weak 的实现原理

只要学过 iOS 的人，都会对 strong、weak、copy等关键字应该都会很熟悉。weak 属性关键字就是弱引用，它不会增加引用计数但却能保证指针的安全访问，在对象释放后置为 nil，从而避免错误的内存访问。主要为了解决循环引用的问题。

接下来，我们会从 objc 库中的 NSObject.mm、 objc-weak.h 以及 objc-weak.mm 文件出发，去具体了解 weak 的实现过程。

weak 的内部结构

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 表是由单个自旋锁管理的散列表。
weak表其实是一个hash表，key 是所指对象的指针，value是weak指针的地址（这个地址的值是所指向对象的地址）数组。

在下面涉及的源码中，我们会看到以下几个类型：
sideTable、weak_table_t、weak_entry_t 这几个结构体。

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struct SideTable {
    // 自旋锁，用来保证线程安全
    spinlock_t slock;
    // 引用计数表
    RefcountMap refcnts;
    // weak 表
    weak_table_t weak_table;

    ...
};

SideTable，它用来管理引用计数表和 weak 表，并使用 spinlock_lock 自旋锁来防止操作表结构时可能的竞态条件。它用一个 64*128 大小的uint8_t 静态数组作为 buffer 来保存所有的 SideTable 实例。这个结构体里面包含三个变量，第一个spinlock_t,它是一个自旋锁，用来保证线程安全。第二个RefcountMap,是引用计数表，每个对象的引用计数保存在全局的引用计数表中，一个对象地址对应一个引用计数。第三个就是我们接下来要讲的 weak 表，所有的 weak 变量会被加入到全局的weak表中，表的 key 是 weak 修饰的变量指向的对象， value 值就是 weak 修饰的变量。接下来，我们具体看看这个 weak 表

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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，即 entries 的数目
    size_t    num_entries;
    // 参与判断引用计数辅助量
    uintptr_t mask;
    // hash key 最大偏移量
    uintptr_t max_hash_displacement;
};

这个是全局弱引用的 hash 表。它的作用就是在对象执行 dealloc 的时候将所有指向该对象的 weak 指针的值设为 nil, 避免悬空指针。它使用不定类型对象的地址的 hash 化后的数值作为 key，用 weak_entry_t 类型的结构体对象作为 value。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：

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// 存储在弱引用表中的一个内部结构体
#define WEAK_INLINE_COUNT 4
struct weak_entry_t {
    DisguisedPtr<objc_object> referent;                 // 封装 objc_object 指针，即 weak 修饰的变量指向的对象
    union {
        struct {
            weak_referrer_t *referrers;
            uintptr_t        out_of_line : 1;           // LSB 最低有效元 当标志位为0时，增加引用表指针纬度，
                                                        // 当其为0的时候， weak_referrer_t 成员将扩展为静态数组型的 hash table
            uintptr_t        num_refs : PTR_MINUS_1;    // 引用数值，这里记录弱引用表中引用有效数字，即里面元素的数量
            uintptr_t        mask;
            uintptr_t        max_hash_displacement;     // hash 元素上限阀值
        };
        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<objc_object> 是对 objc_object * 指针及其一些操作进行的封装，目的就是为了让它给人看起来不会有内存泄露的样子，其内容可以理解为对象的内存地址。out_of-line 成员为最低有效位，当其为 0 的时候，weak_referrer_t 成员将扩展为一个静态数组型的 hash table。其实 weak_referrer 是objc_objcet 的别名，定义如下：typedef objc_object ** weak_referrer_t;

它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。

下图，就是weak表结构的总结：

每个对象的 SideTable 中的 weak_table_t 都是全局 weak 表的入口，以引用计数对象为键找到其所记录的 weak 修饰的对象。weak_entry_t 中的 referrers 有两种形式，当 out_of_line 为 0 的时候，referrers 是一个静态数组型的表，数组大小默认为 WEAK_INLINE_COUNT 大小，当 out_of_line 不为 0 的时候，referrers 是一个动态数组，内容随之增加。

weak 实现原理的过程

当我们用 weak 修饰属性的时候，它是怎么实现当所引用的对象被废弃的时候，变量置为 nil，我们来探究一下。

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{
    id obj1 = [[NSObject alloc] init];
    id __weak obj2 = obj1;
}

