OC 底层探索 - Association 关联对象

作者: 师大小海腾 | 来源:发表于2020-02-22 02:10 被阅读0次

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1. 关联对象
1.1 使用场景
1.2 使用方法
1.2.1 相关 API
1.2.2 objc_AssociationPolicy 关联策略
1.2.3 key 的常见用法

2. 关联对象的原理

3. 相关面试题

1. 关联对象

1.1 使用场景

默认情况下，由于分类底层结构的限制，不能直接给 Category 添加成员变量，但是可以通过关联对象间接实现 Category 有成员变量的效果。
传送门：OC - Category 和 Extension

1.2 使用方法

#import "Person.h"
@interface Person (Test)
@property (nonatomic, assign) int height;
@end

#import "Person+Test.h"
#import <objc/runtime.h>
@implementation Person (Test)
- (void)setHeight:(int)height
{
    objc_setAssociatedObject(self, @selector(height), [NSNumber numberWithInt:height], OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN);
}
- (int)height
{
    return [objc_getAssociatedObject(self, @selector(height)) intValue];
}
@end

1.2.1 相关 API

objc_setAssociatedObject
使用给定的key和关联策略为给定的对象设置关联的value。

void objc_setAssociatedObject(id object, const void *key, id value, objc_AssociationPolicy policy);

objc_getAssociatedObject
返回给定key的给定对象关联的value。

id objc_getAssociatedObject(id object, const void *key);

objc_removeAssociatedObjects
删除给定对象的所有关联。

void objc_removeAssociatedObjects(id object);

如果只想移除给定对象的某个key的关联，可以使用objc_setAssociatedObject给参数value传值nil。

objc_setAssociatedObject(self, @selector(height), nil, OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN);

1.2.2 objc_AssociationPolicy 关联策略

typedef OBJC_ENUM(uintptr_t, objc_AssociationPolicy) {
    OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN = 0,           /**< Specifies a weak reference to the associated object. */
    OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC = 1, /**< Specifies a strong reference to the associated object. 
                                            *   The association is not made atomically. */
    OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC = 3,   /**< Specifies that the associated object is copied. 
                                            *   The association is not made atomically. */
    OBJC_ASSOCIATION_RETAIN = 01401,       /**< Specifies a strong reference to the associated object.
                                            *   The association is made atomically. */
    OBJC_ASSOCIATION_COPY = 01403          /**< Specifies that the associated object is copied.
                                            *   The association is made atomically. */
};

objc_AssociationPolicy	对应的属性修饰符
OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN	assign
OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC	strong, nonatomic
OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC	copy, nonatomic
OBJC_ASSOCIATION_RETAIN	strong, atomic
OBJC_ASSOCIATION_COPY	copy, atomic

1.2.3 key 的常见用法

// ①
static const void *MyKey = &MyKey;
objc_setAssociatedObject(object, MyKey, value, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
objc_getAssociatedObject(object, MyKey];

// ② 
static const char MyKey;
objc_setAssociatedObject(object, &MyKey, value, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
objc_getAssociatedObject(object, &MyKey];

// ③ 使用属性名作为 key
#define MYHEIGHT @"height"
objc_setAssociatedObject(object, MYHEIGHT, value, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
objc_getAssociatedObject(object, MYHEIGHT];

// ④ 使用 getter 方法的 SEL 作为 key（可读性高，有智能提示）
objc_setAssociatedObject(object, @selector(getter), value, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
objc_getAssociatedObject(object, @selector(getter)];
// 或使用隐式参数 _cmd
objc_getAssociatedObject(object, _cmd];

2. 关联对象的原理

在Runtime源码objc4中，有关关联对象的代码都在文件objc-references.mm中。

实现关联对象技术的核心对象

AssociationsManager
AssociationsHashMap
ObjectAssociationMap
ObjcAssociation

class AssociationsManager {
    static AssociationsHashMap *_map;
};
class AssociationsHashMap : public unordered_map<disguised_ptr_t, ObjectAssociationMap>
class ObjectAssociationMap : public std::map<void *, ObjcAssociation>
class ObjcAssociation {
    uintptr_t _policy;
    id _value;
};

