iOS-底层原理 ：内存管理（一）TaggedPointer/r

本文主要是分析内存管理中的内存管理方案，以及retain、retainCount、release、dealloc的底层源码分析

ARC & MRC

iOS中的内存管理方案，大致可以分为两类：MRC（手动内存管理）和ARC（自动内存管理）

MRC

• 在MRC时代，系统是通过对象的引用计数来判断一个是否销毁，有以下规则

  • 对象被创建时引用计数都为1

  • 当对象被其他指针引用时，需要手动调用[objc retain]，使对象的引用计数+1

  • 当指针变量不再使用对象时，需要手动调用[objc release]来释放对象，使对象的引用计数-1

  • 当一个对象的引用计数为0时，系统就会销毁这个对象

• 所以，在MRC模式下，必须遵守：谁创建，谁释放，谁引用，谁管理
  ARC

• ARC模式是在WWDC2011和iOS5引入的自动管理机制，即自动引用计数。是编译器的一种特性。其规则与MRC一致，区别在于，ARC模式下不需要手动retain、release、autorelease。编译器会在适当的位置插入release和autorelease。

内存布局

我们在iOS-底层原理 24：内存五大区文章中，介绍了内存的五大区。其实除了内存区，还有内核区和保留区，以4GB手机为例，如下所示，系统将其中的3GB给了五大区+保留区，剩余的1GB给内核区使用

image

• 内核区：系统用来进行内核处理操作的区域

• 五大区：这里不再作说明，具体请参考上面的链接

• 保留区：预留给系统处理nil等

这里有个疑问，为什么五大区的最后内存地址是从0x00400000开始的。其主要原因是0x00000000表示nil，不能直接用nil表示一个段，所以单独给了一段内存用于处理nil等情况

内存布局相关面试题

面试题1：全局变量和局部变量在内存中是否有区别？如果有，是什么区别？

• 有区别

• 全局变量保存在内存的全局存储区（即bss+data段），占用静态的存储单元

• 局部变量保存在栈中，只有在所在函数被调用时才动态的为变量分配存储单元

面试题2：Block中可以修改全局变量，全局静态变量，局部静态变量，局部变量吗？

• 可以修改全局变量，全局静态变量，因为全局变量 和 静态全局变量是全局的，作用域很广

• 可以修改局部静态变量，不可以修改局部斌量

  • 局部静态变量（static修饰的） 和 局部变量，被block从外面捕获，成为 __main_block_impl_0这个结构体的成员变量

  • 局部变量是以值方式传递到block的构造函数中的，只会捕获block中会用到的变量，由于只捕获了变量的值，并非内存地址，所以在block内部不能改变局部变量的值

  • 局部静态变量是以指针形式，被block捕获的，由于捕获的是指针，所以可以修改局部静态变量的值

• ARC环境下，一旦使用__block修饰并在block中修改，就会触发copy，block就会从栈区copy到堆区，此时的block是堆区block

• ARC模式下，Block中引用id类型的数据，无论有没有__block修饰，都会retain，对于基础数据类型，没有__block就无法修改变量值；如果有__block修饰，也是在底层修改__Block_byref_a_0结构体，将其内部的forwarding指针指向copy后的地址，来达到值的修改

内存管理方案

内存管理方案除了前文提及的MRC和ARC，还有以下三种

• Tagged Pointer：专门用来处理小对象，例如NSNumber、NSDate、小NSString等

• Nonpointer_isa：非指针类型的isa，主要是用来优化64位地址，这个在iOS-底层原理 07：isa与类关联的原理一文中，已经介绍了

• SideTables：散列表，在散列表中主要有两个表，分别是引用计数表、弱引用表

这里主要着重介绍Tagged Pointer 和SideTables，我们通过一个面试题来引入Tagged Pointer

面试题

以下代码会有什么问题？

//*********代码1*********
- (void)taggedPointerDemo {
  self.queue = dispatch_queue_create("com.cjl.cn", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);

    for (int i = 0; i<10000; i++) {
        dispatch_async(self.queue, ^{
            self.nameStr = [NSString stringWithFormat:@"CJL"];  // alloc 堆 iOS优化 - taggedpointer
             NSLog(@"%@",self.nameStr);
        });
    }
}

//*********代码2*********
- (void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event{
    NSLog(@"来了");
    for (int i = 0; i<10000; i++) {
        dispatch_async(self.queue, ^{
            self.nameStr = [NSString stringWithFormat:@"CJL_越努力，越幸运！！！"];
            NSLog(@"%@",self.nameStr);
        });
    }
}

运行以上代码，发现taggedPointerDemo单独运行没有问题，当触发touchesBegan方法后。程序会崩溃，崩溃的原因是多条线程同时对一个对象进行释放，导致了 过渡释放所以崩溃。其根本原因是因为nameStr在底层的类型不一致导致的，我们可以通过调试看出

image

• taggedPointerDemo方法中的nameStr类型是 NSTaggedPointerString，存储在常量区。因为nameStr在alloc分配时在堆区，由于较小，所以经过xcode中iOS的优化，成了NSTaggedPointerString类型，存储在常量区

• touchesBegan方法中的nameStr类型是 NSCFString类型，存储在堆上

NSString的内存管理

我们可以通过NSString初始化的两种方式，来测试NSString的内存管理

• 通过 WithString + @""方式初始化

• 通过 WithFormat方式初始化

#define KLog(_c) NSLog(@"%@ -- %p -- %@",_c,_c,[_c class]);

