理解 ARC 实现原理 -- 详细总结

ARC 是 iOS 中管理引用计数的技术，帮助 iOS 实现垃圾自动回收，具体实现的原理是由编译器进行管理的，同时运行时库协助编译器辅助完成。主要涉及到 Clang （LLVM 编译器）和 objc4 运行时库。

本文主要内容由修饰符 __strong 、 __weak 、 __autorelease 拓展开，分别延伸出引用计数、弱引用表、自动释放池等实现原理。在阅读本文之前，你可以看看下面几个问题：

在 ARC 下如何存储引用计数？
如[NSDictionary dictionary]方法创建的对象在 ARC 中有什么不同之处。
弱引用表的数据结构。
解释一下自动释放池中的 Hot Page 和 Cold Page。

如果上述几个问题你已经非常清楚，那本文可能对你的帮助有限，但如果你对这几个问题还存有疑问，那相信本文一定能解答你的疑问。

一、Clang

在 Objective-C 中，对象的引用关系由引用修饰符来决定，如__strong、__weak、__autorelease等等，编译器会根据不同的修饰符生成不同逻辑的代码来管理内存。

首先看看 Clang 在其中具体起到哪些作用，我们可以在命令行使用下面的命令来将 Objective-C 代码转成 LLVM 中间码：

// 切换到你文件路径下
cd Path// 利用 main.m 生成中间码文件 main.ll
clang -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m -o main.ll

我在main.m文件中加入defaultFunction方法，然后利用的命令行命令将其转换成中间码：

void defaultFunction() {id obj = [NSObject new];}

在命令行输入命令后你可以在文件夹下面发现main.ll，它的内容如下：

define void @defaultFunction() #0 {%1 = alloca i8*, align 8%2 = load %struct._class_t*, %struct._class_t** @"OBJC_CLASSLIST_REFERENCES_$_", align 8%3 = load i8*, i8** @OBJC_SELECTOR_REFERENCES_, align 8, !invariant.load !8%4 = bitcast %struct._class_t* %2 to i8*%5 = call i8* bitcast (i8* (i8*, i8*, ...)* @objc_msgSend to i8* (i8*, i8*)*)(i8* %4, i8* %3)%6 = bitcast i8* %5 to %0*%7 = bitcast %0* %6 to i8*store i8* %7, i8** %1, align 8call void @objc_storeStrong(i8** %1, i8* null) #4ret void}

虽然内容有点多，但是仔细分析下来大概就是以下内容：

void defaultFunction() {id obj = obj_msgSend(NSObject, @selector(new));objc_storeStrong(obj, null);}

obj_msgSend(NSObject, @selector(new))非常好理解，就是新建一个对象，而objc_storeStrong是 objc4 库中的方法，具体逻辑如下：

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

上面的代码按顺序做了以下 4 件事：

检查输入的 obj 地址和指针指向的地址是否相同。
持有对象，引用计数 + 1 。
指针指向 obj。
原来指向的对象引用计数 - 1。

其中objc_retain和objc_release也是 objc4 库中的方法，在本文后面分析 objc4 库的章节会详细讲。

二、 isa

在分析 ARC 相关源码之前，需要对 isa 有一定了解，其中存储了一些非常重要的信息，下面是 isa 的结构组成：

union isa_t{Class cls;uintptr_t bits;struct {uintptr_t nonpointer : 1;//->表示使用优化的isa指针uintptr_t has_assoc : 1;//->是否包含关联对象uintptr_t has_cxx_dtor : 1;//->是否设置了析构函数，如果没有，释放对象更快uintptr_t shiftcls : 33; // MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x1000000000 ->类的指针uintptr_t magic : 6;//->固定值,用于判断是否完成初始化uintptr_t weakly_referenced : 1;//->对象是否被弱引用uintptr_t deallocating : 1;//->对象是否正在销毁uintptr_t has_sidetable_rc : 1;//1->在extra_rc存储引用计数将要溢出的时候,借助Sidetable(散列表)存储引用计数,has_sidetable_rc设置成1uintptr_t extra_rc : 19; //->存储引用计数};};

其中nonpointer、weakly_referenced、has_sidetable_rc和extra_rc都是 ARC 有直接关系的成员变量，其他的大多也有涉及到。

struct objc_object {isa_t isa;};

从下面代码可以知道，objc_object就是 isa 基础上一层封装。

struct objc_class : objc_object {isa_t isa; // 继承自 objc_objectClass superclass;cache_t cache; // 方法实现缓存和 vtableclass_data_bits_t bits; // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags};

objc_class继承了objc_object，结构如下：

isa：objc_object 指向类，objc_class 指向元类。
superclass：指向父类。
cache：存储用户消息转发优化的方法缓存和 vtable 。
bits：class_rw_t 和 class_ro_t ，保存了方法、协议、属性等列表和一些标志位。

