的值 - 返回当前对象
有进位版本的 rootRetain
在这里调用 addc
方法为 extra_rc
加一时,8 位的 extra_rc
可能不足以保存引用计数。
id objc_object::rootRetain(bool tryRetain, bool handleOverflow) {
transcribeToSideTable = false;
isa_t oldisa = LoadExclusive(&isa.bits);
isa_t newisa = oldisa;
uintptr_t carry;
newisa.bits = addc(newisa.bits, RC_ONE, 0, &carry);
if (carry && !handleOverflow)
return rootRetain_overflow(tryRetain);
}
extra_rc
不足以保存引用计数,并且handleOverflow = false
。
当方法传入的 handleOverflow = false
时(这也是通常情况),我们会调用 rootRetain_overflow
方法:
id objc_object::rootRetain_overflow(bool tryRetain) {
return rootRetain(tryRetain, true);
}
这个方法其实就是重新执行 rootRetain
方法,并传入 handleOverflow = true
。
有进位版本的 rootRetain(处理溢出)
当传入的 handleOverflow = true
时,我们就会在 rootRetain
方法中处理引用计数的溢出。
id objc_object::rootRetain(bool tryRetain, bool handleOverflow) {
bool sideTableLocked = false;
isa_t oldisa;
isa_t newisa;
do {
oldisa = LoadExclusive(&isa.bits);
newisa = oldisa;
uintptr_t carry;
newisa.bits = addc(newisa.bits, RC_ONE, 0, &carry);
if (carry) {
newisa.extra_rc = RC_HALF;
newisa.has_sidetable_rc = true;
}
} while (!StoreExclusive(&isa.bits, oldisa.bits, newisa.bits));
sidetable_addExtraRC_nolock(RC_HALF);
return (id)this;
}
当调用这个方法,并且 handleOverflow = true
时,我们就可以确定 carry
一定是存在的了,
因为 extra_rc
已经溢出了,所以要更新它的值为 RC_HALF
:
#define RC_HALF (1ULL<<7)
extra_rc
总共为 8 位,RC_HALF = 0b10000000
。
然后设置 has_sidetable_rc
为真,存储新的 isa
的值之后,调用 sidetable_addExtraRC_nolock
方法。
bool objc_object::sidetable_addExtraRC_nolock(size_t delta_rc) {
SideTable& table = SideTables()[this];
size_t& refcntStorage = table.refcnts[this];
size_t oldRefcnt = refcntStorage;
if (oldRefcnt & SIDE_TABLE_RC_PINNED) return true;
uintptr_t carry;
size_t newRefcnt =
addc(oldRefcnt, delta_rc << SIDE_TABLE_RC_SHIFT, 0, &carry);
if (carry) {
refcntStorage = SIDE_TABLE_RC_PINNED | (oldRefcnt & SIDE_TABLE_FLAG_MASK);
return true;
} else {
refcntStorage = newRefcnt;
return false;
}
}
这里我们将溢出的一位 RC_HALF
添加到 oldRefcnt
中,其中的各种 SIDE_TABLE
宏定义如下:
#define SIDE_TABLE_WEAKLY_REFERENCED (1UL<<0)
#define SIDE_TABLE_DEALLOCATING (1UL<<1)
#define SIDE_TABLE_RC_ONE (1UL<<2)
#define SIDE_TABLE_RC_PINNED (1UL<<(WORD_BITS-1))
#define SIDE_TABLE_RC_SHIFT 2
#define SIDE_TABLE_FLAG_MASK (SIDE_TABLE_RC_ONE-1)
因为 refcnts
中的 64 为的最低两位是有意义的标志位,所以在使用 addc
时要将 delta_rc
左移两位,获得一个新的引用计数 newRefcnt
。
如果这时出现了溢出,那么就会撤销这次的行为。否则,会将新的引用计数存储到 refcntStorage
指针中。
也就是说,在 iOS 的内存管理中,我们使用了 isa
结构体中的 extra_rc
和 SideTable
来存储某个对象的自动引用计数。
更重要的是,如果自动引用计数为 1,extra_rc
实际上为 0,因为它保存的是额外的引用计数,我们通过这个行为能够减少很多不必要的函数调用。
到目前为止,我们已经从头梳理了 retain
方法的调用栈及其实现。下面要介绍的是在内存管理中,我们是如何使用 release
方法平衡这个方法的。
以 release 结束
与 release 方法相似,我们看一下这个方法简化后的调用栈:
- [NSObject release]
└── id objc_object::rootRelease()
└── id objc_object::rootRetain(bool performDealloc, bool handleUnderflow)
前面的两个方法的实现和 retain
中的相差无几,这里就直接跳过了。
同样,在分析 release
方法时,我们也根据上下文的不同,将 release
方法的实现拆分为三部分,说明它到底是如何调用的。
正常的 release
这一个版本的方法调用可以说是最简版本的方法调用了:
bool objc_object::rootRelease(bool performDealloc, bool handleUnderflow) {
isa_t oldisa;
isa_t newisa;
do {
oldisa = LoadExclusive(&isa.bits);
newisa = oldisa;
uintptr_t carry;
newisa.bits = subc(newisa.bits, RC_ONE, 0, &carry);
} while (!StoreReleaseExclusive(&isa.bits, oldisa.bits, newisa.bits));
return false;
}
- 使用
LoadExclusive
获取isa
内容 - 将
isa
中的引用计数减一 - 调用
StoreReleaseExclusive
方法保存新的isa
从 SideTable 借位
接下来,我们就要看两种相对比较复杂的情况了,首先是从 SideTable
借位的版本:
bool objc_object::rootRelease(bool performDealloc, bool handleUnderflow) {
isa_t oldisa;
isa_t newisa;
do {
oldisa = LoadExclusive(&isa.bits);
newisa = oldisa;
uintptr_t carry;
newisa.bits = subc(newisa.bits, RC_ONE, 0, &carry);
if (carry) goto underflow;
} while (!StoreReleaseExclusive(&isa.bits, oldisa.bits, newisa.bits));
...