- (void)testNSString{
    //初始化方式一：通过 WithString + @""方式
    NSString *s1 = @"1";
    NSString *s2 = [[NSString alloc] initWithString:@"222"];
    NSString *s3 = [NSString stringWithString:@"33"];

    KLog(s1);
    KLog(s2);
    KLog(s3);

    //初始化方式二：通过 WithFormat
    //字符串长度在9以内
    NSString *s4 = [NSString stringWithFormat:@"123456789"];
    NSString *s5 = [[NSString alloc] initWithFormat:@"123456789"];

    //字符串长度大于9
    NSString *s6 = [NSString stringWithFormat:@"1234567890"];
    NSString *s7 = [[NSString alloc] initWithFormat:@"1234567890"];

    KLog(s4);
    KLog(s5);
    KLog(s6);
    KLog(s7);
}

以下是运行的结果

image

所以，从上面可以总结出，NSString的内存管理主要分为3种

• __NSCFConstantString：字符串常量，是一种编译时常量，retainCount值很大，对其操作，不会引起引用计数变化，存储在字符串常量区

• __NSCFString：是在运行时创建的NSString子类，创建后引用计数会加1，存储在堆上

• NSTaggedPointerString：标签指针，是苹果在64位环境下对NSString、NSNumber等对象做的优化。对于NSString对象来说

  • 当字符串是由数字、英文字母组合且长度小于等于9时，会自动成为NSTaggedPointerString类型，存储在常量区

  • 当有中文或者其他特殊符号时，会直接成为__NSCFString类型，存储在堆区

Tagged Pointer 小对象

由一个NSString的面试题，引出了Tagged Pointer，为了探索小对象的引用计数处理，所以我们需要进入objc源码中查看retain、release源码 中对 Tagged Pointer小对象的处理

小对象的引用计数处理分析

• 查看setProperty -> reallySetProperty源码，其中是对新值retain，旧值release

  image

• 进入objc_retain、objc_release源码,在这里都判断是否是小对象，如果是小对象，则不会进行retain或者release，会直接返回。因此可以得出一个结论：如果对象是小对象，不会进行retain 和 release

//****************objc_retain****************
__attribute__((aligned(16), flatten, noinline))
id 
objc_retain(id obj)
{
    if (!obj) return obj;
    //判断是否是小对象，如果是，则直接返回对象
    if (obj->isTaggedPointer()) return obj;
    //如果不是小对象，则retain
    return obj->retain();
}

//****************objc_release****************
__attribute__((aligned(16), flatten, noinline))
void 
objc_release(id obj)
{
    if (!obj) return;
    //如果是小对象，则直接返回
    if (obj->isTaggedPointer()) return;
    //如果不是小对象，则release
    return obj->release();
}

小对象的地址分析

继续以NSString为例，对于NSString来说

• 一般的NSString对象指针，都是string值 + 指针地址，两者是分开的

• 对于Tagged Pointer指针，其指针+值，都能在小对象中体现。所以Tagged Pointer 既包含指针，也包含值

在之前的文章讲类的加载时，其中的_read_images源码有一个方法对小对象进行了处理，即initializeTaggedPointerObfuscator方法

• 进入_read_images -> initializeTaggedPointerObfuscator源码实现

static void
initializeTaggedPointerObfuscator(void)
{

    if (sdkIsOlderThan(10_14, 12_0, 12_0, 5_0, 3_0) ||
        // Set the obfuscator to zero for apps linked against older SDKs,
        // in case they're relying on the tagged pointer representation.
        DisableTaggedPointerObfuscation) {
        objc_debug_taggedpointer_obfuscator = 0;
    }
    //在iOS14之后，对小对象进行了混淆，通过与操作+_OBJC_TAG_MASK混淆
    else {
        // Pull random data into the variable, then shift away all non-payload bits.
        arc4random_buf(&objc_debug_taggedpointer_obfuscator,
                       sizeof(objc_debug_taggedpointer_obfuscator));
        objc_debug_taggedpointer_obfuscator &= ~_OBJC_TAG_MASK;
    }
}

在实现中，我们可以看出，在iOS14之后，Tagged Pointer采用了混淆处理，如下所示

image

• 我们可以在源码中通过objc_debug_taggedpointer_obfuscator查找taggedPointer的编码和解码，来查看底层是如何混淆处理的

//编码
static inline void * _Nonnull
_objc_encodeTaggedPointer(uintptr_t ptr)
{
    return (void *)(objc_debug_taggedpointer_obfuscator ^ ptr);
}
//编码
static inline uintptr_t
_objc_decodeTaggedPointer(const void * _Nullable ptr)
{
    return (uintptr_t)ptr ^ objc_debug_taggedpointer_obfuscator;

通过实现，我们可以得知，在编码和解码部分，经过了两层异或，其目的是得到小对象自己，例如以 1010 0001为例，假设mask为 0101 1000

    1010 0001 
   ^0101 1000 mask（编码）
    1111 1001
   ^0101 1000 mask（解码）
    1010 0001