经过编译期转换之后,以上代码会变成下面这样

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id obj2;
objc_initWeak(&obj2, obj1);
objc_destroyWeak(&obj2);

我们发现，weak 修饰符变量是通过 objc_initWeak 函数来初始化的，在变量作用域结束的时候通过 objc_destroyWeak 函数来释放该变量的。接下来，我们看看这两个函数的源码。

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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);
}

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void objc_destroyWeak(id *location)
{
    (void)storeWeak<true/*old*/, false/*new*/, false/*crash*/>
        (location, nil);
}

对这两个方法的分析后，我们发现它们都调用了storeWeak 这个函数，但是两个方法传入的参数却稍有不同。
init 方法中，第一个参数为 weak 修饰的变量，第二个参数为引用计数对象。但在 destoryWeak 函数，第一参数依旧为 weak 修饰的变量，第二个参数为 nil。那这块传入不同的参数到底代表什么，我们继续分析 storeWeak 这个函数。

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// 更新一个弱引用变量
// 如果 HaveOld 是 true, 变量是个有效值，需要被及时清理。变量可以为 nil。
// 如果 HaveNew 是 true, 需要一个新的 value 来替换变量。变量可以为 nil
// 如果crashifdeallocation 是 ture ，那么如果 newObj 是 deallocating，或者 newObj 的类不支持弱引用，则该进程就会停止。
// 如果crashifdeallocation 是 false，那么 nil 会被存储。

template <bool HaveOld, bool HaveNew, bool CrashIfDeallocating>
static id storeWeak(id *location, objc_object *newObj)
{
    assert(HaveOld  ||  HaveNew);
    if (!HaveNew) assert(newObj == nil);

    Class previouslyInitializedClass = nil;
    id oldObj;
    
    // 创建新旧散列表
    SideTable *oldTable;
    SideTable *newTable;

    // Acquire locks for old and new values.
    // 获得新值和旧值的锁存位置 (用地址作为唯一标示)
    // Order by lock address to prevent lock ordering problems.
    // 通过地址来建立索引标志，防止桶重复
    // Retry if the old value changes underneath us.
    // 下面指向的操作会改变旧值
 retry:
    if (HaveOld) {
    // 如果 HaveOld 为 true ，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) {
    // 获得以 newObj 为索引所存储的值对象
        newTable = &SideTables()[newObj];
    } else {
        newTable = nil;
    }
    
// 对两个 table 进行加锁操作，防止多线程中竞争冲突
    SideTable::lockTwo<HaveOld, HaveNew>(oldTable, newTable);

//  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, 保证线程安全，这个判断用来避免线程冲突重处理问题
    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.
    // 防止弱引用之间发生死锁，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()) 
        {
            // 对两个表解锁
            SideTable::unlockTwo<HaveOld, HaveNew>(oldTable, newTable);
            _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 方法是最好的，如果该类 + initialize 在线程中，例如 +initialize 正在调用storeWeak 方法，那么则需要手动对其增加保护策略，并设置 previouslyInitializedClass 指针进行标记然后重新尝试
            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);
        // weak_register_no_lock returns nil if weak store should be rejected
        // 如果弱引用被释放则该方法返回 nil
        // Set is-weakly-referenced bit in refcount table.
        // 在引用计数表中设置弱引用标记位
        if (newObj  &&  !newObj->isTaggedPointer()) {
            newObj->setWeaklyReferenced_nolock();
        }

        // Do not set *location anywhere else. That would introduce a race.
        *location = (id)newObj;
    }
    else {
        // No new value. The storage is not changed.
    }
    
    SideTable::unlockTwo<HaveOld, HaveNew>(oldTable, newTable);

    return (id)newObj;
}

以上就是 store_weak 这个函数的实现，它主要做了以下几件事：

• 声明了新旧散列表指针，因为 weak 修饰的变量如果之前已经指向一个对象，然后其再次改变指向另一个对象，那么按理来说我们需要释放旧对象中该 weak 变量的记录，也就是要将旧记录删除，然后在新记录中添加。这里的新旧散列表就是这个作用。
• 根据新旧变量的地址获取相应的 SideTable
• 对两个表进行加锁操作，防止多线程竞争冲突
• 进行线程冲突重处理判断
• 判断其 isa 是否为空，为空则需要进行初始化
• 如果存在旧值，调用 weak_unregister_no_lock 函数清除旧值
• 调用 weak_register_no_lock 函数分配新值
• 解锁两个表，并返回第二参数

