本文主要是介绍【iOS】weak底层实现，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！
weak基本用法
weak是弱引用，用weak描述修饰或者所引用对象的计数器不会加一，并且会在引用的对象被释放的时候自动被设置为nil，大大避免了野指针访问坏内存引起崩溃的情况，另外weak还可以用于解决循环引用。
weak原理概括
weak表其实是一个hash（哈希）表，Key是所指对象的地址，Value是weak指针的地址数组。weak的底层实现的原理是什么？
Runtime维护了一个weak表，用于存储指向某个对象的所有weak指针。weak表其实是一个hash表，Key是所指对象的地址，value是weak指针的地址（这个地址的值是所指对象指针的地址）数组。 为什么value是数组？因为一个对象可能被多个弱引用指针指向
weak原理实现步骤
weak 的实现原理可概括三步：
1、初始化时：runtime会调用objc_initWeak函数，初始化一个新的weak指针指向对象的地址。
2、添加引用时：objc_initWeak函数会调用 objc_storeWeak() 函数， objc_storeWeak() 的作用是更新指针指向，创建对应的弱引用表。
3、释放时，调用clearDeallocating函数。clearDeallocating函数首先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。
weak实现三步骤详细过程：
1、初始化时：runtime会调用objc_initWeak函数，objc_initWeak函数会初始化一个新的weak指针指向对象的地址。
示例代码：
当我们初始化一个weak变量时，runtime会调用 NSObject.mm 中的objc_initWeak函数。
这个函数在Clang中的声明如下： id objc_initWeak(id *object, id value);
而对于 objc_initWeak() 方法的实现如下：
这里先判断了其指针指向的类对象是否有效，无效直接释放返回，不再往深层调用函数。否则，object将通过bjc_storeWeak函数被注册为一个指向value的__weak对象。
注意：objc_initWeak函数有一个前提条件：就是object必须是一个没有被注册为__weak对象的有效指针。而value则可以是null，或者指向一个有效的对象。
2、添加引用时：objc_initWeak函数会调用 objc_storeWeak() 函数， objc_storeWeak() 的作用是更新指针指向，创建对应的弱引用表。
objc_storeWeak的函数声明如下：
id objc_storeWeak(id *location, id value);
objc_storeWeak() 的具体实现,这里的实现很复杂，没看懂，没看懂。
3、释放时，调用clearDeallocating函数。clearDeallocating函数首先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。
当weak引用指向的对象被释放时，又是如何去处理weak指针的呢？当释放对象时，其基本流程如下：
1、调用objc_release 2、因为对象的引用计数为0，所以执行dealloc 3、在dealloc中，调用了_objc_rootDealloc函数 4、在_objc_rootDealloc中，调用了object_dispose函数 5、调用objc_destructInstance 6、最后调用objc_clear_deallocating,详细过程如下： a. 从weak表中获取废弃对象的地址为键值的记录 b. 将包含在记录中的所有附有 weak修饰符变量的地址，赋值为 nil c. 将weak表中该记录删除 d. 从引用计数表中删除废弃对象的地址为键值的记录 __
拓展补充
weak，__unsafe_unretained, unowned 与 assign区别
- __unsafe_unretained: 不会对对象进行retain,当对象销毁时,会依然指向之前的内存空间(野指针)
- weak: 不会对对象进行retain,当对象销毁时,会自动指向nil
- assign: 实质与__unsafe_unretained等同
- unsafe_unretained也可以修饰代表简单数据类型的property，weak也不能修饰用来代表简单数据类型的property。
-
unsafe_unretained 与 weak 比较，使用 weak 是有代价的，因为通过上面的原理可知，weak需要检查对象是否已经消亡，而为了知道是否已经消亡，自然也需要一些信息去跟踪对象的使用情况。也正因此，unsafe_unretained 比 weak快,所以当明确知道对象的生命期时，选择unsafe_unretained 会有一些性能提升，这种性能提升是很微小的。但当很清楚的情况下，__unsafe_unretained 也是安全的，自然能快一点是一点。而当情况不确定的时候，应该优先选用 weak 。
- unowned使用在Swift中，也会分 weak 和 unowned。unowned 的含义跟 __unsafe_unretained 差不多。假如很明确的知道对象的生命期，也可以选择 unowned。
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：
| 1 2 3 4 5 6 7 8 | 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。
| 1 | 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：
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 | 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：
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 | // 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：
| 1 2 3 4 5 6 7 8 | 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：
| 1 | 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：
| 1 2 3 | 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：
| 1 | 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。
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 | 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。
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 | 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
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 | #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
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 | 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。
这篇关于【iOS】weak底层实现的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！