• 所以在外界，为了获取小对象的真实地址，我们可以将解码的源码拷贝到外面，将NSString混淆部分进行解码，如下所示

  image

  观察解码后的小对象地址，其中的62表示b的ASCII码，再以NSNumber为例，同样可以看出，1就是我们实际的值

  image

到这里，我们验证了小对象指针地址中确实存储了值，那么小对象地址高位其中的0xa、0xb又是什么含义呢？

//NSString
0xa000000000000621

//NSNumber
0xb000000000000012
0xb000000000000025

• 需要去源码中查看_objc_isTaggedPointer源码，主要是通过保留最高位的值（即64位的值），判断是否等于_OBJC_TAG_MASK（即2^63）,来判断是否是小对象

static inline bool 
_objc_isTaggedPointer(const void * _Nullable ptr)
{
    //等价于 ptr & 1左移63，即2^63，相当于除了64位，其他位都为0，即只是保留了最高位的值
    return ((uintptr_t)ptr & _OBJC_TAG_MASK) == _OBJC_TAG_MASK;
}

所以0xa、0xb主要是用于判断是否是小对象taggedpointer，即判断条件，判断第64位上是否为1（taggedpointer指针地址即表示指针地址，也表示值）

• 0xa 转换成二进制为 1 010（64为为1，63~61后三位表示 tagType类型 - 2），表示NSString类型

• 0xb 转换为二进制为 1 011（64为为1，63~61后三位表示 tagType类型 - 3），表示NSNumber类型，这里需要注意一点，如果NSNumber的值是-1，其地址中的值是用补码表示的

这里可以通过_objc_makeTaggedPointer方法的参数tag类型objc_tag_index_t进入其枚举，其中 2表示NSString，3表示NSNumber

image

• 同理，我们可以定义一个NSDate对象，来验证其tagType是否为6。通过打印结果，其地址高位是0xe，转换为二进制为1 110，排除64位的1，剩余的3位正好转换为十进制是6，符合上面的枚举值

  image

Tagged Pointer 总结

• Tagged Pointer小对象类型（用于存储NSNumber、NSDate、小NSString），小对象指针不再是简单的地址，而是地址 + 值，即真正的值，所以，实际上它不再是一个对象了，它只是一个披着对象皮的普通变量而以。所以可以直接进行读取。优点是占用空间小 节省内存

• Tagged Pointer小对象 不会进入retain 和 release，而是直接返回了，意味着不需要ARC进行管理，所以可以直接被系统自主的释放和回收

• Tagged Pointer的内存并不存储在堆中，而是在常量区中，也不需要malloc和free，所以可以直接读取，相比存储在堆区的数据读取，效率上快了3倍左右。创建的效率相比堆区快了近100倍左右

• 所以，综合来说，taggedPointer的内存管理方案，比常规的内存管理，要快很多

• Tagged Pointer的64位地址中，前4位代表类型，后4位主要适用于系统做一些处理，中间56位用于存储值

• 优化内存建议：对于NSString来说，当字符串较小时，建议直接通过@""初始化，因为存储在常量区，可以直接进行读取。会比WithFormat初始化方式更加快速

SideTables 散列表

当引用计数存储到一定值是，并不会再存储到Nonpointer_isa的位域的extra_rc中，而是会存储到SideTables 散列表中

下面我们就来继续探索引用计数retain的底层实现

retain 源码分析

• 进入objc_retain -> retain -> rootRetain源码实现，主要有以下几部分逻辑：

  • 【第一步】判断是否为Nonpointer_isa

  • 【第二步】操作引用计数

    • 1、如果不是Nonpointer_isa，则直接操作SideTables散列表，此时的散列表并不是只有一张，而是有很多张（后续会分析，为什么需要多张）

    • 2、判断是否正在释放，如果正在释放，则执行dealloc流程

    • 3、执行extra_rc+1，即引用计数+1操作，并给一个引用计数的状态标识carry，用于表示extra_rc是否满了

    • 4、如果carray的状态表示extra_rc的引用计数满了，此时需要操作散列表，即 将满状态的一半拿出来存到extra_rc，另一半存在 散列表的rc_half。这么做的原因是因为如果都存储在散列表，每次对散列表操作都需要开解锁，操作耗时，消耗性能大，这么对半分操作的目的在于提高性能

ALWAYS_INLINE id 
objc_object::rootRetain(bool tryRetain, bool handleOverflow)
{
    if (isTaggedPointer()) return (id)this;

    bool sideTableLocked = false;
    bool transcribeToSideTable = false;
    //为什么有isa？因为需要对引用计数+1，即retain+1，而引用计数存储在isa的bits中，需要进行新旧isa的替换
    isa_t oldisa;
    isa_t newisa;
    //重点
    do {
        transcribeToSideTable = false;
        oldisa = LoadExclusive(&isa.bits);
        newisa = oldisa;
        //判断是否为nonpointer isa
        if (slowpath(!newisa.nonpointer)) {
            //如果不是 nonpointer isa，直接操作散列表sidetable
            ClearExclusive(&isa.bits);
            if (rawISA()->isMetaClass()) return (id)this;
            if (!tryRetain && sideTableLocked) sidetable_unlock();
            if (tryRetain) return sidetable_tryRetain() ? (id)this : nil;
            else return sidetable_retain();
        }
        // don't check newisa.fast_rr; we already called any RR overrides
        //dealloc源码
        if (slowpath(tryRetain && newisa.deallocating)) {
            ClearExclusive(&isa.bits);
            if (!tryRetain && sideTableLocked) sidetable_unlock();
            return nil;
        }

