iOS 中weak的实现代码示例 - IOS - 服务器之家

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本篇文章主要介绍了iOS 中weak的实现代码示例,小编觉得挺不错的,现在分享给大家,也给大家做个参考。一起跟随小编过来看看吧

只要学过 ios 的人,都会对 strong、weak、copy等关键字应该都会很熟悉。weak 属性关键字就是弱引用,它不会增加引用计数但却能保证指针的安全访问,在对象释放后置为 nil,从而避免错误的内存访问。主要为了解决循环引用的问题。

接下来,我们会从 objc 库中的 nsobject.mm、 objc-weak.h 以及 objc-weak.mm 文件出发,去具体了解 weak 的实现过程。

weak 的内部结构

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 表是由单个自旋锁管理的散列表。
weak表其实是一个hash表,key 是所指对象的指针,value是weak指针的地址(这个地址的值是所指向对象的地址)数组。

在下面涉及的源码中,我们会看到以下几个类型:

sidetable、weak_table_t、weak_entry_t 这几个结构体。

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struct sidetable {
  // 自旋锁,用来保证线程安全
  spinlock_t slock;
  // 引用计数表
  refcountmap refcnts;
  // weak 表
  weak_table_t weak_table;
 
  ...
};

sidetable,它用来管理引用计数表和 weak 表,并使用 spinlock_lock 自旋锁来防止操作表结构时可能的竞态条件。它用一个 64*128 大小的uint8_t 静态数组作为 buffer 来保存所有的 sidetable 实例。这个结构体里面包含三个变量,第一个spinlock_t,它是一个自旋锁,用来保证线程安全。第二个refcountmap,是引用计数表,每个对象的引用计数保存在全局的引用计数表中,一个对象地址对应一个引用计数。第三个就是我们接下来要讲的 weak 表,所有的 weak 变量会被加入到全局的weak表中,表的 key 是 weak 修饰的变量指向的对象, value 值就是 weak 修饰的变量。接下来,我们具体看看这个 weak 表

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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,即 entries 的数目
  size_t  num_entries;
  // 参与判断引用计数辅助量
  uintptr_t mask;
  // hash key 最大偏移量
  uintptr_t max_hash_displacement;
};

这个是全局弱引用的 hash 表。它的作用就是在对象执行 dealloc 的时候将所有指向该对象的 weak 指针的值设为 nil, 避免悬空指针。它使用不定类型对象的地址的 hash 化后的数值作为 key,用 weak_entry_t 类型的结构体对象作为 value。其中 weak_entry_t 是存储在弱引用表中的一个内部结构体,它负责维护和存储指向一个对象的所有弱引用 hash 表。其定义如下:

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// 存储在弱引用表中的一个内部结构体
#define weak_inline_count 4
struct weak_entry_t {
  disguisedptr<objc_object> referent;         // 封装 objc_object 指针,即 weak 修饰的变量指向的对象
  union {
    struct {
      weak_referrer_t *referrers;
      uintptr_t    out_of_line : 1;      // lsb 最低有效元 当标志位为0时,增加引用表指针纬度,
                            // 当其为0的时候, weak_referrer_t 成员将扩展为静态数组型的 hash table
      uintptr_t    num_refs : ptr_minus_1;  // 引用数值,这里记录弱引用表中引用有效数字,即里面元素的数量
      uintptr_t    mask;
      uintptr_t    max_hash_displacement;   // hash 元素上限阀值
    };
    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<objc_object> 是对 objc_object * 指针及其一些操作进行的封装,目的就是为了让它给人看起来不会有内存泄露的样子,其内容可以理解为对象的内存地址。out_of-line 成员为最低有效位,当其为 0 的时候,weak_referrer_t 成员将扩展为一个静态数组型的 hash table。其实 weak_referrer 是objc_objcet 的别名,定义如下:typedef objc_object ** weak_referrer_t;

它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。

每个对象的 sidetable 中的 weak_table_t 都是全局 weak 表的入口,以引用计数对象为键找到其所记录的 weak 修饰的对象。weak_entry_t 中的 referrers 有两种形式,当 out_of_line 为 0 的时候,referrers 是一个静态数组型的表,数组大小默认为 weak_inline_count 大小,当 out_of_line 不为 0 的时候,referrers 是一个动态数组,内容随之增加。

weak 实现原理的过程

当我们用 weak 修饰属性的时候,它是怎么实现当所引用的对象被废弃的时候,变量置为 nil,我们来探究一下。

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{
  id obj1 = [[nsobject alloc] init];
  id __weak obj2 = obj1;
}