初始化弱引用对象流程一览

弱引用的初始化，从上文的分析可以看出，主要的操作部分就是在弱引用表的取键、查询散列、创建弱引用等操作，可以总结出如下的流程图：

旧对象解除注册操作 weak_unregister_no_lock

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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.
}

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。
来看看这个函数的逻辑。首先参数是 weak_table_t 表，键和值。声明 weak_entry_t 变量，如果key，也就是引用计数对象为空，直接返回。根据全局入口表和键获取对应的 weak_entry_t 对象，也就是 weak 表记录。获取到记录后，将记录表以及 weak 对象作为参数传入 remove_referrer 函数中，这个函数就是解除操作。然后判断这个 weak 记录是否为空，如果为空，从全局记录表中清除相应的引用计数对象的 weak 记录表。

接下来，我们了解一下，如何获取这个 weak_entry_t 这个变量。

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static weak_entry_t *weak_entry_for_referent(weak_table_t *weak_table, objc_object *referent)
{
    assert(referent);

    weak_entry_t *weak_entries = weak_table->weak_entries;

    if (!weak_entries) return nil;

    size_t index = hash_pointer(referent) & weak_table->mask;
    size_t hash_displacement = 0;
    while (weak_table->weak_entries[index].referent != referent) {
        index = (index+1) & weak_table->mask;
        hash_displacement++;
        if (hash_displacement > weak_table->max_hash_displacement) {
            return nil;
        }
    }

    return &weak_table->weak_entries[index];
}

这个函数的逻辑就是先获取全局 weak 表入口，然后将引用计数对象的地址进行 hash 化后与 weak_table->mask 做与操作，作为下标，在全局 weak 表中查找，若找到，返回这个对象的 weak 记录表，若没有，返回nil。

再来了解一下解除对象的函数：

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static void remove_referrer(weak_entry_t *entry, objc_object **old_referrer)
{
    if (! entry->out_of_line) {
        for (size_t i = 0; i < WEAK_INLINE_COUNT; i++) {
            if (entry->inline_referrers[i] == old_referrer) {
                entry->inline_referrers[i] = nil;
                return;
            }
        }
        _objc_inform("Attempted to unregister unknown __weak variable "
                     "at %p. This is probably incorrect use of "
                     "objc_storeWeak() and objc_loadWeak(). "
                     "Break on objc_weak_error to debug.\n", 
                     old_referrer);
        objc_weak_error();
        return;
    }

    size_t index = w_hash_pointer(old_referrer) & (entry->mask);
    size_t hash_displacement = 0;
    while (entry->referrers[index] != old_referrer) {
        index = (index+1) & entry->mask;
        hash_displacement++;
        if (hash_displacement > entry->max_hash_displacement) {
            _objc_inform("Attempted to unregister unknown __weak variable "
                         "at %p. This is probably incorrect use of "
                         "objc_storeWeak() and objc_loadWeak(). "
                         "Break on objc_weak_error to debug.\n", 
                         old_referrer);
            objc_weak_error();
            return;
        }
    }
    entry->referrers[index] = nil;
    entry->num_refs--;
}

这个函数传入的是 weak 对象，当 out_of_line 为0 时，遍历数组，找到对应的对象，置nil，如果未找到，报错并返回。当 out_of_line 不为0时，根据对象的地址 hash 化并和 mask 做与操作作为下标，查找相应的对象，若没有，报错并返回，若有，相应的置为 nil，并减少元素数量，即 num_refs 减 1。

新对象添加注册操作 weak_register_no_lock

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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;
        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;
        }

        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;
}

一大堆 if-else, 主要是为了判断该对象是不是 taggedPoint 以及是否正在调用 dealloca 等。下面操作开始，同样是先获取 weak 表记录，如果获取到，则调用 append_referrer 插入对象，若没有，则新建一个 weak 表记录，默认为 out_of_line，然后将新对象放到 0 下标位置，其他位置置为 nil 。下面两个函数 weak_grow_maybe 是用来判断是否需要重申请内存重 hash，weak_entry_insert 函数是用来将新建的 weak 表记录插入到全局 weak 表中。插入时同样是以对象地址的 hash 化和 mask 值相与作为下标来记录的。