        uintptr_t carry;
        //执行引用计数+1操作，即对bits中的 1ULL<<45（arm64） 即extra_rc，用于该对象存储引用计数值
        newisa.bits = addc(newisa.bits, RC_ONE, 0, &carry);  // extra_rc++
        //判断extra_rc是否满了，carry是标识符
        if (slowpath(carry)) {
            // newisa.extra_rc++ overflowed
            if (!handleOverflow) {
                ClearExclusive(&isa.bits);
                return rootRetain_overflow(tryRetain);
            }
            // Leave half of the retain counts inline and 
            // prepare to copy the other half to the side table.
            if (!tryRetain && !sideTableLocked) sidetable_lock();
            sideTableLocked = true;
            transcribeToSideTable = true;
            //如果extra_rc满了，则直接将满状态的一半拿出来存到extra_rc
            newisa.extra_rc = RC_HALF;
            //给一个标识符为YES，表示需要存储到散列表
            newisa.has_sidetable_rc = true;
        }
    } while (slowpath(!StoreExclusive(&isa.bits, oldisa.bits, newisa.bits)));

    if (slowpath(transcribeToSideTable)) {
        // Copy the other half of the retain counts to the side table.
        //将另一半存在散列表的rc_half中，即满状态下是8位，一半就是1左移7位，即除以2
        //这么操作的目的在于提高性能，因为如果都存在散列表中，当需要release-1时，需要去访问散列表，每次都需要开解锁，比较消耗性能。extra_rc存储一半的话，可以直接操作extra_rc即可，不需要操作散列表。性能会提高很多
        sidetable_addExtraRC_nolock(RC_HALF);
    }

    if (slowpath(!tryRetain && sideTableLocked)) sidetable_unlock();
    return (id)this;
}

问题1：散列表为什么在内存有多张？最多能够多少张？

• 如果散列表只有一张表，意味着全局所有的对象都会存储在一张表中，都会进行开锁解锁（锁是锁整个表的读写）。当开锁时，由于所有数据都在一张表，则意味着数据不安全

• 如果每个对象都开一个表，会耗费性能，所以也不能有无数个表

• 散列表的类型是SideTable，有如下定义

struct SideTable {
    spinlock_t slock;//开/解锁
    RefcountMap refcnts;//引用计数表
    weak_table_t weak_table;//弱引用表

    ....
}

• 通过查看sidetable_unlock方法定位SideTables，其内部是通过SideTablesMap的get方法获取。而SideTablesMap是通过StripedMap<SideTable>定义的

void 
objc_object::sidetable_unlock()
{
    //SideTables散列表并不只是一张，而是很多张，与关联对象表类似
    SideTable& table = SideTables()[this];
    table.unlock();
}
👇
static StripedMap<SideTable>& SideTables() {
    return SideTablesMap.get();
}
👇
static objc::ExplicitInit<StripedMap<SideTable>> SideTablesMap;

从而进入StripedMap的定义，从这里可以看出，同一时间，真机中散列表最多只能有8张

image

问题2：为什么在用散列表，而不用数组、链表？

• 数组：特点在于查询方便（即通过下标访问），增删比较麻烦（类似于之前讲过的methodList，通过memcopy、memmove增删，非常麻烦），所以数据的特性是读取快，存储不方便

• 链表：特点在于增删方便，查询慢（需要从头节点开始遍历查询），所以链表的特性是存储快，读取慢

• 散列表的本质就是一张哈希表，哈希表集合了数组和链表的长处，增删改查都比较方便，例如拉链哈希表（在之前锁的文章中，讲过的tls的存储结构就是拉链形式的），是最常用的，如下所示

  image

  可以从SideTables -> StripedMap -> indexForPointer中验证是通过哈希函数计算哈希下标 以及sideTables为什么可以使用[]的原因

  image

所以，综上所述，retain的底层流程如下所示

image

总结：retain 完整回答

• retain在底层首先会判断是否是 Nonpointer isa，如果不是，则直接操作散列表 进行+1操作

• 如果是Nonpointer isa，还需要判断是否正在释放，如果正在释放，则执行dealloc流程，释放弱引用表和引用技术表，最后free释放对象内存

• 如果不是正在释放，则对Nonpointer isa进行常规的引用计数+1.这里需要注意一点的是，extra_rc在真机上只有8位用于存储引用计数的值，当存储满了时，需要借助散列表用于存储。需要将满了的extra_rc对半分，一半（即2^7）存储在散列表中。另一半还是存储在extra_rc中，用于常规的引用计数的+1或者-1操作，然后再返回

release 源码分析

分析了retain的底层实现，下面来分析release的底层实现

• 通过setProperty -> reallySetProperty -> objc_release -> release -> rootRelease -> rootRelease顺序，进入rootRelease源码，其操作与retain 相反

  • 判断是否是Nonpointer isa，如果不是，则直接对散列表进行-1操作

  • 如果是Nonpointer isa，则对extra_rc中的引用计数值进行-1操作，并存储此时的extra_rc状态到carry中

  • 如果此时的状态carray为0，则走到underflow流程

  • underflow流程有以下几步：

    • 判断散列表中是否存储了一半的引用计数

    • 如果是，则从散列表中取出存储的一半引用计数，进行-1操作，然后存储到extra_rc中

    • 如果此时extra_rc没有值，散列表中也是空的，则直接进行析构，即dealloc操作，属于自动触发

ALWAYS_INLINE bool 
objc_object::rootRelease(bool performDealloc, bool handleUnderflow)
{
    if (isTaggedPointer()) return false;

    bool sideTableLocked = false;

    isa_t oldisa;
    isa_t newisa;