三、 __strong 修饰符

在 MRC 时代 Retain 修饰符将会使被引用的对象引用计数 + 1 ，在 ARC 中 __strong 修饰符作为其替代者，具体起到什么样的作用？我们可以通过 Clang 将 Objective-C 代码转成 LLVM 来分析其中原理。

3.1 __strong 修饰符的中间码

接下来继续将 Objective-C 代码转成 LLVM 中间码，这次我们试一下__strong修饰符：

void strongFunction() {id obj = [NSObject new];__strong id obj1 = obj;}

中间码(后面的中间码为了方便理解就删除无用代码)：

void defaultFunction() {id obj = obj_msgSend(NSObject, @selector(new));id obj1 = objc_retain(obj)objc_storeStrong(obj, null);objc_storeStrong(obj1, null);}

上面代码一看就是非常常规的操作，创建对象、引用计数 + 1 、分别释放，将objc_storeStrong里面的逻辑嵌入可得：

void defaultFunction() {id obj = obj_msgSend(NSObject, @selector(new));id obj1 = objc_retain(obj)objc_release(obj);objc_release(obj1);}

3.2 objc_retain

接下来我们通过分析 objc4 库的源码来了解objc_retain和objc_release的内部逻辑。先看objc_retain具体实现：

id objc_retain(id obj) {if (!obj) return obj;if (obj->isTaggedPointer()) return obj;return obj->retain();}

继续往下查看最终定位到objc_object::rootRetain方法：

ALWAYS_INLINE id objc_object::rootRetain(bool tryRetain, bool handleOverflow) {// 如果是 TaggedPointer 直接返回if (isTaggedPointer()) return (id)this;bool sideTableLocked = false;bool transcribeToSideTable = false;isa_t oldisa;isa_t newisa;do {transcribeToSideTable = false;// 获取 isaoldisa = LoadExclusive(&isa.bits);newisa = oldisa;if (slowpath(!newisa.nonpointer)) {// 未优化的 isa 部分ClearExclusive(&isa.bits);if (!tryRetain && sideTableLocked) sidetable_unlock();//if (tryRetain) return sidetable_tryRetain() ? (id)this : nil;else return sidetable_retain();}// 正在被释放的处理// donot check newisa.fast_rr; we already called any RR overridesif (slowpath(tryRetain && newisa.deallocating)) {ClearExclusive(&isa.bits);if (!tryRetain && sideTableLocked) sidetable_unlock();return nil;}// extra_rc 未溢出时引用计数++uintptr_t carry;newisa.bits = addc(newisa.bits, RC_ONE, 0, &carry); // extra_rc++// extra_rc 溢出if (slowpath(carry)) {// newisa.extra_rc++ overflowedif (!handleOverflow) {ClearExclusive(&isa.bits);// 重新调用该函数 入参 handleOverflow 为 truereturn rootRetain_overflow(tryRetain);}// 保留一半引用计数// 准备将另一半复制到 side table.if (!tryRetain && !sideTableLocked) sidetable_lock();sideTableLocked = true;transcribeToSideTable = true;newisa.extra_rc = RC_HALF;newisa.has_sidetable_rc = true;}// 更新 isa 值} while (slowpath(!StoreExclusive(&isa.bits, oldisa.bits, newisa.bits)));if (slowpath(transcribeToSideTable)) {// 将另一半复制到 side table side table.sidetable_addExtraRC_nolock(RC_HALF);}if (slowpath(!tryRetain && sideTableLocked)) sidetable_unlock();return (id)this;}

上面的代码分成 3 个小分支：

TaggedPointer：值存在指针内，直接返回。
!newisa.nonpointer：未优化的 isa ，使用sidetable_retain()。
newisa.nonpointer：已优化的 isa ，这其中又分 extra_rc 溢出和未溢出的两种情况。
- 未溢出时，isa.extra_rc + 1 完事。
- 溢出时，将 isa.extra_rc 中一半值转移至sidetable中，然后将isa.has_sidetable_rc设置为true，表示使用了sidetable来计算引用次数。