经过编译期转换之后,以上代码会变成下面这样

id obj2;
objc_initweak(&obj2, obj1);
objc_destroyweak(&obj2);

我们发现,weak 修饰符变量是通过 objc_initweak 函数来初始化的,在变量作用域结束的时候通过 objc_destroyweak 函数来释放该变量的。接下来,我们看看这两个函数的源码。

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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 storeweak<false/*old*/, true/*new*/, true/*crash*/>
    (location, (objc_object*)newobj);
}
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void objc_destroyweak(id *location)
{
  (void)storeweak<true/*old*/, false/*new*/, false/*crash*/>
    (location, nil);
}

对这两个方法的分析后,我们发现它们都调用了storeweak 这个函数,但是两个方法传入的参数却稍有不同。

init 方法中,第一个参数为 weak 修饰的变量,第二个参数为引用计数对象。但在 destoryweak 函数,第一参数依旧为 weak 修饰的变量,第二个参数为 nil。那这块传入不同的参数到底代表什么,我们继续分析 storeweak 这个函数。

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// 更新一个弱引用变量
// 如果 haveold 是 true, 变量是个有效值,需要被及时清理。变量可以为 nil。
// 如果 havenew 是 true, 需要一个新的 value 来替换变量。变量可以为 nil
// 如果crashifdeallocation 是 ture ,那么如果 newobj 是 deallocating,或者 newobj 的类不支持弱引用,则该进程就会停止。
// 如果crashifdeallocation 是 false,那么 nil 会被存储。
 
template <bool haveold, bool havenew, bool crashifdeallocating>
static id storeweak(id *location, objc_object *newobj)
{
  assert(haveold || havenew);
  if (!havenew) assert(newobj == nil);
 
  class previouslyinitializedclass = nil;
  id oldobj;
  
  // 创建新旧散列表
  sidetable *oldtable;
  sidetable *newtable;
 
  // acquire locks for old and new values.
  // 获得新值和旧值的锁存位置 (用地址作为唯一标示)
  // order by lock address to prevent lock ordering problems.
  // 通过地址来建立索引标志,防止桶重复
  // retry if the old value changes underneath us.
  // 下面指向的操作会改变旧值
 retry:
  if (haveold) {
  // 如果 haveold 为 true ,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) {
  // 获得以 newobj 为索引所存储的值对象
    newtable = &sidetables()[newobj];
  } else {
    newtable = nil;
  }
  
// 对两个 table 进行加锁操作,防止多线程中竞争冲突
  sidetable::locktwo<haveold, havenew>(oldtable, newtable);
 
// 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, 保证线程安全,这个判断用来避免线程冲突重处理问题
  if (haveold && *location != oldobj) {
    sidetable::unlocktwo<haveold, havenew>(oldtable, newtable);
    goto retry;
  }
 
  // prevent a deadlock between the weak reference machinery
  // and the +initialize machinery by ensuring that no
  // weakly-referenced object has an un-+initialized isa.
  // 防止弱引用之间发生死锁,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())
    {
      // 对两个表解锁
      sidetable::unlocktwo<haveold, havenew>(oldtable, newtable);
      _class_initialize(_class_getnonmetaclass(cls, (id)newobj));
 
      // if this class is finished with +initialize then we're good.
      // if this class is still running +initialize on this thread
      // (i.e. +initialize called storeweak on an instance of itself)
      // then we may proceed but it will appear initializing and
      // not yet initialized to the check above.
      // instead set previouslyinitializedclass to recognize it on retry.
      // 如果该类已经完成执行 +initialize 方法是最好的,如果该类 + initialize 在线程中,例如 +initialize 正在调用storeweak 方法,那么则需要手动对其增加保护策略,并设置 previouslyinitializedclass 指针进行标记然后重新尝试
      previouslyinitializedclass = cls;
 
      goto retry;
    }
  }
 
  // clean up old value, if any. 清除旧值
  if (haveold) {
    weak_unregister_no_lock(&oldtable->weak_table, oldobj, location);
  }
 