AssociationsManager

关联对象并不是存储在关联对象本身内存中，而是存储在全局统一的一个容器中；
由 AssociationsManager 管理并在它维护的一个单例 Hash 表 AssociationsHashMap 中存储；
使用 AssociationsManagerLock 自旋锁保证了线程安全。

class AssociationsManager {
    // associative references: object pointer -> PtrPtrHashMap.
    static AssociationsHashMap *_map;
public:
    AssociationsManager()   { AssociationsManagerLock.lock(); }
    ~AssociationsManager()  { AssociationsManagerLock.unlock(); }
    
    AssociationsHashMap &associations() {
        if (_map == NULL)
            _map = new AssociationsHashMap();
        return *_map;
    }
};

AssociationsHashMap

一个单例的 Hash 表，存储 disguised_ptr_t 和 ObjectAssociationMap 之间的映射。
disguised_ptr_t 是根据 object 生成，但不存在引用关系。
disguised_ptr_t disguised_object = DISGUISE(object);

class AssociationsHashMap : public unordered_map<disguised_ptr_t, ObjectAssociationMap *, DisguisedPointerHash, DisguisedPointerEqual, AssociationsHashMapAllocator> {
public:
    void *operator new(size_t n) { return ::malloc(n); }
    void operator delete(void *ptr) { ::free(ptr); }
};

ObjectAssociationMap

存储 key 和 ObjcAssociation 之间的映射。

class ObjectAssociationMap : public std::map<void *, ObjcAssociation, ObjectPointerLess, ObjectAssociationMapAllocator> {
public:
    void *operator new(size_t n) { return ::malloc(n); }
    void operator delete(void *ptr) { ::free(ptr); }
};

ObjcAssociation

存储着关联策略 policy 和关联对象的值 value。

class ObjcAssociation {
    uintptr_t _policy;
    id _value;
public:
    ObjcAssociation(uintptr_t policy, id value) : _policy(policy), _value(value) {}
    ObjcAssociation() : _policy(0), _value(nil) {}

    uintptr_t policy() const { return _policy; }
    id value() const { return _value; }
    
    bool hasValue() { return _value != nil; }
};

objc_setAssociatedObject

① 实例化一个 AssociationsManager 对象，它维护了一个单例 Hash 表 AssociationsHashMap 对象；
② 实例化一个 AssociationsHashMap 对象，它维护 disguised_ptr_t 和 ObjectAssociationMap 对象之间的关系；
③ 根据object生成一个 disguised_ptr_t 对象；
④ 根据 disguised_ptr_t 获取对应的 ObjectAssociationMap 对象，它存储key和 ObjcAssociation 之间的映射；
⑤ 根据policy和value创建一个 ObjcAssociation 对象，并存储在 ObjectAssociationMap 中；
⑥ 如果传进来的value为 nil，则在 ObjectAssociationMap 中删除该 ObjcAssociation 对象。

// objc-runtime.mm
void objc_setAssociatedObject(id object, const void *key, id value, objc_AssociationPolicy policy) {
    _object_set_associative_reference(object, (void *)key, value, policy);
}

// objc-references.mm
void _object_set_associative_reference(id object, void *key, id value, uintptr_t policy) {
    // This code used to work when nil was passed for object and key. Some code
    // probably relies on that to not crash. Check and handle it explicitly.
    // rdar://problem/44094390
    // 判空操作
    if (!object && !value) return;
    
    assert(object);
    
    if (object->getIsa()->forbidsAssociatedObjects())
        _objc_fatal("objc_setAssociatedObject called on instance (%p) of class %s which does not allow associated objects", object, object_getClassName(object));
    
