平时开发中我们经常会用到weak，但是它的实现原理也许不是很清楚，今天就从源码来探究一下(weak实现原理源码链接)。
weak指针的建立
weak修饰对象不增加其引用计数，系统通过一个hash表来实现对象的弱引用。
在Xcode下编写如下代码：
__weak obj1 = obj;
编译器编译之后变成类似如下的代码：
objc_initWeak(&obj1,obj);
翻开runtime源码，NSObject.mm，找到objc_initWeak函数，实现如下：
// jack.deng weak实现原理
id
objc_initWeak(id *location, id newObj)
{
if (!newObj) {
*location = nil;
return nil;
}
return storeWeak<DontHaveOld, DoHaveNew, DoCrashIfDeallocating>
(location, (objc_object*)newObj);
}
apple对参数已有说明，location是weak指针的地址，newObj是被指向的对象的地址。接下来寻找storeWeak函数，先看apple对storeWeak函数的注释：
// Update a weak variable.
// If HaveOld is true, the variable has an existing value
// that needs to be cleaned up. This value might be nil.
// If HaveNew is true, there is a new value that needs to be
// assigned into the variable. This value might be nil.
// If CrashIfDeallocating is true, the process is halted if newObj is
// deallocating or newObj's class does not support weak references.
// If CrashIfDeallocating is false, nil is stored instead.
如果weak指针有指向的对象，那么清除这个对象，然后weak指针指向新的对象；如果weak指针指向新的对象，那么就将新的weak引用存起来；如果weak指针指向的对象被释放了，那么就不会存储这个weak引用，直接返回nil。下面一行行看代码：
weak实现原理关键方法
打开NSObject.mm查看storeWeak(id *location, objc_object *newObj)方法实现。
// jack.deng weak实现原理关键方法 //[我已经配了中英文双语解释了]
// 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
// 大家可能看不懂template，我简单解释一下，这是c++的模板函数:
// 模板（Template）指C++程序设计设计语言中采用类型作为参数的程序设计，支持通用程序设计。简单来说就是支持多种类型。
// 我们这里可以认为这个storeWeak函数有5个参数就可以了
template <HaveOld haveOld, HaveNew haveNew,
CrashIfDeallocating crashIfDeallocating>
static id
storeWeak(id *location, objc_object *newObj)
{
assert(haveOld || haveNew);
if (!haveNew) assert(newObj == nil);
// 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
SideTable *oldTable;
SideTable *newTable;
// Acquire locks for old and new values.
// Order by lock address to prevent lock ordering problems.
// Retry if the old value changes underneath us.
// 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::lockTwo<haveOld, 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::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::unlockTwo<haveOld, haveNew>(oldTable, newTable);
// 对其 isa 指针进行初始化
_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;
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);
// 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
// weak_register_no_lock returns nil if weak store should be rejected
// Set is-weakly-referenced bit in refcount table.
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();
}
// Do not set *location anywhere else. That would introduce a race.
// 之前不要设置 location 对象，这里需要更改指针指向
*location = (id)newObj;
}
else {
// No new value. The storage is not changed.
// 没有新值，则无需更改
}
SideTable::unlockTwo<haveOld, haveNew>(oldTable, newTable);
return (id)newObj;
}
这里面用到了SideTable,我们看看它到底是啥
SideTable
打开NSObject.mm查看struct SideTable {
struct SideTable {
spinlock_t slock; // 防止竞争的自旋锁
RefcountMap refcnts; // 引用计数的 hash 表
weak_table_t weak_table; // weak 引用全局 hash 表
SideTable() {
memset(&weak_table, 0, sizeof(weak_table));
}
~SideTable() {
_objc_fatal("Do not delete SideTable.");
}
void lock() { slock.lock(); }
void unlock() { slock.unlock(); }
void forceReset() { slock.forceReset(); }
// Address-ordered lock discipline for a pair of side tables.
template<HaveOld, HaveNew>
static void lockTwo(SideTable *lock1, SideTable *lock2);
template<HaveOld, HaveNew>
static void unlockTwo(SideTable *lock1, SideTable *lock2);
};
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。这里主要看 weak 全局 hash 表的结构与作用。
weak表
weak表是一个弱引用表，实现为一个weak_table_t结构体，存储了某个对象相关的的所有的弱引用信息。其定义如下(见objc-weak.h中的struct weak_table_t {定义)
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hash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。
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：
#define WEAK_INLINE_COUNT 4
#define REFERRERS_OUT_OF_LINE 2
struct weak_entry_t {
DisguisedPtr<objc_object> referent;
union {
struct {
weak_referrer_t *referrers;
uintptr_t out_of_line_ness : 2;
uintptr_t num_refs : PTR_MINUS_2;
uintptr_t mask;
uintptr_t max_hash_displacement;
};
struct {
// out_of_line_ness field is low bits of inline_referrers[1]
weak_referrer_t inline_referrers[WEAK_INLINE_COUNT];
};
};
bool out_of_line() {
return (out_of_line_ness == REFERRERS_OUT_OF_LINE);
}
weak_entry_t& operator=(const weak_entry_t& other) {
memcpy(this, &other, sizeof(other));
return *this;
}
weak_entry_t(objc_object *newReferent, objc_object **newReferrer)
: referent(newReferent)
{
inline_referrers[0] = newReferrer;
for (int i = 1; i < WEAK_INLINE_COUNT; i++) {
inline_referrers[i] = nil;
}
}
};
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。
SideTable结构
下面再说说2个主要方法
旧对象解除注册操作 weak_unregister_no_lock
该方法主要作用是将旧对象在 weak_table 中解除 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 中解除 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。(见obcj-weak.mm中的weak_unregister_no_lock)
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.