3.3 objc_release

继续看objc_release具体实现，最终定位到objc_object::rootRelease方法：

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;if (slowpath(!newisa.nonpointer)) {// 未优化 isaClearExclusive(&isa.bits);if (sideTableLocked) sidetable_unlock();// 入参是否要执行 Dealloc 函数，如果为 true 则执行 SEL_deallocreturn sidetable_release(performDealloc);}// extra_rc --newisa.bits = subc(newisa.bits, RC_ONE, 0, &carry); // extra_rc--if (slowpath(carry)) {// donot ClearExclusive()goto underflow;}// 更新 isa 值} while (slowpath(!StoreReleaseExclusive(&isa.bits,oldisa.bits, newisa.bits)));if (slowpath(sideTableLocked)) sidetable_unlock();return false;underflow:// 处理下溢，从 side table 中借位或者释放newisa = oldisa;// 如果使用了 sidetable_rcif (slowpath(newisa.has_sidetable_rc)) {if (!handleUnderflow) {// 调用本函数处理下溢ClearExclusive(&isa.bits);return rootRelease_underflow(performDealloc);}// 从 sidetable 中借位引用计数给 extra_rcsize_t borrowed = sidetable_subExtraRC_nolock(RC_HALF);if (borrowed > 0) {// extra_rc 是计算额外的引用计数，0 即表示被引用一次newisa.extra_rc = borrowed - 1; // redo the original decrement toobool stored = StoreReleaseExclusive(&isa.bits,oldisa.bits, newisa.bits);// 保存失败，恢复现场，重试if (!stored) {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);}}}// 如果还是保存失败，则还回 side tableif (!stored) {sidetable_addExtraRC_nolock(borrowed);goto retry;}sidetable_unlock();return false;}else {// Side table is empty after all. Fall-through to the dealloc path.}}// 没有使用 sidetable_rc ，或者 sidetable_rc 计数 == 0 的就直接释放// 如果已经是释放中，抛个过度释放错误if (slowpath(newisa.deallocating)) {ClearExclusive(&isa.bits);if (sideTableLocked) sidetable_unlock();return overrelease_error();// does not actually return}// 更新 isa 状态newisa.deallocating = true;if (!StoreExclusive(&isa.bits, oldisa.bits, newisa.bits)) goto retry;if (slowpath(sideTableLocked)) sidetable_unlock();// 执行 SEL_dealloc 事件__sync_synchronize();if (performDealloc) {((void(*)(objc_object *, SEL))objc_msgSend)(this, SEL_dealloc);}return true;}

这么一长串代码，将其分解后和 rootRetain 逻辑类似：

TaggedPointer：直接返回 false。
!nonpointer: 未优化的 isa 执行 sidetable_release。
nonpointer：已优化的 isa ，分下溢和未下溢两种情况。
- 未下溢： extra_rc--。
- 下溢：从 sidetable 中借位给 extra_rc 达到半满，如果无法借位则说明引用计数归零需要进行释放。其中借位时可能保存失败会不断重试。

到这里可以知道引用计数分别保存在isa.extra_rc和sidetable中，当isa.extra_rc溢出时，将一半计数转移至sidetable中，而当其下溢时，又会将计数转回。当二者都为空时，会执行释放流程。

3.4 rootRetainCount

objc_object::rootRetainCount方法是用来计算引用计数的。通过前面rootRetain和rootRelease的源码分析可以看出引用计数会分别存在isa.extra_rc和sidetable。中，这一点在rootRetainCount方法中也得到了体现。

inline uintptr_t objc_object::rootRetainCount(){// TaggedPointer 直接返回if (isTaggedPointer()) return (uintptr_t)this;sidetable_lock();// 加载 isaisa_t bits = LoadExclusive(&isa.bits);ClearExclusive(&isa.bits);// 优化的 isa 需要 sidetable + bits.extra_rc + 1if (bits.nonpointer) {uintptr_t rc = 1 + bits.extra_rc;if (bits.has_sidetable_rc) {rc += sidetable_getExtraRC_nolock();}sidetable_unlock();return rc;}// 未优化返回 sidetable_retainCountsidetable_unlock();return sidetable_retainCount();}

3.5 objc_autoreleaseReturnValue 和 objc_retainAutoreleasedReturnValue

在 MRC 时代有一句话叫 谁创建谁释放 ，意思是由开发者通过alloc、new、copy和mutableCopy等方法创建的对象，需要开发者手动释放，而由其他方法创建并返回的对象返回给用户后也不需要开发者释放，比如说由[NSMutableArray array]方法创建的数组，这样的对象默认由自动释放池管理。进入 ARC 时代后，针对返回的对象编译器也做了一些特殊处理，具体通过下面的内容来理解其中奥妙。

首先将下方创建数组的代码转成中间码：

id strongArrayInitFunction() {return [[NSMutableArray alloc] init];}void strongArrayFunction() {
__strong id obj = [NSMutableArray array];}

中间码提炼后得到下面的代码：

strongArrayInitFunction() {id obj = objc_msgSend(objc_msgSend(NSMutableArray, @selector(alloc)), @selector(init));objc_autoreleaseReturnValue(obj);return obj;}strongArrayFunction() {id obj = objc_msgSend(NSMutableArray, @selector(array));objc_retainAutoreleasedReturnValue(obj)objc_release(obj);}