  // assign new value, if any. 分配新值
  if (havenew) {
    newobj = (objc_object *)weak_register_no_lock(&newtable->weak_table,
                           (id)newobj, location,
                           crashifdeallocating);
    // weak_register_no_lock returns nil if weak store should be rejected
    // 如果弱引用被释放则该方法返回 nil
    // set is-weakly-referenced bit in refcount table.
    // 在引用计数表中设置弱引用标记位
    if (newobj && !newobj->istaggedpointer()) {
      newobj->setweaklyreferenced_nolock();
    }
 
    // do not set *location anywhere else. that would introduce a race.
    *location = (id)newobj;
  }
  else {
    // no new value. the storage is not changed.
  }
  
  sidetable::unlocktwo<haveold, havenew>(oldtable, newtable);
 
  return (id)newobj;
}

以上就是 store_weak 这个函数的实现,它主要做了以下几件事:

  1. 声明了新旧散列表指针,因为 weak 修饰的变量如果之前已经指向一个对象,然后其再次改变指向另一个对象,那么按理来说我们需要释放旧对象中该 weak 变量的记录,也就是要将旧记录删除,然后在新记录中添加。这里的新旧散列表就是这个作用。
  2. 根据新旧变量的地址获取相应的 sidetable
  3. 对两个表进行加锁操作,防止多线程竞争冲突
  4. 进行线程冲突重处理判断
  5. 判断其 isa 是否为空,为空则需要进行初始化
  6. 如果存在旧值,调用 weak_unregister_no_lock 函数清除旧值
  7. 调用 weak_register_no_lock 函数分配新值
  8. 解锁两个表,并返回第二参数

初始化弱引用对象流程一览

弱引用的初始化,从上文的分析可以看出,主要的操作部分就是在弱引用表的取键、查询散列、创建弱引用等操作,可以总结出如下的流程图:

iOS 中weak的实现代码示例

旧对象解除注册操作 weak_unregister_no_lock

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void weak_unregister_no_lock(weak_table_t *weak_table, id referent_id,
            id *referrer_id)
{
  objc_object *referent = (objc_object *)referent_id;
  objc_object **referrer = (objc_object **)referrer_id;
 
  weak_entry_t *entry;
 
  if (!referent) return;
 
  if ((entry = weak_entry_for_referent(weak_table, referent))) {
    remove_referrer(entry, referrer);
    bool empty = true;
    if (entry->out_of_line && entry->num_refs != 0) {
      empty = false;
    }
    else {
      for (size_t i = 0; i < weak_inline_count; i++) {
        if (entry->inline_referrers[i]) {
          empty = false;
          break;
        }
      }
    }
 
    if (empty) {
      weak_entry_remove(weak_table, entry);
    }
  }
 
  // do not set *referrer = nil. objc_storeweak() requires that the
  // value not change.
}

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。

来看看这个函数的逻辑。首先参数是 weak_table_t 表,键和值。声明 weak_entry_t 变量,如果key,也就是引用计数对象为空,直接返回。根据全局入口表和键获取对应的 weak_entry_t 对象,也就是 weak 表记录。获取到记录后,将记录表以及 weak 对象作为参数传入 remove_referrer 函数中,这个函数就是解除操作。然后判断这个 weak 记录是否为空,如果为空,从全局记录表中清除相应的引用计数对象的 weak 记录表。

接下来,我们了解一下,如何获取这个 weak_entry_t 这个变量。

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static weak_entry_t *weak_entry_for_referent(weak_table_t *weak_table, objc_object *referent)
{
  assert(referent);
 
  weak_entry_t *weak_entries = weak_table->weak_entries;
 
  if (!weak_entries) return nil;
 
  size_t index = hash_pointer(referent) & weak_table->mask;
  size_t hash_displacement = 0;
  while (weak_table->weak_entries[index].referent != referent) {
    index = (index+1) & weak_table->mask;
    hash_displacement++;
    if (hash_displacement > weak_table->max_hash_displacement) {
      return nil;
    }
  }
 
  return &weak_table->weak_entries[index];
}

这个函数的逻辑就是先获取全局 weak 表入口,然后将引用计数对象的地址进行 hash 化后与 weak_table->mask 做与操作,作为下标,在全局 weak 表中查找,若找到,返回这个对象的 weak 记录表,若没有,返回nil。