    // retain the new value (if any) outside the lock.
    ObjcAssociation old_association(0, nil);
    // 判断传进来的 value 是否为 nil？如果有值则调用 acquireValue(value, policy)
    id new_value = value ? acquireValue(value, policy) : nil;
    {
        /*
         ** 初识化一个 AssociationsManager 对象
         ** 它维护了一个单例 Hash 表 AssociationsHashMap 对象
         */
        AssociationsManager manager;
        /*
         ** 初识化一个 AssociationsHashMap (单例)对象
         ** 它维护 disguised_ptr_t 和 ObjectAssociationMap 对象之间的关系
         */
        AssociationsHashMap &associations(manager.associations());
        // 根据传进来的 object 生成一个 key(disguised_ptr_t对象), 不存在和 object 的引用关系
        disguised_ptr_t disguised_object = DISGUISE(object);
        if (new_value) {
            // break any existing association.
            // 根据 key(disguised_object) 从 AssociationsHashMap 中获取遍历器i
            AssociationsHashMap::iterator i = associations.find(disguised_object);
            if (i != associations.end()) {
                // secondary table exists
                /*
                 ** 根据遍历器i获取到 ObjectAssociationMap
                 ** i->first 表示对象地址
                 ** i->second 表示获取 ObjectAssociationMap
                 */
                ObjectAssociationMap *refs = i->second;
                // 根据传进来的 key 从 ObjectAssociationMap 中获取遍历器j
                ObjectAssociationMap::iterator j = refs->find(key);
                if (j != refs->end()) {
                    old_association = j->second;
                    // 根据传进来的 policy 和 value 创建 ObjcAssociation
                    // 若关联对象已存在，则赋新值
                    j->second = ObjcAssociation(policy, new_value);
                } else {
                    // 若关联对象不存在，则创建新的关联对象
                    (*refs)[key] = ObjcAssociation(policy, new_value);
                }
            } else {
                // create the new association (first time).
                /*
                 ** 若没有传进来的 object 对应的 ObjectAssociationMap 表，就创建
                 */
                ObjectAssociationMap *refs = new ObjectAssociationMap;
                associations[disguised_object] = refs;
                (*refs)[key] = ObjcAssociation(policy, new_value);
                object->setHasAssociatedObjects();
            }
        /*
         ** 如果传进来的 value 为 nil，则删除该关联对象
         ** 调用 erase(j) 函数对 j 进行擦除
         ** 即在 ObjectAssociationMap 中擦除传进来的 key(key) 和它所对应的 ObjcAssociation(value)
         ** 所以，如果想移除给定对象的某个 key 的关联，可以使用 objc_setAssociatedObject 给参数 value 传值 nil。
         */
        } else {
            // setting the association to nil breaks the association.
            AssociationsHashMap::iterator i = associations.find(disguised_object);
            if (i !=  associations.end()) {
                ObjectAssociationMap *refs = i->second;
                ObjectAssociationMap::iterator j = refs->find(key);
                if (j != refs->end()) {
                    old_association = j->second;
                    refs->erase(j);
                }
            }
        }
    }
    // release the old value (outside of the lock).
    if (old_association.hasValue()) ReleaseValue()(old_association);
}

objc_getAssociatedObject

① 实例化一个 AssociationsManager 对象；
② 实例化一个 AssociationsHashMap 对象；
③ 根据object生成一个 disguised_ptr_t 对象；
④ 根据 disguised_ptr_t 获取对应的 ObjectAssociationMap 对象；
⑤ 根据 key 获取到它所对应的 ObjcAssociation 对象；
⑥ 返回 ObjcAssociation 中的 value。

// objc-runtime.mm
id objc_getAssociatedObject(id object, const void *key) {
    return _object_get_associative_reference(object, (void *)key);
}

// objc-references.mm
id _object_get_associative_reference(id object, void *key) {
    id value = nil;
    uintptr_t policy = OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN;
    {
        AssociationsManager manager;
        AssociationsHashMap &associations(manager.associations());
        disguised_ptr_t disguised_object = DISGUISE(object);
        AssociationsHashMap::iterator i = associations.find(disguised_object);
        if (i != associations.end()) {
            ObjectAssociationMap *refs = i->second;
            ObjectAssociationMap::iterator j = refs->find(key);
            if (j != refs->end()) {
                ObjcAssociation &entry = j->second;
                value = entry.value();
                policy = entry.policy();
                if (policy & OBJC_ASSOCIATION_GETTER_RETAIN) {
                    objc_retain(value);
                }
            }
        }
    }
    if (value && (policy & OBJC_ASSOCIATION_GETTER_AUTORELEASE)) {
        objc_autorelease(value);
    }
    return value;
}

objc_removeAssociatedObjects

① 实例化一个 AssociationsManager 对象；
② 实例化一个 AssociationsHashMap 对象；
③ 根据object生成一个 disguised_ptr_t 对象；
④ 根据 disguised_ptr_t 获取对应的 ObjectAssociationMap 对象；
⑤ 删除该 ObjectAssociationMap 对象。