相对于用户创建的对象，[NSMutableArray array]方法创建返回的对象转换后多出了一个objc_retainAutoreleasedReturnValue方法。这涉及到一个最优化处理：

为了节省了一个将对象注册到autoreleasePool的操作，在执行objc_autoreleaseReturnValue时，根据查看后续调用的方法列表是否包含objc_retainAutoreleasedReturnValue方法，以此判断是否走优化流程。
在执行objc_autoreleaseReturnValue时，优化流程将一个标志位存储在 TLS (Thread Local Storage) 中后直接返回对象。
执行后续方法objc_retainAutoreleasedReturnValue时检查 TLS 的标志位判断是否处于优化流程，如果处于优化流程中则直接返回对象，并且将 TLS 的状态还原。

下面再通过源代码来进行分析，先看看objc_autoreleaseReturnValue具体实现：

id objc_autoreleaseReturnValue(id obj) {// 如果走优化程序则直接返回对象if (prepareOptimizedReturn(ReturnAtPlus1)) return obj;// 否则还是走自动释放池return objc_autorelease(obj);}static ALWAYS_INLINE bool prepareOptimizedReturn(ReturnDisposition disposition) {assert(getReturnDisposition() == ReturnAtPlus0);// 检查使用该函数的方法或调用方的的调用列表，如果紧接着执行 objc_retainAutoreleasedReturnValue ，将不注册到 autoreleasePool 中if (callerAcceptsOptimizedReturn(__builtin_return_address(0))) {// 设置标记 ReturnAtPlus1if (disposition) setReturnDisposition(disposition);return true;}return false;}// 将 ReturnAtPlus1 或 ReturnAtPlus0 存入 TLSstatic ALWAYS_INLINE void setReturnDisposition(ReturnDisposition disposition) {tls_set_direct(RETURN_DISPOSITION_KEY, (void*)(uintptr_t)disposition);}// 取出标记static ALWAYS_INLINE ReturnDisposition getReturnDisposition() {return (ReturnDisposition)(uintptr_t)tls_get_direct(RETURN_DISPOSITION_KEY);}

objc_autoreleaseReturnValue代码逻辑大概分为：

检查调用者方法里后面是否紧跟着调用了objc_retainAutoreleasedReturnValue。
保存 ReturnAtPlus1 至 TLS 中。
使用了优化处理则返回对象，否则加入自动释放池。

下面是objc_retainAutoreleasedReturnValue的源码分析：

id objc_retainAutoreleasedReturnValue(id obj) {// 如果 TLS 中标记表示使用了优化程序，则直接返回if (acceptOptimizedReturn() == ReturnAtPlus1) return obj;return objc_retain(obj);}static ALWAYS_INLINE ReturnDisposition acceptOptimizedReturn() {// 取出标记后返回ReturnDisposition disposition = getReturnDisposition();// 还原至未优化状态setReturnDisposition(ReturnAtPlus0); // reset to the unoptimized statereturn disposition;}

objc_retainAutoreleasedReturnValue代码逻辑大概分为：

取出 TLS 中标记。
重置 TLS 中标记至 ReturnAtPlus0 。
判断使用了优化处理则返回对象，否则引用计数 + 1。

通过分析源码可以得知下面这段代码的优化流程和未优化流程是有挺大的区别的：

strongArrayFunction() {id obj = objc_msgSend(NSMutableArray, @selector(array));objc_retainAutoreleasedReturnValue(obj)objc_release(obj);}

最终优化流程相当于 :

id obj = objc_msgSend(objc_msgSend(NSMutableArray, @selector(alloc)), @selector(init));
objc_release(obj);

而未优化流程相当于：

id obj = objc_msgSend(objc_msgSend(NSMutableArray, @selector(alloc)), @selector(init));
objc_autorelease(obj);
objc_retain(obj);
objc_release(obj);

四、__weak 修饰符

众所周知，weak 表示弱引用，引用计数不会增加。在原对象释放后，弱引用变量也会随之被清除，接下来一步步分析其中原理。

4.1 __weak 修饰符的中间码

首先将下面代码转换成中间码：

void weakFunction() {__weak id obj = [NSObject new];}void weak1Function() {id obj = [NSObject new];__weak id obj1 = obj;}void weak2Function() {id obj = [NSObject new];__weak id obj1 = obj;NSLog(@"%@",obj1);}