 retry:
    do {
        oldisa = LoadExclusive(&isa.bits);
        newisa = oldisa;
        //判断是否是Nonpointer isa
        if (slowpath(!newisa.nonpointer)) {
            //如果不是，则直接操作散列表-1
            ClearExclusive(&isa.bits);
            if (rawISA()->isMetaClass()) return false;
            if (sideTableLocked) sidetable_unlock();
            return sidetable_release(performDealloc);
        }
        // don't check newisa.fast_rr; we already called any RR overrides
        uintptr_t carry;
        //进行引用计数-1操作，即extra_rc-1
        newisa.bits = subc(newisa.bits, RC_ONE, 0, &carry);  // extra_rc--
        //如果此时extra_rc的值为0了，则走到underflow
        if (slowpath(carry)) {
            // don't ClearExclusive()
            goto underflow;
        }
    } while (slowpath(!StoreReleaseExclusive(&isa.bits, 
                                             oldisa.bits, newisa.bits)));

    if (slowpath(sideTableLocked)) sidetable_unlock();
    return false;

 underflow:
    // newisa.extra_rc-- underflowed: borrow from side table or deallocate

    // abandon newisa to undo the decrement
    newisa = oldisa;
    //判断散列表中是否存储了一半的引用计数
    if (slowpath(newisa.has_sidetable_rc)) {
        if (!handleUnderflow) {
            ClearExclusive(&isa.bits);
            return rootRelease_underflow(performDealloc);
        }

        // Transfer retain count from side table to inline storage.

        if (!sideTableLocked) {
            ClearExclusive(&isa.bits);
            sidetable_lock();
            sideTableLocked = true;
            // Need to start over to avoid a race against 
            // the nonpointer -> raw pointer transition.
            goto retry;
        }

        // Try to remove some retain counts from the side table.
        //从散列表中取出存储的一半引用计数
        size_t borrowed = sidetable_subExtraRC_nolock(RC_HALF);

        // To avoid races, has_sidetable_rc must remain set 
        // even if the side table count is now zero.

        if (borrowed > 0) {
            // Side table retain count decreased.
            // Try to add them to the inline count.
            //进行-1操作，然后存储到extra_rc中
            newisa.extra_rc = borrowed - 1;  // redo the original decrement too
            bool stored = StoreReleaseExclusive(&isa.bits, 
                                                oldisa.bits, newisa.bits);
            if (!stored) {
                // Inline update failed. 
                // Try it again right now. This prevents livelock on LL/SC 
                // architectures where the side table access itself may have 
                // dropped the reservation.
                isa_t oldisa2 = LoadExclusive(&isa.bits);
                isa_t newisa2 = oldisa2;
                if (newisa2.nonpointer) {
                    uintptr_t overflow;
                    newisa2.bits = 
                        addc(newisa2.bits, RC_ONE * (borrowed-1), 0, &overflow);
                    if (!overflow) {
                        stored = StoreReleaseExclusive(&isa.bits, oldisa2.bits, 
                                                       newisa2.bits);
                    }
                }
            }

            if (!stored) {
                // Inline update failed.
                // Put the retains back in the side table.
                sidetable_addExtraRC_nolock(borrowed);
                goto retry;
            }

            // Decrement successful after borrowing from side table.
            // This decrement cannot be the deallocating decrement - the side 
            // table lock and has_sidetable_rc bit ensure that if everyone 
            // else tried to -release while we worked, the last one would block.
            sidetable_unlock();
            return false;
        }
        else {
            // Side table is empty after all. Fall-through to the dealloc path.
        }
    }
    //此时extra_rc中值为0，散列表中也是空的，则直接进行析构，即自动触发dealloc流程
    // Really deallocate.
    //触发dealloc的时机
    if (slowpath(newisa.deallocating)) {
        ClearExclusive(&isa.bits);
        if (sideTableLocked) sidetable_unlock();
        return overrelease_error();
        // does not actually return
    }
    newisa.deallocating = true;
    if (!StoreExclusive(&isa.bits, oldisa.bits, newisa.bits)) goto retry;

    if (slowpath(sideTableLocked)) sidetable_unlock();

    __c11_atomic_thread_fence(__ATOMIC_ACQUIRE);

    if (performDealloc) {
        //发送一个dealloc消息
        ((void(*)(objc_object *, SEL))objc_msgSend)(this, @selector(dealloc));
    }
    return true;
}

所以，综上所述，release的底层流程如下图所示

image

dealloc 源码分析

在retain和release的底层实现中，都提及了dealloc析构函数，下面来分析dealloc的底层的实现

• 进入dealloc -> _objc_rootDealloc -> rootDealloc源码实现，主要有两件事：
  • 根据条件判断是否有isa、cxx、关联对象、弱引用表、引用计数表，如果没有，则直接free释放内存
  • 如果有，则进入object_dispose方法

inline void
objc_object::rootDealloc()
{
    //对象要释放，需要做哪些事情？
    //1、isa - cxx - 关联对象 - 弱引用表 - 引用计数表
    //2、free
    if (isTaggedPointer()) return;  // fixme necessary?

