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 Ios教程網 >> IOS編程開發 >> IOS開發基礎 >> 深入理解Objective C的ARC機制

深入理解Objective C的ARC機制

編輯：IOS開發基礎

timg (3).jpg

前言

本文的ARC特指Objective C的ARC，並不會講解其他語言。另外，本文涉及到的原理部分較多，適合有一定經驗的開發者。

什麼是ARC？

ARC的全稱Auto Reference Counting. 也就是自動引用計數。那麼，為什麼要有ARC呢？

我們從C語言開始。使用C語言編程的時候，如果要在堆上分配一塊內存，代碼如下

//分配內存（malloc/calloc均可）
int * array = calloc(10, sizeof (int));
//釋放內存
free(array);1234512345


C是面向過程的語言（Procedural programming），這種內存的管理方式簡單直接。但是，對於面向對象編程，這種手動的分配釋放毫無疑問會大大的增加代碼的復雜度。

於是，OOP的語言引入了各種各樣的內存管理方法，比如Java的垃圾回收和Objective C的引用計數。關於垃圾回收和飲用計數的對比，可以參見Brad Larson的這個SO回答。

Objective C的引用計數理解起來很容易，當一個對象被持有的時候計數加一，不再被持有的時候引用計數減一，當引用計數為零的時候，說明這個對象已經無用了，則將其釋放。

引用計數分為兩種：

  • 手動引用計數（MRC）

  • 自動引用計數（ARC）

在iOS開發早期，編寫代碼是采用MRC的

// MRC代碼
NSObject * obj = [[NSObject alloc] init]; //引用計數為1
//不需要的時候
[obj release] //引用計數減1
//持有這個對象
[obj retain] //引用計數加1
//放到AutoReleasePool
[obj autorelease]//在auto release pool釋放的時候，引用計數減1

雖說這種方式提供了面向對象的內存管理接口，但是開發者不得不花大量的時間在內存管理上，並且容易出現內存洩漏或者release一個已被釋放的對象，導致crash。

再後來，Apple對iOS/Mac OS開發引入了ARC。使用ARC，開發者不再需要手動的retain/release/autorelease. 編譯器會自動插入對應的代碼，再結合Objective C的runtime，實現自動引用計數。

比如如下ARC代碼：

NSObject * obj;
{
    obj = [[NSObject alloc] init]; //引用計數為1
}
NSLog(@"%@",obj);

等同於如下MRC代碼

NSObject * obj;
{
    obj = [[NSObject alloc] init]; //引用計數為1
    [obj relrease]
}
NSLog(@"%@",obj);

在Objective C中，有三種類型是ARC適用的：

  • block

  • objective 對象，id, Class, NSError*等

  • 由attribute((NSObject))標記的類型。

像double *,CFStringRef等不是ARC適用的，仍然需要手動管理內存。

Tips： 以CF開頭的（Core Foundation）的對象往往需要手動管理內存。

屬性所有權

最後，我們在看看ARC中常見的所有權關鍵字，

  • assign對應關鍵字__unsafe_unretained, 顧名思義，就是指向的對象被釋放的時候，仍然指向之前的地址，容易引起野指針。

  • copy對應關鍵字__strong,只不過在賦值的時候，調用copy方法。

  • retain對應__strong

  • strong對應__strong

  • unsafe_unretained對應__unsafe_unretained

  • weak對應__weak。

其中，__weak和__strong是本文要講解的核心內容。

ARC的內部實現

ARC背後的引用計數主要依賴於這三個方法：

  • retain 增加引用計數

  • release 降低引用計數，引用計數為0的時候，釋放對象。

  • autorelease 在當前的auto release pool結束後，降低引用計數。

在Cocoa Touch中，NSObject協議中定義了這三個方法，由於Cocoa Touch中，絕大部分類都繼承自NSObject（NSObject類本身實現了NSObject協議），所以可以“免費”獲得NSObject提供的運行時和ARC管理方法，這就是為什麼適用OC開發iOS的時候，你的類要繼承自NSObject。

既然ARC是引用計數，那麼對應一個對象，內存中必然會有一個地方來存儲這個對象的引用計數。iOS的Runtime是開源的，在這裡可以下載到全部的代碼，我們通過源代碼一探究竟。

我們從retain入手,

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

所以說，本質上retain就是調用sidetable_retain，再看看sitetable_retain的實現：

id objc_object::sidetable_retain()
{
    //獲取table
    SideTable& table = SideTables()[this];
    //加鎖
    table.lock();
    //獲取引用計數
    size_t& refcntStorage = table.refcnts[this];
    if (! (refcntStorage & SIDE_TABLE_RC_PINNED)) {
         //增加引用計數
        refcntStorage += SIDE_TABLE_RC_ONE;
    }
    //解鎖
    table.unlock();
    return (id)this;
}

到這裡，retain如何實現就很清楚了，通過SideTable這個數據結構來存儲引用計數。我們看看這個數據結構的實現：

QQ截圖20170421165138.png

可以看到，這個數據結構就是存儲了一個自旋鎖，一個引用計數map。這個引用計數的map以對象的地址作為key，引用計數作為value。到這裡，引用計數的底層實現我們就很清楚了。

