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深入理解Objective C的ARC机制

前言

本文的ARC特指Objective C的ARC，并不会讲解其他语言。另外，本文涉及到的原理部分较多，适合有一定经验的开发者。

什么是ARC？

ARC的全称Auto Reference Counting. 也就是自动引用计数。那么，为什么要有ARC呢？

我们从C语言开始。使用C语言编程的时候，如果要在堆上分配一块内存，代码如下

//分配内存（malloc/calloc均可） int * array = calloc(10, sizeof (int)); //释放内存 free(array);1234512345

C是面向过程的语言（Procedural programming），这种内存的管理方式简单直接。但是，对于面向对象编程，这种手动的分配释放毫无疑问会大大的增加代码的复杂度。

于是，OOP的语言引入了各种各样的内存管理方法，比如Java的垃圾回收和Objective C的引用计数。关于垃圾回收和饮用计数的对比，可以参见Brad Larson的这个SO回答。

Objective C的引用计数理解起来很容易，当一个对象被持有的时候计数加一，不再被持有的时候引用计数减一，当引用计数为零的时候，说明这个对象已经无用了，则将其释放。

引用计数分为两种：

手动引用计数（MRC）
自动引用计数（ARC）

在iOS开发早期，编写代码是采用MRC的

// MRC代码 NSObject * obj = [[NSObject alloc] init]; //引用计数为1 //不需要的时候 [obj release] //引用计数减1 //持有这个对象 [obj retain] //引用计数加1 //放到AutoReleasePool [obj autorelease]//在auto release pool释放的时候，引用计数减1

虽说这种方式提供了面向对象的内存管理接口，但是开发者不得不花大量的时间在内存管理上，并且容易出现内存泄漏或者release一个已被释放的对象，导致crash。

再后来，Apple对iOS/Mac OS开发引入了ARC。使用ARC，开发者不再需要手动的retain/release/autorelease. 编译器会自动插入对应的代码，再结合Objective C的runtime，实现自动引用计数。

比如如下ARC代码：

NSObject * obj; {     obj = [[NSObject alloc] init]; //引用计数为1 } NSLog(@"%@",obj);

等同于如下MRC代码

NSObject * obj; {     obj = [[NSObject alloc] init]; //引用计数为1     [obj relrease] } NSLog(@"%@",obj);

在Objective C中，有三种类型是ARC适用的：

block
objective 对象，id, Class, NSError*等
由attribute((NSObject))标记的类型。

像double *,CFStringRef等不是ARC适用的，仍然需要手动管理内存。

Tips：以CF开头的（Core Foundation）的对象往往需要手动管理内存。

属性所有权

最后，我们在看看ARC中常见的所有权关键字，

assign对应关键字__unsafe_unretained, 顾名思义，就是指向的对象被释放的时候，仍然指向之前的地址，容易引起野指针。
copy对应关键字__strong,只不过在赋值的时候，调用copy方法。
retain对应__strong
strong对应__strong
unsafe_unretained对应__unsafe_unretained
weak对应__weak。

其中，__weak和__strong是本文要讲解的核心内容。

ARC的内部实现

ARC背后的引用计数主要依赖于这三个方法：

retain 增加引用计数
release 降低引用计数，引用计数为0的时候，释放对象。
autorelease 在当前的auto release pool结束后，降低引用计数。

在Cocoa Touch中，NSObject协议中定义了这三个方法，由于Cocoa Touch中，绝大部分类都继承自NSObject（NSObject类本身实现了NSObject协议），所以可以“免费”获得NSObject提供的运行时和ARC管理方法，这就是为什么适用OC开发iOS的时候，你的类要继承自NSObject。

既然ARC是引用计数，那么对应一个对象，内存中必然会有一个地方来存储这个对象的引用计数。iOS的Runtime是开源的，在这里可以下载到全部的代码，我们通过源代码一探究竟。

我们从retain入手,

- (id)retain {     return ((id)self)->rootRetain(); } inline id objc_object::rootRetain() {     if (isTaggedPointer()) return (id)this;     return sidetable_retain(); }

所以说，本质上retain就是调用sidetable_retain，再看看sitetable_retain的实现：

id objc_object::sidetable_retain() {     //获取table     SideTable& table = SideTables()[this];     //加锁     table.lock();     //获取引用计数     size_t& refcntStorage = table.refcnts[this];     if (! (refcntStorage & SIDE_TABLE_RC_PINNED)) {          //增加引用计数         refcntStorage += SIDE_TABLE_RC_ONE;     }     //解锁     table.unlock();     return (id)this; }