    //如果没有这些，则直接free
    if (fastpath(isa.nonpointer  &&  
                 !isa.weakly_referenced  &&  
                 !isa.has_assoc  &&  
                 !isa.has_cxx_dtor  &&  
                 !isa.has_sidetable_rc))
    {
        assert(!sidetable_present());
        free(this);
    } 
    else {
        //如果有
        object_dispose((id)this);
    }
}

• 进入object_dispose源码，其目的有以下几个

  • 销毁实例，主要有以下操作

    • 调用c++析构函数

    • 删除关联引用

    • 释放散列表

    • 清空弱引用表

  • free释放内存

id 
object_dispose(id obj)
{
    if (!obj) return nil;
    //销毁实例而不会释放内存
    objc_destructInstance(obj);
    //释放内存
    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.
        //调用C ++析构函数
        if (cxx) object_cxxDestruct(obj);
        //删除关联引用
        if (assoc) _object_remove_assocations(obj);
        //释放
        obj->clearDeallocating();
    }

    return obj;
}
👇
inline void 
objc_object::clearDeallocating()
{
    //判断是否为nonpointer isa
    if (slowpath(!isa.nonpointer)) {
        // Slow path for raw pointer isa.
        //如果不是，则直接释放散列表
        sidetable_clearDeallocating();
    }
    //如果是，清空弱引用表 + 散列表
    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());
}
👇
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) {
        //清空弱引用表
        weak_clear_no_lock(&table.weak_table, (id)this);
    }
    if (isa.has_sidetable_rc) {
        //清空引用计数
        table.refcnts.erase(this);
    }
    table.unlock();
}

所以，综上所述，dealloc底层的流程图如图所示

image

所以，到目前为止，从最开始的alloc底层分析（见iOS-底层原理 02：alloc & init & new 源码分析）-> retain -> release -> dealloc就全部串联起来了

retainCount 源码分析

引用计数的分析通过一个面试题来说明

面试题：alloc创建的对象的引用计数为多少？

• 定义如下代码，打印其引用计数

NSObject *objc = [NSObject alloc];
NSLog(@"%ld",CFGetRetainCount((__bridge CFTypeRef)objc));

打印结果如下

image

• 进入retainCount -> _objc_rootRetainCount -> rootRetainCount源码，其实现如下

- (NSUInteger)retainCount {
    return _objc_rootRetainCount(self);
}
👇
uintptr_t
_objc_rootRetainCount(id obj)
{
    ASSERT(obj);

    return obj->rootRetainCount();
}
👇
inline uintptr_t 
objc_object::rootRetainCount()
{
    if (isTaggedPointer()) return (uintptr_t)this;

    sidetable_lock();
    isa_t bits = LoadExclusive(&isa.bits);
    ClearExclusive(&isa.bits);
    //如果是nonpointer isa，才有引用计数的下层处理
    if (bits.nonpointer) {
        //alloc创建的对象引用计数为0，包括sideTable,所以对于alloc来说，是 0+1=1，这也是为什么通过retaincount获取的引用计数为1的原因
        uintptr_t rc = 1 + bits.extra_rc;
        if (bits.has_sidetable_rc) {
            rc += sidetable_getExtraRC_nolock();
        }
        sidetable_unlock();
        return rc;
    }
    //如果不是，则正常返回
    sidetable_unlock();
    return sidetable_retainCount();
}

在这里我们可以通过源码断点调试，来查看此时的extra_rc的值，结果如下

image

答案：综上所述，alloc创建的对象实际的引用计数为0，其引用计数打印结果为1，是因为在底层rootRetainCount方法中，引用计数默认+1了，但是这里只有对引用计数的读取操作，是没有写入操作的，简单来说就是：为了防止alloc创建的对象被释放（引用计数为0会被释放），所以在编译阶段，程序底层默认进行了+1操作。实际上在extra_rc中的引用计数仍然为0

总结

• alloc创建的对象没有retain和release

• alloc创建对象的引用计数为0，会在编译时期，程序默认加1，所以读取引用计数时为1

强应用（强持有）

假设此时有两个界面A、B，从A push 到B界面，在B界面中有如下定时器代码。当从B pop回到A界面[图片上传中...(E70D3F5D-8815-4138-BFDD-017B1BFCE0E7.png-6861f8-1609331145410-0)]
时，发现定时器没有停止，其方法仍然在执行，为什么？

self.timer = [NSTimer timerWithTimeInterval:1 target:self selector:@selector(fireHome) userInfo:nil repeats:YES];
[[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:self.timer forMode:NSRunLoopCommonModes];

其主要原因是B界面没有释放，即没有执行dealloc方法，导致timer也无法停止和释放

解决方式一

• 重写didMoveToParentViewController方法

- (void)didMoveToParentViewController:(UIViewController *)parent{
    // 无论push 进来 还是 pop 出去 正常跑
    // 就算继续push 到下一层 pop 回去还是继续
    if (parent == nil) {
       [self.timer invalidate];
        self.timer = nil;
        NSLog(@"timer 走了");
    }
}

解决方式二

• 定义timer时，采用闭包的形式，因此不需要指定target

- (void)blockTimer{
    self.timer = [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:1 repeats:YES block:^(NSTimer * _Nonnull timer) {
        NSLog(@"timer fire - %@",timer);
    }];
}

现在，我们从底层来深入研究，为什么B界面有了timer之后，导致B界面释放不掉，即不会走到dealloc方法。我们可以通过官方文档查看timerWithTimeInterval:target:selector:userInfo:repeats:方法中对target的描述

image

从文档中可以看出，timer对传入的target具有强持有，即timer持有self。由于timer是定义在B界面中，所以self也持有timer，因此 self -> timer -> self构成了循环引用

在iOS-底层原理 30：Block底层原理文章中，针对循环应用提供了几种解决方式。我们我们尝试通过__weak即弱引用来解决，代码修改如下

__weak typeof(self) weakSelf = self;
self.timer = [NSTimer timerWithTimeInterval:1 target:weakSelf selector:@selector(fireHome) userInfo:nil repeats:YES];
    [[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:self.timer forMode:NSRunLoopCommonModes];