}
新对象添加注册操作 weak_register_no_lock
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。(见obcj-weak.mm中的weak_register_no_lock)
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(referent, referrer);
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;
}
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：
初始化弱引用流程图
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。
weak指针的销毁
weak指针的建立说完了，我们再来看看它的销毁。
再来看weak是在什么时候销毁并被置为空的。找到dealloc函数的实现，其中dealloc主要调用了objc_destructInstance函数：
// dealloc调用_objc_rootDealloc
- (void)dealloc {
_objc_rootDealloc(self);
}
// _objc_rootDealloc调用obj->rootDealloc()
void
_objc_rootDealloc(id obj)
{
assert(obj);
obj->rootDealloc();
}
inline void
objc_object::rootDealloc()
{
if (isTaggedPointer()) return; // fixme necessary?
if (fastpath(isa.nonpointer &&
!isa.weakly_referenced &&
!isa.has_assoc &&
!isa.has_cxx_dtor &&
!isa.has_sidetable_rc))
{
assert(!sidetable_present());
free(this);
}
else {
object_dispose((id)this);
}
}
id
object_dispose(id obj)
{
if (!obj) return nil;
objc_destructInstance(obj);
free(obj);
return nil;
}
void *objc_destructInstance(id obj)
{
if (obj) {
// Read all of the flags at once for performance.
bool cxx = obj->hasCxxDtor();
bool assoc = obj->hasAssociatedObjects();
// This order is important.
// 寻找一个名为 ._cxx_destruct 的函数，这一步主要是由编译器插入代码实现，这里销毁了对象的实例变量，并且调用了父类的dealloc（ARC环境下）
if (cxx) object_cxxDestruct(obj);
// 调用_object_remove_assocations函数清除对象的所有关联对象。
if (assoc) _object_remove_assocations(obj);
// 调用obj->clearDeallocating()函数清除所有的weak指针被将其置为nil。
obj->clearDeallocating();
}
return obj;
}
inline void
objc_object::clearDeallocating()
{
if (slowpath(!isa.nonpointer)) {
// Slow path for raw pointer isa.
sidetable_clearDeallocating();
}
else if (slowpath(isa.weakly_referenced || isa.has_sidetable_rc)) {
// Slow path for non-pointer isa with weak refs and/or side table data.
clearDeallocating_slow();
}
assert(!sidetable_present());
}
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();
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();
}
NEVER_INLINE void
objc_object::clearDeallocating_slow()
{
assert(isa.nonpointer && (isa.weakly_referenced || isa.has_sidetable_rc));
SideTable& table = SideTables()[this];
table.lock();
if (isa.weakly_referenced) {
weak_clear_no_lock(&table.weak_table, (id)this);
}
if (isa.has_sidetable_rc) {
table.refcnts.erase(this);
}
table.unlock();
}
从上面的调用顺序可以看出
- dealloc调用_objc_rootDealloc调用objc_object::rootDealloc()
- objc_object::rootDealloc()调用object_dispose
- object_dispose调用objc_destructInstance
- objc_destructInstance调用obj->clearDeallocating()
- clearDeallocating里面有分支sidetable_clearDeallocating()和clearDeallocating_slow()，但是这2个函数里面其实都是调用了weak_clear_no_lock。 所以我们来看看weak_clear_no_lock
核心方法weak_clear_no_lock
void
weak_clear_no_lock(weak_table_t *weak_table, id referent_id)
{
//1、拿到被销毁对象的指针
objc_object *referent = (objc_object *)referent_id;
//2、通过 指针 在weak_table中查找出对应的entry
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;
}
//3、将所有的引用设置成nil
// zero out references
weak_referrer_t *referrers;
size_t count;
if (entry->out_of_line()) {
//3.1、如果弱引用超过4个则将referrers数组内的弱引用都置成nil。
referrers = entry->referrers;
count = TABLE_SIZE(entry);
}
else {
//3.2、不超过4个则将inline_referrers数组内的弱引用都置成nil
referrers = entry->inline_referrers;
count = WEAK_INLINE_COUNT;
}
//循环设置所有的引用为nil
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();
}
}
}
//4、从weak_table中移除entry
weak_entry_remove(weak_table, entry);
}
该函数的做了如下事情：
- 从weak表中获取废弃对象的地址为键值的记录
- 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
- 将weak表中该记录删除
- 从引用计数表中删除废弃对象的地址为键值的记录
总结
嫌上面的内容太多,那就看简化版的
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。
稍微详细版
- 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。
- 添加引用时：objc_initWeak函数会调用 storeWeak() 函数， storeWeak() 的作用是更新指针指向，创建对应的弱引用表。
- 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。
小尾巴
大家可能看了这篇文章还是晕乎乎的，主要是对里面的数据结构不是很清楚，我又找到2篇很好的文章，看完这个，保管完全不会晕乎乎了。
iOS管理对象内存的数据结构以及操作算法--SideTables、RefcountMap、weak_table_t-一
iOS管理对象内存的数据结构以及操作算法--SideTables、RefcountMap、weak_table_t-二
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