再来了解一下解除对象的函数:

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static void remove_referrer(weak_entry_t *entry, objc_object **old_referrer)
{
  if (! entry->out_of_line) {
    for (size_t i = 0; i < weak_inline_count; i++) {
      if (entry->inline_referrers[i] == old_referrer) {
        entry->inline_referrers[i] = nil;
        return;
      }
    }
    _objc_inform("attempted to unregister unknown __weak variable "
           "at %p. this is probably incorrect use of "
           "objc_storeweak() and objc_loadweak(). "
           "break on objc_weak_error to debug.\n",
           old_referrer);
    objc_weak_error();
    return;
  }
 
  size_t index = w_hash_pointer(old_referrer) & (entry->mask);
  size_t hash_displacement = 0;
  while (entry->referrers[index] != old_referrer) {
    index = (index+1) & entry->mask;
    hash_displacement++;
    if (hash_displacement > entry->max_hash_displacement) {
      _objc_inform("attempted to unregister unknown __weak variable "
             "at %p. this is probably incorrect use of "
             "objc_storeweak() and objc_loadweak(). "
             "break on objc_weak_error to debug.\n",
             old_referrer);
      objc_weak_error();
      return;
    }
  }
  entry->referrers[index] = nil;
  entry->num_refs--;
}

这个函数传入的是 weak 对象,当 out_of_line 为0 时,遍历数组,找到对应的对象,置nil,如果未找到,报错并返回。当 out_of_line 不为0时,根据对象的地址 hash 化并和 mask 做与操作作为下标,查找相应的对象,若没有,报错并返回,若有,相应的置为 nil,并减少元素数量,即 num_refs 减 1。

新对象添加注册操作 weak_register_no_lock

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id weak_register_no_lock(weak_table_t *weak_table, id referent_id,
           id *referrer_id, bool crashifdeallocating)
{
  objc_object *referent = (objc_object *)referent_id;
  objc_object **referrer = (objc_object **)referrer_id;
 
  if (!referent || referent->istaggedpointer()) return referent_id;
 
  // ensure that the referenced object is viable
  bool deallocating;
  if (!referent->isa()->hascustomrr()) {
    deallocating = referent->rootisdeallocating();
  }
  else {
    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);
  }
 
  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;
    }
  }
 
  // now remember it and where it is being stored
  weak_entry_t *entry;
  if ((entry = weak_entry_for_referent(weak_table, referent))) {
    append_referrer(entry, referrer);
  }
  else {
    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;
    }
 
    weak_grow_maybe(weak_table);
    weak_entry_insert(weak_table, &new_entry);
  }
 
  // do not set *referrer. objc_storeweak() requires that the
  // value not change.
 
  return referent_id;
}

一大堆 if-else, 主要是为了判断该对象是不是 taggedpoint 以及是否正在调用 dealloca 等。下面操作开始,同样是先获取 weak 表记录,如果获取到,则调用 append_referrer 插入对象,若没有,则新建一个 weak 表记录,默认为 out_of_line,然后将新对象放到 0 下标位置,其他位置置为 nil 。下面两个函数 weak_grow_maybe 是用来判断是否需要重申请内存重 hash,weak_entry_insert 函数是用来将新建的 weak 表记录插入到全局 weak 表中。插入时同样是以对象地址的 hash 化和 mask 值相与作为下标来记录的。

接下来看看 append_referrer 函数,源代码如下:

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static void append_referrer(weak_entry_t *entry, objc_object **new_referrer)
{
  if (! entry->out_of_line) {
    // try to insert inline.
    for (size_t i = 0; i < weak_inline_count; i++) {
      if (entry->inline_referrers[i] == nil) {
        entry->inline_referrers[i] = new_referrer;
        return;
      }
    }
 