我们再次运行程序，进行push-pop跳转。发现问题还是存在，即定时器方法仍然在执行，并没有执行B的dealloc方法，为什么呢？

• 我们使用__weak虽然打破了 self -> timer -> self之前的循环引用，即引用链变成了self -> timer -> weakSelf -> self。但是在这里我们的分析并不全面，此时还有一个Runloop对timer的强持有，因为Runloop的生命周期比B界面更长，所以导致了timer无法释放，同时也导致了B界面的self也无法释放。所以，最初引用链应该是这样的

  image

  加上weakSelf之后，变成了这样

  image

weakSelf 与 self

对于weakSelf 和 self，主要有以下两个疑问

• 1、weakSelf会对引用计数进行+1操作吗？

• 2、weakSelf 和 self 的指针地址相同吗，是指向同一片内存吗？

• 带着疑问，我们在weakSelf前后打印self的引用计数

NSLog(@"%ld",CFGetRetainCount((__bridge CFTypeRef)self));
__weak typeof(self) weakSelf = self;
NSLog(@"%ld",CFGetRetainCount((__bridge CFTypeRef)self));

运行结果如下，发现前后self的引用计数都是8

image

因此可以得出一个结论：weakSelf没有对内存进行+1操作

• 继续打印weakSelf 和 self对象，以及指针地址

po weakSelf
po self

po &weakSelf
po &self

结果如下

image

从打印结果可以看出，当前self取地址 和 weakSelf取地址的值是不一样的。意味着有两个指针地址，指向的是同一片内存空间，即weakSelf 和 self 的内存地址是不一样，都指向同一片内存空间的

image

• 从上面打印可以看出，此时timer捕获的是<LGTimerViewController: 0x7f890741f5b0>，是一个对象，所以无法通过weakSelf来解决强持有。即引用链关系为：NSRunLoop -> timer -> weakSelf（<LGTimerViewController: 0x7f890741f5b0>）。所以RunLoop对整个 对象的空间有强持有，runloop没停，timer 和 weakSelf是无法释放的

• 而我们在Block原理中提及的block的循环引用，与timer的是有区别的。通过block底层原理的方法__Block_object_assign可知，block捕获的是 对象的指针地址，即weakself 是 临时变量的指针地址，跟self没有关系，因为weakSelf是新的地址空间。所以此时的weakSelf相当于中间值。其引用关系链为self -> block -> weakSelf（临时变量的指针地址），可以通过地址拿到指针

所以在这里，我们需要区别下block和timer循环引用的模型

• timer模型：self -> timer -> weakSelf -> self,当前的timer捕获的是B界面的内存，即vc对象的内存，即weakSelf表示的是vc对象

• Block模型：self -> block -> weakSelf -> self，当前的block捕获的是指针地址，即weakSelf表示的是指向self的临时变量的指针地址

解决 强引用（强持有）

以下几种方法的思路均是：依赖中介者模式，打破强持有，其中推荐思路四

思路一：pop时在其他方法中销毁timer

根据前面的解释，我们知道由于Runloop对timer的强持有，导致了Runloop间接的强持有了self（因为timer中捕获的是vc对象）。所以导致dealloc方法无法执行。需要查看在pop时，是否还有其他方法可以销毁timer。这个方法就是didMoveToParentViewController

• didMoveToParentViewController方法，是用于当一个视图控制器中添加或者移除viewController后，必须调用的方法。目的是为了告诉iOS，已经完成添加/删除子控制器的操作。

• 在B界面中重写didMoveToParentViewController方法

- (void)didMoveToParentViewController:(UIViewController *)parent{
    // 无论push 进来 还是 pop 出去 正常跑
    // 就算继续push 到下一层 pop 回去还是继续
    if (parent == nil) {
       [self.timer invalidate];
        self.timer = nil;
        NSLog(@"timer 走了");
    }
}

思路二：中介者模式，即不使用self，依赖于其他对象

在timer模式中，我们重点关注的是fireHome能执行，并不关心timer捕获的target是谁，由于这里不方便使用self（因为会有强持有问题），所以可以将target换成其他对象，例如将target换成NSObject对象，将fireHome交给target执行

• 将timer的target 由self改成objc

//**********1、定义其他对象**********
@property (nonatomic, strong) id            target;

//**********1、修改target**********
self.target = [[NSObject alloc] init];
class_addMethod([NSObject class], @selector(fireHome), (IMP)fireHomeObjc, "v@:");
self.timer = [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:1 target:self.target selector:@selector(fireHome) userInfo:nil repeats:YES];

//**********3、imp**********
void fireHomeObjc(id obj){
    NSLog(@"%s -- %@",__func__,obj);
}

运行结果如下

image

运行发现执行dealloc之后，timer还是会继续执行。原因是解决了中介者的释放，但是没有解决中介者的回收，即self.target的回收。所以这种方式有缺陷

可以通过在dealloc方法中，取消定时器来解决，代码如下

- (void)dealloc{
    [self.timer invalidate];
    self.timer = nil;
    NSLog(@"%s",__func__);
}

运行结果如下，发现pop之后，timer释放，从而中介者也会进行回收释放

image

思路三：自定义封装timer

这种方式是根据思路二的原理，自定义封装timer，其步骤如下

• 自定义timerWapper

  • 在初始化方法中，定义一个timer，其target是自己。即timerWapper中的timer，一直监听自己，判断selector，此时的selector已交给了传入的target（即vc对象），此时有一个方法fireHomeWapper，在方法中，判断target是否存在