// objc-runtime.mm
void objc_removeAssociatedObjects(id object) 
{
    if (object && object->hasAssociatedObjects()) {
        _object_remove_assocations(object);
    }
}

// objc-references.mm
void _object_remove_assocations(id object) {
    vector< ObjcAssociation,ObjcAllocator<ObjcAssociation> > elements;
    {
        AssociationsManager manager;
        AssociationsHashMap &associations(manager.associations());
        if (associations.size() == 0) return;
        disguised_ptr_t disguised_object = DISGUISE(object);
        AssociationsHashMap::iterator i = associations.find(disguised_object);
        if (i != associations.end()) {
            // copy all of the associations that need to be removed.
            ObjectAssociationMap *refs = i->second;
            for (ObjectAssociationMap::iterator j = refs->begin(), end = refs->end(); j != end; ++j) {
                elements.push_back(j->second);
            }
            // remove the secondary table.
            delete refs;
            /* 调用 erase(i) 函数对 i 进行擦除
               即在 AssociationsHashMap 中擦除传进来的 object(key) 和它所对应的 ObjectAssociationMap(value)
               所以，如果想删除给定对象的所有关联，调用 objc_removeAssociatedObjects 函数即可
             */
            associations.erase(i);
        }
    }
    // the calls to releaseValue() happen outside of the lock.
    for_each(elements.begin(), elements.end(), ReleaseValue());
}

acquireValue
根据policy来对value进行retain或者copy操作。

static id acquireValue(id value, uintptr_t policy) {
    switch (policy & 0xFF) {
    case OBJC_ASSOCIATION_SETTER_RETAIN:
        return objc_retain(value);
    case OBJC_ASSOCIATION_SETTER_COPY:
        return ((id(*)(id, SEL))objc_msgSend)(value, SEL_copy);
    }
    return value;
}

3. 相关面试题

Q：如何移除关联对象？

移除一个object的某个key的关联对象：调用objc_setAssociatedObject设置关联对象value为nil。
objc_setAssociatedObject函数会调用_object_set_associative_reference函数，并在该函数中判断传进来的value是否为nil，是的话会调用erase(j)擦除函数，将j变量擦除。j即为ObjectAssociationMap对象里的一对【key: key value: ObjcAssociation（_policy、_value）】。
移除一个object的所有关联对象：调用函数objc_removeAssociatedObjects。
objc_removeAssociatedObjects函数会调用_object_remove_assocations函数，并在该函数中调用对象的erase(i)擦除函数，将i变量擦除。i即为AssociationsHashMap对象中的一对【key: object value: ObjectAssociationMap】。

Q：如果 object 被销毁，那它所对应的 ObjectAssociationMap 是否也会自动销毁？

答案是肯定的。

Q：如果没有关联对象，怎么实现 Category 有成员变量的效果？

使用字典。创建一个全局的字典，将self对象在内存中的地址作为key。
缺点：① 内存泄漏问题：全局变量会一直存储在内存中；
② 线程安全问题：可能会有多个对象同时访问字典，加锁可以解决；
③ 每添加一个成员变量就要创建一个字典，很麻烦。

#import "Person.h"
@interface Person (Test)
@property (nonatomic, assign) int height;
@end

#import "Person+Test.h"
#import <objc/runtime.h>
@implementation Person (Test)
NSMutableDictionary *heights_;
+ (void)load {
    heights_ = [NSMutableDictionary dictionary];
}
- (void)setHeight:(int)height {
    NSString *key = [NSString stringWithFormat:@"%@",self];
    heights_[key] = @(height);
}
- (int)height {
    NSString *key = [NSString stringWithFormat:@"%@",self];
    return [heights_[key] intValue];
}

OC 底层探索 - Association 关联对象

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1. 关联对象

1.1 使用场景

1.2 使用方法

1.2.1 相关 API

1.2.2 objc_AssociationPolicy 关联策略

1.2.3 key 的常见用法

2. 关联对象的原理

3. 相关面试题

Q：如何移除关联对象？

Q：如果 object 被销毁，那它所对应的 ObjectAssociationMap 是否也会自动销毁？

Q：如果没有关联对象，怎么实现 Category 有成员变量的效果？

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