下面是转化提炼后的中间码：

weakFunction() {id temp = objc_msgSend(NSObject, @selector(new));objc_initWeak(&obj, temp);objc_release(temp);objc_destroyWeak(obj);}weak1Function() {id obj = objc_msgSend(NSObject, @selector(new));objc_initWeak(&obj1, obj);objc_destroyWeak(obj1);objc_storeStrong(obj, null);}weak2Function() {id obj = objc_msgSend(NSObject, @selector(new));objc_initWeak(obj1, obj);id temp = objc_loadWeakRetained(obj1);NSLog(@"%@",temp);objc_release(temp);objc_destroyWeak(obj1);objc_storeStrong(obj, null);}

weakFunction：在该方法中声明 __weak 对象后并没有使用到，所以在objc_initWeak后，立即释放调用了objc_release和objc_destroyWeak方法。
weak1Function：该方法中obj是强引用，obj1是弱引用，objc_initWeak、 objc_destroyWeak先后成对调用，对应着弱引用变量的初始化和释放方法。
weak2Function：和weak1Function不同之处是使用了弱引用变量obj1，在使用弱引用变量之前，编译器创建了一个临时的强引用对象，在用完后立即释放。

4.2 objc_initWeak 和 objc_destroyWeak

4.2.1 objc_initWeak 和 objc_destroyWeak

下面是objc_initWeak和objc_destroyWeak的代码实现：

id objc_initWeak(id *location, id newObj) {if (!newObj) {*location = nil;return nil;}// 该地址没有值，正赋予新值，如果正在释放将会 crashreturn storeWeak<DontHaveOld, DoHaveNew, DoCrashIfDeallocating>(location, (objc_object*)newObj);}void objc_destroyWeak(id *location) {// 该地址有值，没有赋予新值，如果正在释放不 crash(void)storeWeak<DoHaveOld, DontHaveNew, DontCrashIfDeallocating>(location, nil);}

通过源代码可以发现最终都是通过storeWeak来实现各自逻辑的，在查看storeWeak实现之前，我们要先了解一下它的模板参数的含义：
storeWeak<DontHaveOld, DoHaveNew, DoCrashIfDeallocating> (location, (objc_object*)newObj);
其中DontHaveOld、DoHaveNew和DoCrashIfDeallocating都是模板参数，具体含义如下：

enum HaveOld { DontHaveOld = false, DoHaveOld = true }; // 是否有值enum HaveNew { DontHaveNew = false, DoHaveNew = true }; // 是否有新值enum CrashIfDeallocating {DontCrashIfDeallocating = false, DoCrashIfDeallocating = true}; // 操作正在释放中的对象是否 Crash

4.2.2 storeWeak

接下来继续看storeWeak的实现：

template <HaveOld haveOld, HaveNew haveNew,CrashIfDeallocating crashIfDeallocating>static id storeWeak(id *location, objc_object *newObj){assert(haveOld || haveNew);if (!haveNew) assert(newObj == nil);Class previouslyInitializedClass = nil;id oldObj;SideTable *oldTable;SideTable *newTable;retry:// 从 SideTables 中取出存储弱引用表的 SideTable（为弱引用表 weak_table_t 的一层封装）if (haveOld) {oldObj = *location;oldTable = &SideTables()[oldObj];} else {oldTable = nil;}if (haveNew) {newTable = &SideTables()[newObj];} else {newTable = nil;}SideTable::lockTwo<haveOld, haveNew>(oldTable, newTable);// location 指向的值发生改变，则重新执行获取 oldObjif (haveOld && *location != oldObj) {SideTable::unlockTwo<haveOld, haveNew>(oldTable, newTable);goto retry;}// 如果有新值if (haveNew && newObj) {// 如果该对象类还未初始化则进行初始化Class cls = newObj->getIsa();if (cls != previouslyInitializedClass &&!((objc_class *)cls)->isInitialized()){// 创建一个非元类，并且初始化，会调用 +initialize 函数SideTable::unlockTwo<haveOld, haveNew>(oldTable, newTable);_class_initialize(_class_getNonMetaClass(cls, (id)newObj));previouslyInitializedClass = cls;goto retry;}}// 如果有旧值，清除旧值对应的弱引用表if (haveOld) {weak_unregister_no_lock(&oldTable->weak_table, oldObj, location);}// 如果赋予了新值，注册新值对应的弱引用表if (haveNew) {newObj = (objc_object *)weak_register_no_lock(&newTable->weak_table, (id)newObj, location,crashIfDeallocating);// 设置 isa 标志位 weakly_referenced 为 trueif (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;}

这段代码大概做了这几件事：

从全局的哈希表SideTables中，利用对象本身地址进行位运算后得到对应下标，取得该对象的弱引用表。SideTables是一个 64 个元素长度的散列表，发生碰撞时，可能一个SideTable中存在多个对象共享一个弱引用表。
如果有分配新值，则检查新值对应的类是否初始化过，如果没有，则就地初始化。
如果 location 有指向其他旧值，则将旧值对应的弱引用表进行注销。
如果分配了新值，将新值注册到对应的弱引用表中。将isa.weakly_referenced设置为true，表示该对象是有弱引用变量，释放时要去清空弱引用表。