    • 如果target存在，则需要让vc知道，即向传入的target发送selector消息，并将此时的timer参数也一并传入，所以vc就可以得知fireHome方法，就这事这种方式定时器方法能够执行的原因

    • 如果target不存在，已经释放了，则释放当前的timerWrapper，即打破了RunLoop对timeWrapper的强持有 （timeWrapper <-×- RunLoop）

  • 自定义cjl_invalidate方法中释放timer。这个方法在vc的dealloc方法中调用，即vc释放,从而导致timerWapper释放，打破了vc对timeWrapper的的强持有（ vc -×-> timeWrapper）

//*********** .h文件 ***********
@interface CJLTimerWapper : NSObject

- (instancetype)cjl_initWithTimeInterval:(NSTimeInterval)ti target:(id)aTarget selector:(SEL)aSelector userInfo:(nullable id)userInfo repeats:(BOOL)yesOrNo;
- (void)cjl_invalidate;

@end

//*********** .m文件 ***********
#import "CJLTimerWapper.h"
#import <objc/message.h>

@interface CJLTimerWapper ()

@property(nonatomic, weak) id target;
@property(nonatomic, assign) SEL aSelector;
@property(nonatomic, strong) NSTimer *timer;

@end

@implementation CJLTimerWapper

- (instancetype)cjl_initWithTimeInterval:(NSTimeInterval)ti target:(id)aTarget selector:(SEL)aSelector userInfo:(nullable id)userInfo repeats:(BOOL)yesOrNo{
    if (self == [super init]) {
        //传入vc
        self.target = aTarget;
        //传入的定时器方法
        self.aSelector = aSelector;

        if ([self.target respondsToSelector:self.aSelector]) {
            Method method = class_getInstanceMethod([self.target class], aSelector);
            const char *type = method_getTypeEncoding(method);
            //给timerWapper添加方法
            class_addMethod([self class], aSelector, (IMP)fireHomeWapper, type);

            //启动一个timer，target是self，即监听自己
            self.timer = [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:ti target:self selector:aSelector userInfo:userInfo repeats:yesOrNo];
        }
    }
    return self;
}

//一直跑runloop
void fireHomeWapper(CJLTimerWapper *wapper){
    //判断target是否存在
    if (wapper.target) {
        //如果存在则需要让vc知道，即向传入的target发送selector消息，并将此时的timer参数也一并传入，所以vc就可以得知`fireHome`方法，就这事这种方式定时器方法能够执行的原因
        //objc_msgSend发送消息，执行定时器方法
        void (*lg_msgSend)(void *,SEL, id) = (void *)objc_msgSend;
         lg_msgSend((__bridge void *)(wapper.target), wapper.aSelector,wapper.timer);
    }else{
        //如果target不存在，已经释放了，则释放当前的timerWrapper
        [wapper.timer invalidate];
        wapper.timer = nil;
    }
}

//在vc的dealloc方法中调用，通过vc释放，从而让timer释放
- (void)cjl_invalidate{
    [self.timer invalidate];
    self.timer = nil;
}

- (void)dealloc
{
    NSLog(@"%s",__func__);
}

@end

• timerWapper的使用

//定义
self.timerWapper = [[CJLTimerWapper alloc] cjl_initWithTimeInterval:1 target:self selector:@selector(fireHome) userInfo:nil repeats:YES];

//释放
- (void)dealloc{
     [self.timerWapper cjl_invalidate];
}

运行结果如下

image

这种方式看起来比较繁琐，步骤很多，而且针对timerWapper，需要不断的添加method，需要进行一系列的处理。

思路四：利用NSProxy虚基类的子类

下面来介绍一种timer强引用最常用的处理方式：NSProxy子类

可以通过NSProxy虚基类，可以交给其子类实现，NSProxy的介绍在iOS-底层原理 30：Block底层原理已经介绍过了，这里不再重复

• 首先定义一个继承自NSProxy的子类

//************NSProxy子类************
@interface CJLProxy : NSProxy
+ (instancetype)proxyWithTransformObject:(id)object;
@end

@interface CJLProxy()
@property (nonatomic, weak) id object;
@end

@implementation CJLProxy
+ (instancetype)proxyWithTransformObject:(id)object{
    CJLProxy *proxy = [CJLProxy alloc];
    proxy.object = object;
    return proxy;
}
-(id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
    return self.object;
}

• 将timer中的target传入NSProxy子类对象，即timer持有NSProxy子类对象

//************解决timer强持有问题************
self.proxy = [CJLProxy proxyWithTransformObject:self];
self.timer = [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:1 target:self.proxy selector:@selector(fireHome) userInfo:nil repeats:YES];

//在dealloc中将timer正常释放
- (void)dealloc{
    [self.timer invalidate];
    self.timer = nil;
}

这样做的主要目的是将强引用的注意力转移成了消息转发。虚基类只负责消息转发，即使用NSProxy作为中间代理、中间者

这里有个疑问，定义的proxy对象，在dealloc释放时，还存在吗？

• proxy对象会正常释放，因为vc正常释放了，所以可以释放其持有者，即timer和proxy，timer的释放也打破了runLoop对proxy的强持有。完美的达到了两层释放，即 vc -×-> proxy <-×- runloop，解释如下：

  • vc释放，导致了proxy的释放

  • dealloc方法中，timer进行了释放，所以runloop强引用也释放了