接下来看看 append_referrer 函数，源代码如下：

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static void append_referrer(weak_entry_t *entry, objc_object **new_referrer)
{
    if (! entry->out_of_line) {
        // Try to insert inline.
        for (size_t i = 0; i < WEAK_INLINE_COUNT; i++) {
            if (entry->inline_referrers[i] == nil) {
                entry->inline_referrers[i] = new_referrer;
                return;
            }
        }

        // Couldn't insert inline. Allocate out of line.
        weak_referrer_t *new_referrers = (weak_referrer_t *)
            calloc(WEAK_INLINE_COUNT, sizeof(weak_referrer_t));
        // This constructed table is invalid, but grow_refs_and_insert
        // will fix it and rehash it.
        for (size_t i = 0; i < WEAK_INLINE_COUNT; i++) {
            new_referrers[i] = entry->inline_referrers[i];
        }
        entry->referrers = new_referrers;
        entry->num_refs = WEAK_INLINE_COUNT;
        entry->out_of_line = 1;
        entry->mask = WEAK_INLINE_COUNT-1;
        entry->max_hash_displacement = 0;
    }

    assert(entry->out_of_line);

    if (entry->num_refs >= TABLE_SIZE(entry) * 3/4) {
        return grow_refs_and_insert(entry, new_referrer);
    }
    size_t index = w_hash_pointer(new_referrer) & (entry->mask);
    size_t hash_displacement = 0;
    while (entry->referrers[index] != NULL) {
        index = (index+1) & entry->mask;
        hash_displacement++;
    }
    if (hash_displacement > entry->max_hash_displacement) {
        entry->max_hash_displacement = hash_displacement;
    }
    weak_referrer_t &ref = entry->referrers[index];
    ref = new_referrer;
    entry->num_refs++;
}

当 out_of_line 为 0，并且静态数组里面还有位置存放，那么直接存放并返回。如果没有位置存放，则升级为动态数组，并加入。如果 out_of_line 不为 0，先判断是否需要扩容，然后同样的，使用对象地址的 hash 化和 mask 做与操作作为下标，找到相应的位置并插入。

对象的销毁以及 weak 的置 nil 实现

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。

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：

• 调用 objc_release
• 因为对象的引用计数为0，所以执行dealloc
• 在dealloc 中，调用了_objc_rootDealloc 函数
• 在 _objc_rootDealloc 中，调用了 objec_dispose 函数
• 调用objc_destructInstance
• 最后调用 objc_clear_deallocating

objc_clear_deallocating的具体实现如下：

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void objc_clear_deallocating(id obj) 
{
    assert(obj);
    assert(!UseGC);

    if (obj->isTaggedPointer()) return;
    obj->clearDeallocating();
}

这个函数只是做一些判断以及更深层次的函数调用，

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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();
    // 迭代器
    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();
}

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weak_clear_no_lock来清除对象的弱引用信息,我们在来深入一下，

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void weak_clear_no_lock(weak_table_t *weak_table, id referent_id) 
{
    objc_object *referent = (objc_object *)referent_id;

    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;
    }

    // zero out references
    weak_referrer_t *referrers;
    size_t count;

    if (entry->out_of_line) {
        referrers = entry->referrers;
        count = TABLE_SIZE(entry);
    } 
    else {
        referrers = entry->inline_referrers;
        count = WEAK_INLINE_COUNT;
    }

    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();
            }
        }
    }

    weak_entry_remove(weak_table, entry);
}

这个函数根据 out_of_line 的值，取得对应的记录表，然后根据引用计数对象，将相应的 weak 对象置 nil。最后清除相应的记录表。

通过上面的描述，我们基本能了解一个weak引用从生到死的过程。从这个流程可以看出，一个weak引用的处理涉及各种查表、添加与删除操作，还是有一定消耗的。所以如果大量使用__weak变量的话，会对性能造成一定的影响。那么，我们应该在什么时候去使用weak呢？《Objective-C高级编程》给我们的建议是只在避免循环引用的时候使用__weak修饰符。

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