OC知识--Weak

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 实现原理的概括

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（哈希）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。

weak 的实现原理可以概括一下三步：

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。

下面将开始详细介绍每一步：

 以例子开始

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 storeWeak<false/*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。

而当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

我们重点关注一下最后一步，objc_clear_deallocating的具体实现如下：

void objc_clear_deallocating(id obj)
{
    ......
    SideTable *table = SideTable::tableForPointer(obj);
    // clear any weak table items
    // clear extra retain count and deallocating bit
    // (fixme warn or abort if extra retain count == 0 ?)
    OSSpinLockLock(&table->slock);
    if (seen_weak_refs) {
        arr_clear_deallocating(&table->weak_table, obj);
    }
    ......
}

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arr_clear_deallocating来清除对象的弱引用信息。我们来看看arr_clear_deallocating具体实现：

PRIVATE_EXTERN void arr_clear_deallocating(weak_table_t *weak_table, id referent) {
    {
        weak_entry_t *entry = weak_entry_for_referent(weak_table, referent);
        if (entry == NULL) {
            ......
            return;
        }
        // zero out references
        for (int i = 0; i < entry->referrers.num_allocated; ++i) {
            id *referrer = entry->referrers.refs[i].referrer;
            if (referrer) {
                if (*referrer == referent) {
                    *referrer = nil;
                } else if (*referrer) {
                    _objc_inform("__weak variable @ %p holds %p instead of %p\n", referrer,         *referrer, referent);
                }
            }
        }
        weak_entry_remove_no_lock(weak_table, entry);
        weak_table->num_weak_refs--;
    }
}

这个函数首先是找出对象对应的weak_entry_t链表，然后挨个将弱引用置为nil。最后清理对象的记录。

objc_clear_deallocating该函数的动作如下：

1、从weak表中获取废弃对象的地址为键值的记录
2、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
3、将weak表中该记录删除
4、从引用计数表中删除废弃对象的地址为键值的记录

看了objc-weak.mm的源码就明白了：其实Weak表是一个hash（哈希）表，然后里面的key是指向对象的地址，Value是Weak指针的地址的数组