4.2.3 weak_register_no_lock 和 weak_unregister_no_lock

在上面的代码中使用到weak_register_no_lock和weak_unregister_no_lock来进行弱引用表的注册和注销，继续查看这两个方法的实现：

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; // 被引用的对象objc_object **referrer = (objc_object **)referrer_id; // 弱引用变量if (!referent || referent->isTaggedPointer()) return referent_id;// 检查当前对象没有在释放中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);}// 如果正在释放中，则根据 crashIfDeallocating 判断是否触发 crashif (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;}}weak_entry_t *entry; // 每个对象对应的一个弱引用记录// 如果当前表中有该对象的记录则直接加入该 weak 表中对应记录if ((entry = weak_entry_for_referent(weak_table, referent))) {append_referrer(entry, referrer);}else {// 没有在 weak 表中找到对应记录，则新建一个记录weak_entry_t new_entry(referent, referrer);// 查看 weak_table 表是否要扩容weak_grow_maybe(weak_table);// 将记录插入 weak 表中weak_entry_insert(weak_table, &new_entry);}return referent_id;}

上面这段代码主要逻辑：

检查是否正在被释放中，如果是则根据crashIfDeallocating判断是否触发 crash 。
检查weak_table中是否有被引用对象对应的entry，如果有则直接将弱引用变量指针地址加入该entry中。
如果weak_table没有找到对应的entry，则新建一个entry，并将弱引用变量指针地址加入entry中。同时检查weak_table是否需要扩容。

下面是weak_unregister_no_lock代码实现：

void weak_unregister_no_lock(weak_table_t *weak_table, id referent_id,id *referrer_id){objc_object *referent = (objc_object *)referent_id; // 被引用的对象objc_object **referrer = (objc_object **)referrer_id; // 弱引用变量weak_entry_t *entry;if (!referent) return;if ((entry = weak_entry_for_referent(weak_table, referent))) {// 找到 weak 表中对应记录后，将引用从记录中移除remove_referrer(entry, referrer);// 移除后检查该引用记录是否为空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;}}}// 如果当前记录为空则移除记录if (empty) {weak_entry_remove(weak_table, entry);}}}

上面这段代码主要逻辑：

从weak_table中根据找到被引用对象对应的entry，然后将弱引用变量指针referrer从entry中移除。
移除弱引用变量指针referrer之后，检查entry是否为空，如果为空将其从weak_table中移除。

4.2.4 weak_table

上面的代码中使用weak_table保存被引用对象的entry，下面继续通过分析weak_table的增删查函数的具体实现：

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;// hash_pointer 对地址做位运算得出哈希表下标的方式size_t begin = hash_pointer(referent) & weak_table->mask;size_t index = begin;size_t hash_displacement = 0;// 线性探测，如果该下标存储的是其他对象，那往下移，直至找到正确的下标。while (weak_table->weak_entries[index].referent != referent) {index = (index+1) & weak_table->mask; // 不能超过 weak_table 最大长度限制// 回到初始下标，异常报错if (index == begin) bad_weak_table(weak_table->weak_entries);// 每次冲突下移 hash_displacement + 1，当前位移不超过记录在案的最大位移hash_displacement++;if (hash_displacement > weak_table->max_hash_displacement) {return nil;}}return &weak_table->weak_entries[index];}

上述代码就是weak_table查找entry的过程，也是哈希表寻址过程，使用线性探测的方法解决哈希冲突的问题：

通过被引用对象地址计算获得哈希表下标。
检查对应下标存储的是不是我们要找到地址，如果是则返回该地址。
如果不是则继续往下找，直至找到。在下移的过程中，下标不能超过weak_table最大长度，同时hash_displacement不能超过记录的max_hash_displacement最大哈希位移。max_hash_displacement是所有插入操作时记录的最大哈希位移，如果超过了，那肯定是出错了。

下面是weak_table插入entry的代码实现：

static void weak_entry_insert(weak_table_t *weak_table, weak_entry_t *new_entry){weak_entry_t *weak_entries = weak_table->weak_entries;assert(weak_entries != nil);// 通过哈希算法得到下标size_t begin = hash_pointer(new_entry->referent) & (weak_table->mask);size_t index = begin;size_t hash_displacement = 0;// 判断当前下标是否为空，如果不是继续往下寻址空位while (weak_entries[index].referent != nil) {index = (index+1) & weak_table->mask;if (index == begin) bad_weak_table(weak_entries);hash_displacement++;}// 找到空位后存入weak_entries[index] = *new_entry;weak_table->num_entries++;// 更新最大哈希位移值if (hash_displacement > weak_table->max_hash_displacement) {weak_table->max_hash_displacement = hash_displacement;}}