underflow:
newisa = oldisa;
if (newisa.has_sidetable_rc) {
if (!handleUnderflow) {
return rootRelease_underflow(performDealloc);
}
size_t borrowed = sidetable_subExtraRC_nolock(RC_HALF);
if (borrowed > 0) {
newisa.extra_rc = borrowed - 1;
bool stored = StoreExclusive(&isa.bits, oldisa.bits, newisa.bits);
return false;
}
}
}
这里省去了使用锁来防止竞争条件以及调用
StoreExclusive
失败后恢复现场的代码。
我们会默认这里存在SideTable
,也就是has_sidetable_rc = true
。
你可以看到,这里也有一个 handleUnderflow
,与 retain 中的相同,如果发生了 underflow
,会重新调用该 rootRelease
方法,并传入 handleUnderflow = true
。
在调用 sidetable_subExtraRC_nolock
成功借位之后,我们会重新设置 newisa
的值 newisa.extra_rc = borrowed - 1
并更新 isa
。
release 中调用 dealloc
如果在 SideTable
中也没有获取到借位的话,就说明没有任何的变量引用了当前对象(即 retainCount = 0
),就需要向它发送 dealloc
消息了。
bool objc_object::rootRelease(bool performDealloc, bool handleUnderflow) {
isa_t oldisa;
isa_t newisa;
retry:
do {
oldisa = LoadExclusive(&isa.bits);
newisa = oldisa;
uintptr_t carry;
newisa.bits = subc(newisa.bits, RC_ONE, 0, &carry);
if (carry) goto underflow;
} while (!StoreReleaseExclusive(&isa.bits, oldisa.bits, newisa.bits));
...
underflow:
newisa = oldisa;
if (newisa.deallocating) {
return overrelease_error();
}
newisa.deallocating = true;
StoreExclusive(&isa.bits, oldisa.bits, newisa.bits);
if (performDealloc) {
((void(*)(objc_object *, SEL))objc_msgSend)(this, SEL_dealloc);
}
return true;
}
上述代码会直接调用 objc_msgSend
向当前对象发送 dealloc
消息。
不过为了确保消息只会发送一次,我们使用 deallocating
标记位。
获取自动引用计数
在文章的最结尾,笔者想要介绍一下 retainCount
的值是怎么计算的,我们直接来看 retainCount
方法的实现:
- (NSUInteger)retainCount {
return ((id)self)->rootRetainCount();
}
inline uintptr_t objc_object::rootRetainCount() {
isa_t bits = LoadExclusive(&isa.bits);
uintptr_t rc = 1 + bits.extra_rc;
if (bits.has_sidetable_rc) {
rc += sidetable_getExtraRC_nolock();
}
return rc;
}
根据方法的实现,retainCount 有三部分组成:
- 1
extra_rc
中存储的值sidetable_getExtraRC_nolock
返回的值
这也就证明了我们之前得到的结论。
小结
我们在这篇文章中已经介绍了 retain
和 release
这一对用于内存管理的方法是如何实现的,这里总结一下文章一下比较重要的问题。
extra_rc
只会保存额外的自动引用计数,对象实际的引用计数会在这个基础上 +1- Objective-C 使用
isa
中的extra_rc
和SideTable
来存储对象的引用计数 - 在对象的引用计数归零时,会调用
dealloc
方法回收对象
有关于自动释放池实现的介绍,可以看自动释放池的前世今生。
作者:Draveness
链接:http://www.jianshu.com/p/fff25c76aba4
來源:简书
著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权,非商业转载请注明出处。
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