到这里，retain如何实现就很清楚了，通过SideTable这个数据结构来存储引用计数。我们看看这个数据结构的实现：

深入理解Objective C的ARC机制

可以看到，这个数据结构就是存储了一个自旋锁，一个引用计数map。这个引用计数的map以对象的地址作为key，引用计数作为value。到这里，引用计数的底层实现我们就很清楚了。

存在全局的map，这个map以地址作为key，引用计数的值作为value。

再来看看release的实现：

    SideTable& table = SideTables()[this];     bool do_dealloc = false;     table.lock();     //找到对应地址的     RefcountMap::iterator it = table.refcnts.find(this);     if (it == table.refcnts.end()) { //找不到的话，执行dellloc         do_dealloc = true;         table.refcnts[this] = SIDE_TABLE_DEALLOCATING;     } else if (it->second < SIDE_TABLE_DEALLOCATING) {//引用计数小于阈值，dealloc         do_dealloc = true;         it->second |= SIDE_TABLE_DEALLOCATING;     } else if (! (it->second & SIDE_TABLE_RC_PINNED)) {     //引用计数减去1         it->second -= SIDE_TABLE_RC_ONE;     }     table.unlock();     if (do_dealloc  &&  performDealloc) {         //执行dealloc         ((void(*)(objc_object *, SEL))objc_msgSend)(this, SEL_dealloc);     }     return do_dealloc;

release的到这里也比较清楚了：查找map，对引用计数减1，如果引用计数小于阈值，则调用SEL_dealloc

Autorelease pool

上文提到了，autorelease方法的作用是把对象放到autorelease pool中，到pool drain的时候，会释放池中的对象。举个例子

    __weak NSObject * obj;     NSObject * temp = [[NSObject alloc] init];     obj = temp;     NSLog(@"%@",obj); //非空

放到auto release pool中，

    __weak NSObject * obj;     @autoreleasepool {         NSObject * temp = [[NSObject alloc] init];         obj = temp;     }     NSLog(@"%@",obj); //null

可以看到，放到自动释放池的对象是在超出自动释放池作用域后立即释放的。事实上在iOS 程序启动之后，主线程会启动一个Runloop，这个Runloop在每一次循环是被自动释放池包裹的，在合适的时候对池子进行清空。

对于Cocoa框架来说，提供了两种方式来把对象显式的放入AutoReleasePool.

NSAutoreleasePool(只能在MRC下使用)
@autoreleasepool {}代码块(ARC和MRC下均可以使用)

那么AutoRelease pool又是如何实现的呢？

我们先从autorelease方法源码入手

//autorelease方法 - (id)autorelease {     return ((id)self)->rootAutorelease(); } //rootAutorelease 方法 inline id objc_object::rootAutorelease() {     if (isTaggedPointer()) return (id)this;     //检查是否可以优化     if (prepareOptimizedReturn(ReturnAtPlus1)) return (id)this;     //放到auto release pool中。     return rootAutorelease2(); } // rootAutorelease2 id objc_object::rootAutorelease2() {     assert(!isTaggedPointer());     return AutoreleasePoolPage::autorelease((id)this); }

可以看到，把一个对象放到auto release pool中，是调用了AutoreleasePoolPage::autorelease这个方法。

我们继续查看对应的实现：

public: static inline id autorelease(id obj)     {         assert(obj);         assert(!obj->isTaggedPointer());         id *dest __unused = autoreleaseFast(obj);         assert(!dest  ||  dest == EMPTY_POOL_PLACEHOLDER  ||  *dest == obj);         return obj;     } static inline id *autoreleaseFast(id obj)     {         AutoreleasePoolPage *page = hotPage();         if (page && !page->full()) {             return page->add(obj);         } else if (page) {             return autoreleaseFullPage(obj, page);         } else {             return autoreleaseNoPage(obj);         }     } id *add(id obj)     {         assert(!full());         unprotect();         id *ret = next;  // faster than `return next-1` because of aliasing         *next++ = obj;         protect();         return ret;     }

到这里，autorelease方法的实现就比较清楚了，

autorelease方法会把对象存储到AutoreleasePoolPage的链表里。等到auto release pool被释放的时候，把链表内存储的对象删除。所以，AutoreleasePoolPage就是自动释放池的内部实现。

__weak与__strong

用过block的同学一定写过类似的代码：

__weak typeSelf(self) weakSelf = self; [object fetchSomeFromRemote:^{     __strong typeSelf(weakSelf) strongSelf = weakSelf;     //从这里开始用strongSelf }];

