weak 弱引用的实现方式

来源：冬瓜争做全栈瓜

链接：https://desgard.com/weak/

对于 runtime 的分析还有很长的路，最近在写 block 系列的同时，也回顾一下之前疏漏的细节知识。这篇文章是关于 weak 的具体实现的学习笔记。

runtime 对 __weak 弱引用处理方式

切入主题，这里笔者使用的 runtime 版本为 objc4-680.tar.gz。 我在入口文件 main.m 中加入如下代码：

int main(int argc, const char * argv[]) {

@autoreleasepool {

// insert code here...

NSObject *p = [[NSObject alloc] init];

__weak NSObject *p1 = p;

}

return 0;

}

单步运行，发现会跳入 NSObject.mm 中的 objc_initWeak() 这个方法。在进行编译过程前，clang 其实对 __weak 做了转换，将声明方式做出了如下调整。

NSObject objc_initWeak(&p, 对象指针);

其中的对象指针，就是代码中的 [[NSObject alloc] init] ，而 p 是我们传入的一个弱引用指针。而对于 objc_initWeak() 方法的实现，在 runtime 中的源码如下：

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。

需要注意的是，当修改弱引用的变量时，这个方法非线程安全。所以切记选择竞争带来的一些问题。

继续阅读 objc_storeWeak() 的实现：

// 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;

}

其中标注的一些要点，开始逐一介绍：

引用计数和弱引用依赖表 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 {

// 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;

}

在之前的 runtime 版本中，有一个较为重要的成员方法，用来根据对象的地址在缓存中取出对应的 SideTable 实例：

static SideTable *tableForPointer(const void *p);

而在上面 objc_storeWeak 方法中，取出实例的方法变成了 &SideTables()[xxxObj]; 这种方式。查看方法的实现，发现了如下函数：

static StripedMapSideTable>& SideTables() {

return *reinterpret_castStripedMapSideTable>*>(SideTableBuf);

}

在取出实例方法的实现中，使用了 C++ 标准转换运算符 reinterpret_cast ，其表达方式为：

reinterpret_cast new_type> (expression)

用来处理无关类型之间的转换。该关键字会产生一个新值，并保证与原参数（expression）拥有完全相同的比特位。

而 StripedMap 是一个模板类（Template Class），通过传入类（结构体）参数，会动态修改在该类中的一个 array 成员存储的元素类型，并且其中提供了一个针对于地址的 hash 算法，用作存储 key。可以说， StripedMap 提供了一套拥有将地址作为 key 的 hash table 解决方案，而该方案采用了模板类，是拥有泛型性的。

介绍了与对象相关联的 SideTable 检索方式，再来看 SideTable 的成员和作用。

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。

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。

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 {

// 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。

旧对象解除注册操作 weak_unregister_no_lock

#define WEAK_INLINE_COUNT 4

void weak_unregister_no_lock(weak_table_t *weak_table, id referent_id,

id *referrer_id) {

// 在入口方法中，传入了 weak_table 弱引用表，referent_id 旧对象以及 referent_id 旧对象对应的地址

// 用指针去访问 oldObj 和 *location

objc_object *referent = (objc_object *)referent_id;

objc_object **referrer = (objc_object **)referrer_id;

weak_entry_t *entry;

// 如果其对象为 nil，无需取消注册

if (!referent) return;

// weak_entry_for_referent 根据首对象查找 weak_entry

if ((entry = weak_entry_for_referent(weak_table, referent))) {

// 通过地址来解除引用关联

remove_referrer(entry, referrer);

bool empty = true;

// 检测 out_of_line 位的情况

// 检测 num_refs 位的情况

if (entry->out_of_line  &&  entry->num_refs != 0) {

empty = false;

}

else {

// 将引用表中记录为空

for (size_t i = 0; i  WEAK_INLINE_COUNT; i++) {

if (entry->inline_referrers[i]) {

empty = false;

break;

}

}

}

// 从弱引用的 zone 表中删除

if (empty) {

weak_entry_remove(weak_table, entry);

}

}

// 这里不会设置 *referrer = nil，因为 objc_storeWeak() 函数会需要该指针

}

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

id weak_register_no_lock(weak_table_t *weak_table, id referent_id,

id *referrer_id, bool crashIfDeallocating) {

// 在入口方法中，传入了 weak_table 弱引用表，referent_id 旧对象以及 referent_id 旧对象对应的地址

// 用指针去访问 oldObj 和 *location

objc_object *referent = (objc_object *)referent_id;

objc_object **referrer = (objc_object **)referrer_id;

// 检测对象是否生效、以及是否使用了 tagged pointer 技术

if (!referent  ||  referent->isTaggedPointer()) return referent_id;

// 保证引用对象是否有效

// hasCustomRR 方法检查类（包括其父类）中是否含有默认的方法

bool deallocating;

if (!referent->ISA()->hasCustomRR()) {

// 检查 dealloc 状态

deallocating = referent->rootIsDeallocating();

}

else {

// 会返回 referent 的 SEL_allowsWeakReference 方法的地址

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);

}

// 由于 dealloc 导致 crash ，并输出日志

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;

}

}

// 记录并存储对应引用表 weak_entry

weak_entry_t *entry;

// 对于给定的弱引用查询 weak_table

if ((entry = weak_entry_for_referent(weak_table, referent))) {

// 增加弱引用表于附加对象上

append_referrer(entry, referrer);

}

else {

// 自行创建弱引用表

weak_entry_t new_entry;

new_entry.referent = referent;

new_entry.out_of_line = 0;

new_entry.inline_referrers[0] = referrer;

for (size_t i = 1; i  WEAK_INLINE_COUNT; i++) {

new_entry.inline_referrers[i] = nil;

}

// 如果给定的弱引用表满容，进行自增长

weak_grow_maybe(weak_table);

// 向对象添加弱引用表关联，不进行检查直接修改指针指向

weak_entry_insert(weak_table, &new_entry);

}

// 这里不会设置 *referrer = nil，因为 objc_storeWeak() 函数会需要该指针

return referent_id;

}

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：

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。

以上就是对于 weak 弱引用对象的初始化时 runtime 内部的执行过程，想必阅读后会对其结构有更深的理解。