存在全局的map，這個map以地址作為key，引用計數的值作為value。

再來看看release的實現：

    SideTable& table = SideTables()[this];
    bool do_dealloc = false;
    table.lock();
    //找到對應地址的
    RefcountMap::iterator it = table.refcnts.find(this);
    if (it == table.refcnts.end()) { //找不到的話，執行dellloc
        do_dealloc = true;
        table.refcnts[this] = SIDE_TABLE_DEALLOCATING;
    } else if (it->second < SIDE_TABLE_DEALLOCATING) {//引用計數小於阈值，dealloc
        do_dealloc = true;
        it->second |= SIDE_TABLE_DEALLOCATING;
    } else if (! (it->second & SIDE_TABLE_RC_PINNED)) {
    //引用計數減去1
        it->second -= SIDE_TABLE_RC_ONE;
    }
    table.unlock();
    if (do_dealloc  &&  performDealloc) {
        //執行dealloc
        ((void(*)(objc_object *, SEL))objc_msgSend)(this, SEL_dealloc);
    }
    return do_dealloc;

release的到這裡也比較清楚了：查找map，對引用計數減1，如果引用計數小於阈值，則調用SEL_dealloc

Autorelease pool

上文提到了，autorelease方法的作用是把對象放到autorelease pool中，到pool drain的時候，會釋放池中的對象。舉個例子

    __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，放到自動釋放池的對象是在超出自動釋放池作用域後立即釋放的。事實上在iOS 程序啟動之後，主線程會啟動一個Runloop，這個Runloop在每一次循環是被自動釋放池包裹的，在合適的時候對池子進行清空。

對於Cocoa框架來說，提供了兩種方式來把對象顯式的放入AutoReleasePool.

  • NSAutoreleasePool(只能在MRC下使用)

  • @autoreleasepool {}代碼塊(ARC和MRC下均可以使用)

那麼AutoRelease pool又是如何實現的呢？

我們先從autorelease方法源碼入手

//autorelease方法
- (id)autorelease {
    return ((id)self)->rootAutorelease();
}
//rootAutorelease 方法
inline id objc_object::rootAutorelease()
{
    if (isTaggedPointer()) return (id)this;
    //檢查是否可以優化
    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，把一個對象放到auto release pool中，是調用了AutoreleasePoolPage::autorelease這個方法。

我們繼續查看對應的實現：

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;
    }

到這裡，autorelease方法的實現就比較清楚了，

autorelease方法會把對象存儲到AutoreleasePoolPage的鏈表裡。等到auto release pool被釋放的時候，把鏈表內存儲的對象刪除。所以，AutoreleasePoolPage就是自動釋放池的內部實現。

__weak與__strong

用過block的同學一定寫過類似的代碼：

__weak typeSelf(self) weakSelf = self;
[object fetchSomeFromRemote:^{
    __strong typeSelf(weakSelf) strongSelf = weakSelf;
    //從這裡開始用strongSelf
}];

那麼，為什麼要這麼用呢？原因是：

block會捕獲外部變量，用weakSelf保證self不會被block被捕獲，防止引起循環引用或者不必要的額外生命周期。

用strongSelf則保證在block的執行過程中，對象不會被釋放掉。

首先__strong和__weak都是關鍵字，是給編譯器理解的。為了理解其原理，我們需要查看它們編譯後的代碼，使用XCode，我們可以容易的獲得一個文件的匯編代碼。

比如，對於Test.m文件，當源代碼如下時：

 #import "Test.h"
 @implementation Test
- (void)testFunction{
    {
        __strong NSObject * temp = [[NSObject alloc] init];
    }
}
@end

轉換後的匯編代碼如下：

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:

即使你不懂匯編，也能很輕易的獲取到調用順序如下

_objc_msgSend // alloc
_objc_msgSend // init
_objc_storeStrong // 強引用

在結合Runtime的源碼，我們看看最關鍵的objc_storeStrong的實現

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]; }

我們再來看看__weak. 將Test.m修改成為如下代碼，同樣我們分析其匯編實現

    .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本身實現的核心就是以下兩個方法

  • _objc_initWeak

  • _objc_destroyWeak

我們通過Runtime的源碼分析這兩個方法的實現：

id objc_initWeak(id *location, id newObj)
{
    //省略....
    return storeWeak        (location, (objc_object*)newObj);
}
void objc_destroyWeak(id *location)
{
    (void)storeWeak        (location, nil);
}

所以，本質上都是調用了storeWeak函數，這個函數內容較多，主要做了以下事情

  • 獲取存儲weak對象的map，這個map的key是對象的地址，value是weak引用的地址。

  • 當對象被釋放的時候，根據對象的地址可以找到對應的weak引用的地址，將其置為nil即可。

這就是在weak背後的黑魔法。

總結

這篇文章屬於想到哪裡寫到哪裡的類型，後邊有時間了在繼續總結ARC的東西吧。

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好玩的debugDescription & runtime(debug模式下調試model) 本文為投稿文章，作
YYKit源碼分析 投稿文章，作者：潘
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