那么，为什么要这么用呢？原因是：

block会捕获外部变量，用weakSelf保证self不会被block被捕获，防止引起循环引用或者不必要的额外生命周期。

用strongSelf则保证在block的执行过程中，对象不会被释放掉。

首先__strong和__weak都是关键字，是给编译器理解的。为了理解其原理，我们需要查看它们编译后的代码，使用XCode，我们可以容易的获得一个文件的汇编代码。

比如，对于Test.m文件，当源代码如下时：

 #import "Test.h"  @implementation Test - (void)testFunction{     {         __strong NSObject * temp = [[NSObject alloc] init];     } } @end

转换后的汇编代码如下：

Ltmp3:     .loc    2 15 37 prologue_end    ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/Test.m:15:37     ldr     x9, [x9]     ldr     x1, [x8]     mov  x0, x9     bl  _objc_msgSend     adrp    x8, L_OBJC_SELECTOR_REFERENCES_.2@PAGE     add x8, x8, L_OBJC_SELECTOR_REFERENCES_.2@PAGEOFF     .loc    2 15 36 is_stmt 0       ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/Test.m:15:36     ldr     x1, [x8]     .loc    2 15 36 discriminator 1 ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/Test.m:15:36     bl  _objc_msgSend     mov x8, #0     add x9, sp, #8              ; =8     .loc    2 15 29                 ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/Test.m:15:29     str x0, [sp, #8] Ltmp4:     .loc    2 16 5 is_stmt 1        ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/Test.m:16:5     mov  x0, x9     mov  x1, x8     bl  _objc_storeStrong     .loc    2 17 1                  ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/Test.m:17:1     ldp x29, x30, [sp, #32]     ; 8-byte Folded Reload     add sp, sp, #48             ; =48     ret Ltmp5:

即使你不懂汇编，也能很轻易的获取到调用顺序如下

_objc_msgSend // alloc _objc_msgSend // init _objc_storeStrong // 强引用

在结合Runtime的源码，我们看看最关键的objc_storeStrong的实现

void objc_storeStrong(id *location, id obj) {     id prev = *location;     if (obj == prev) {         return;     }     objc_retain(obj);     *location = obj;     objc_release(prev); } id objc_retain(id obj) { return [obj retain]; } void objc_release(id obj) { [obj release]; }

我们再来看看__weak. 将Test.m修改成为如下代码，同样我们分析其汇编实现

    .loc    2 15 35 prologue_end    ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/Test.m:15:35     ldr     x9, [x9]     ldr     x1, [x8]     mov  x0, x9     bl  _objc_msgSend     adrp    x8, L_OBJC_SELECTOR_REFERENCES_.2@PAGE     add x8, x8, L_OBJC_SELECTOR_REFERENCES_.2@PAGEOFF     .loc    2 15 34 is_stmt 0       ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/Test.m:15:34     ldr     x1, [x8]     .loc    2 15 34 discriminator 1 ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/Test.m:15:34     bl  _objc_msgSend     add x8, sp, #24             ; =24     .loc    2 15 27                 ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/Test.m:15:27     mov  x1, x0     .loc    2 15 27 discriminator 2 ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/Test.m:15:27     str x0, [sp, #16]           ; 8-byte Folded Spill     mov  x0, x8     bl  _objc_initWeak     .loc    2 15 27                 ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/Test.m:15:27     ldr x1, [sp, #16]           ; 8-byte Folded Reload     .loc    2 15 27 discriminator 3 ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/Test.m:15:27     str x0, [sp, #8]            ; 8-byte Folded Spill     mov  x0, x1     bl  _objc_release     add x8, sp, #24       Ltmp4:     .loc    2 16 5 is_stmt 1        ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/Test.m:16:5     mov  x0, x8     bl  _objc_destroyWeak     .loc    2 17 1                  ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/Test.m:17:1     ldp x29, x30, [sp, #48]     ; 8-byte Folded Reload     add sp, sp, #64             ; =64     ret

可以看到，__weak本身实现的核心就是以下两个方法

_objc_initWeak
_objc_destroyWeak

我们通过Runtime的源码分析这两个方法的实现：

id objc_initWeak(id *location, id newObj) {     //省略....     return storeWeak        (location, (objc_object*)newObj); } void objc_destroyWeak(id *location) {     (void)storeWeak        (location, nil); }

所以，本质上都是调用了storeWeak函数，这个函数内容较多，主要做了以下事情