    // couldn't insert inline. allocate out of line.
    weak_referrer_t *new_referrers = (weak_referrer_t *)
      calloc(weak_inline_count, sizeof(weak_referrer_t));
    // this constructed table is invalid, but grow_refs_and_insert
    // will fix it and rehash it.
    for (size_t i = 0; i < weak_inline_count; i++) {
      new_referrers[i] = entry->inline_referrers[i];
    }
    entry->referrers = new_referrers;
    entry->num_refs = weak_inline_count;
    entry->out_of_line = 1;
    entry->mask = weak_inline_count-1;
    entry->max_hash_displacement = 0;
  }
 
  assert(entry->out_of_line);
 
  if (entry->num_refs >= table_size(entry) * 3/4) {
    return grow_refs_and_insert(entry, new_referrer);
  }
  size_t index = w_hash_pointer(new_referrer) & (entry->mask);
  size_t hash_displacement = 0;
  while (entry->referrers[index] != null) {
    index = (index+1) & entry->mask;
    hash_displacement++;
  }
  if (hash_displacement > entry->max_hash_displacement) {
    entry->max_hash_displacement = hash_displacement;
  }
  weak_referrer_t &ref = entry->referrers[index];
  ref = new_referrer;
  entry->num_refs++;
}

当 out_of_line 为 0,并且静态数组里面还有位置存放,那么直接存放并返回。如果没有位置存放,则升级为动态数组,并加入。如果 out_of_line 不为 0,先判断是否需要扩容,然后同样的,使用对象地址的 hash 化和 mask 做与操作作为下标,找到相应的位置并插入。

对象的销毁以及 weak 的置 nil 实现

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 objec_dispose 函数
  5. 调用objc_destructinstance
  6. 最后调用 objc_clear_deallocating

objc_clear_deallocating的具体实现如下:

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void objc_clear_deallocating(id obj)
{
  assert(obj);
  assert(!usegc);
 
  if (obj->istaggedpointer()) return;
  obj->cleardeallocating();
}

这个函数只是做一些判断以及更深层次的函数调用,

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void objc_object::sidetable_cleardeallocating()
{
  sidetable& table = sidetables()[this];
 
  // clear any weak table items
  // clear extra retain count and deallocating bit
  // (fixme warn or abort if extra retain count == 0 ?)
  table.lock();
  // 迭代器
  refcountmap::iterator it = table.refcnts.find(this);
  if (it != table.refcnts.end()) {
    if (it->second & side_table_weakly_referenced) {
      weak_clear_no_lock(&table.weak_table, (id)this);
    }
    table.refcnts.erase(it);
  }
  table.unlock();
}

我们可以看到,在这个函数中,首先取出对象对应的sidetable实例,如果这个对象有关联的弱引用,则调用weak_clear_no_lock来清除对象的弱引用信息,我们在来深入一下,

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void weak_clear_no_lock(weak_table_t *weak_table, id referent_id)
{
  objc_object *referent = (objc_object *)referent_id;
 
  weak_entry_t *entry = weak_entry_for_referent(weak_table, referent);
  if (entry == nil) {
    /// xxx shouldn't happen, but does with mismatched cf/objc
    //printf("xxx no entry for clear deallocating %p\n", referent);
    return;
  }
 
  // zero out references
  weak_referrer_t *referrers;
  size_t count;
 
  if (entry->out_of_line) {
    referrers = entry->referrers;
    count = table_size(entry);
  }
  else {
    referrers = entry->inline_referrers;
    count = weak_inline_count;
  }
 
  for (size_t i = 0; i < count; ++i) {
    objc_object **referrer = referrers[i];
    if (referrer) {
      if (*referrer == referent) {
        *referrer = nil;
      }
      else if (*referrer) {
        _objc_inform("__weak variable at %p holds %p instead of %p. "
               "this is probably incorrect use of "
               "objc_storeweak() and objc_loadweak(). "
               "break on objc_weak_error to debug.\n",
               referrer, (void*)*referrer, (void*)referent);
        objc_weak_error();
      }
    }
  }
 
  weak_entry_remove(weak_table, entry);
}

这个函数根据 out_of_line 的值,取得对应的记录表,然后根据引用计数对象,将相应的 weak 对象置 nil。最后清除相应的记录表。

通过上面的描述,我们基本能了解一个weak引用从生到死的过程。从这个流程可以看出,一个weak引用的处理涉及各种查表、添加与删除操作,还是有一定消耗的。所以如果大量使用__weak变量的话,会对性能造成一定的影响。那么,我们应该在什么时候去使用weak呢?《objective-c高级编程》给我们的建议是只在避免循环引用的时候使用__weak修饰符。

以上就是本文的全部内容,希望对大家的学习有所帮助,也希望大家多多支持米米素材网。

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