和查过过程类似，weak_table插入entry的的步骤：

通过被引用对象地址计算获得哈希表下标。
检查对应下标是否为空，如果不为空继续往下查找，直至找到空位。
将弱引用变量指针存入空位，同时更新weak_table的当前成员数量num_entries和最大哈希位移max_hash_displacement。

下面是weak_table移除entry的代码实现：

static void weak_entry_remove(weak_table_t *weak_table, weak_entry_t *entry){// 释放 entry 中的所有弱引用if (entry->out_of_line()) free(entry->referrers);// 置空指针bzero(entry, sizeof(*entry));// 更新 weak_table 对象数量，并检查是否可以缩减表容量weak_table->num_entries--;weak_compact_maybe(weak_table);}

从weak_table移除entry的的步骤：

释放entry和其中的弱引用变量。
更新 weak_table 对象数量，并检查是否可以缩减表容量

4.2.5 entry 和 referrer

在弱引用表中entry对应着被引用的对象，而referrer代表弱引用变量。每次被弱引用时，都会将弱引用变量指针referrer加入entry中，而当原对象被释放时，会将entry清空并移除。

下面看往entry中添加referrer的具体实现：

static void append_referrer(weak_entry_t *entry, objc_object **new_referrer){if (! entry->out_of_line()) {// inline_referrers 未超出时，直接加入 inline_referrers 中for (size_t i = 0; i < WEAK_INLINE_COUNT; i++) {if (entry->inline_referrers[i] == nil) {entry->inline_referrers[i] = new_referrer;return;}}// 如果 inline_referrers 超出 WEAK_INLINE_COUNT 数量，则执行下面代码weak_referrer_t *new_referrers = (weak_referrer_t *)calloc(WEAK_INLINE_COUNT, sizeof(weak_referrer_t));// 将 inline_referrers 的引用转移只 new_referrersfor (size_t i = 0; i < WEAK_INLINE_COUNT; i++) {new_referrers[i] = entry->inline_referrers[i];}// 修改 entry 内容及标志位entry->referrers = new_referrers;entry->num_refs = WEAK_INLINE_COUNT;entry->out_of_line_ness = REFERRERS_OUT_OF_LINE;entry->mask = WEAK_INLINE_COUNT-1;entry->max_hash_displacement = 0;}assert(entry->out_of_line());// 当负载因子过高进行扩容if (entry->num_refs >= TABLE_SIZE(entry) * 3/4) {return grow_refs_and_insert(entry, new_referrer);}// 根据地址计算下标size_t begin = w_hash_pointer(new_referrer) & (entry->mask);size_t index = begin;size_t hash_displacement = 0;// 该下表位置下不为空，发生 hash 碰撞了,while (entry->referrers[index] != nil) {// 后移hash_displacement++;index = (index+1) & entry->mask;if (index == begin) bad_weak_table(entry);}// 记录最大位移if (hash_displacement > entry->max_hash_displacement) {entry->max_hash_displacement = hash_displacement;}// 找到合适下标后存储weak_referrer_t &ref = entry->referrers[index];ref = new_referrer;entry->num_refs++;}

entry的结构和weak_table相似，都使用了哈希表，并且使用线性探测法寻找对应位置。在此基础上有一点不同的地方：

entry有一个标志位out_of_line，最初时该标志位为false，entry使用的是一个有序数组inline_referrers的存储结构。
当inline_referrers的成员数量超过了WEAK_INLINE_COUNT，out_of_line标志位变成true，开始使用哈希表存储结构。每当哈希表负载超过 3/4 时会进行扩容。

继续看从entry移除referrer的具体实现：

static void remove_referrer(weak_entry_t *entry, objc_object **old_referrer){if (! entry->out_of_line()) {// 未超出 inline_referrers 时直接将对应位置清空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;}// 超出 inline_referrers 的逻辑// 根据地址计算下标size_t begin = w_hash_pointer(old_referrer) & (entry->mask);size_t index = begin;size_t hash_displacement = 0;// 发生哈希冲突继续往后查找while (entry->referrers[index] != old_referrer) {index = (index+1) & entry->mask;if (index == begin) bad_weak_table(entry);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;}}// 找到后将对应位置置空entry->referrers[index] = nil;entry->num_refs--;}

从entry移除referrer的步骤：

out_of_line为false时，从有序数组inline_referrers中查找并移除。
out_of_line为true时，从哈希表中查找并移除。

4.2.6 dealloc

当被引用的对象被释放后，会去检查isa.weakly_referenced标志位，每个被弱引用的对象weakly_referenced标志位都为true。

- (void)dealloc {
_objc_rootDealloc(self);
}

顺着dealloc方法逻辑往下走直至clearDeallocating_slow:

NEVER_INLINE void objc_object::clearDeallocating_slow(){assert(isa.nonpointer && (isa.weakly_referenced || isa.has_sidetable_rc));// 根据指针获取对应 weak_tableSideTable& table = SideTables()[this];table.lock();// 判断如果有被弱引用则清空该对象对应的 entryif (isa.weakly_referenced) {weak_clear_no_lock(&table.weak_table, (id)this);}// 清空该对象存储在 sidetable 中的引用计数if (isa.has_sidetable_rc) {table.refcnts.erase(this);}table.unlock();}

从上面的代码可以看出，在对象释执行dealloc函数时，会检查isa.weakly_referenced标志位，然后判断是否要清理weak_table中的entry。

4.3 objc_loadWeakRetained

通过前面的中间码分析可以得知，在使用弱引用变量之前，编译器创建了一个临时的强引用对象，以此保证使用时不会因为被释放导致出错，在用完后立即释放。

下面看看如何对弱引用指针指向对象进行强引用：

id objc_loadWeakRetained(id *location){id obj;id result;Class cls;SideTable *table;retry:// 得到弱引用指针指向对象obj = *location;if (!obj) return nil;if (obj->isTaggedPointer()) return obj; // TaggedPointer 直接返回// 得到对应 weak_tabletable = &SideTables()[obj];// 如果被引用对象在此期间发生变化则重试table->lock();if (*location != obj) {table->unlock();goto retry;}result = obj;cls = obj->ISA();if (! cls->hasCustomRR()) {// 类和超类没有自定义 retain/release/autorelease/retainCount/_tryRetain/_isDeallocating/retainWeakReference/allowsWeakReference 等方法assert(cls->isInitialized());// 尝试 retainif (! obj->rootTryRetain()) {result = nil;}}else {if (cls->isInitialized() || _thisThreadIsInitializingClass(cls)) {// 获取自定义 SEL_retainWeakReference 方法BOOL (*tryRetain)(id, SEL) = (BOOL(*)(id, SEL))class_getMethodImplementation(cls, SEL_retainWeakReference);if ((IMP)tryRetain == _objc_msgForward) {result = nil;}// 调用自定义函数else if (! (*tryRetain)(obj, SEL_retainWeakReference)) {result = nil;}}else {// 类未初始化，则初始化后回到 retry 重新执行table->unlock();_class_initialize(cls);goto retry;}}table->unlock();return result;}

上面的代码主要逻辑：

通过弱引用指向的对象，获取弱引用表，并且将其上锁，防止在此期间被清除。
判断是否包含自定义retain方法，如果没有，则使用默认rootTryRetain方法，使引用计数 + 1 。
如果使用了自定义retain方法，则调用自定义方法，在调用之前会先判断该对象所属类是否已经初始化过，如果没有初始化会先进行初始化然后再调用。

五、__autorelease 修饰符

在 ARC 环境下， __autorelease 修饰符可以将对象加入自动释放池中，由自动释放池管理释放。

5.1 __autorelease 修饰符的中间码

将下面的代码转换成中间码查看编译器的处理：

void autoReleasingFunction() {@autoreleasepool {__autoreleasing id obj = [NSObject new];}}

转换后的中间码：

void autoReleasingFunction() {id token = objc_autoreleasePoolPush();id obj = objc_msgSend(NSObject, @selector(new));objc_autorelease(obj);objc_autoreleasePoolPop(token);}

通过上面的代码可以分析出：

@autoreleasepool{}关键字通过编译器转换成objc_autoreleasePoolPush和objc_autoreleasePoolPop这一对方法。
__autoreleasing 修饰符转换成objc_autorelease，将obj加入自动释放池中。

从上面的分析可以看出，编译器对自动释放池的处理逻辑大致分成：

由objc_autoreleasePoolPush作为自动释放池作用域的第一个函数。
使用objc_autorelease将对象加入自动释放池。
由objc_autoreleasePoolPop作为自动释放池作用域的最后一个函数。

5.2 自动释放池的预备知识

在继续往下看之前，我们需要先了解一些关于自动释放池的相关知识：

自动释放池都是由一个或者多个AutoreleasePoolPage组成，page的 SIZE 为 4096 bytes ，它们通过parent和child指针组成一个双向链表。

hotPage：是当前正在使用的page，操作都是在hotPage上完成，一般处于链表末端或者倒数第二个位置。存储在 TLS 中，可以理解为一个每个线程共享一个自动释放池链表。
coldPage：位于链表头部的page，可能同时为hotPage。
POOL_BOUNDARY：nil的宏定义，替代之前的哨兵对象POOL_SENTINEL，在自动释放池创建时，在objc_autoreleasePoolPush中将其推入自动释放池中。在调用objc_autoreleasePoolPop时，会将池中对象按顺序释放，直至遇到最近一个POOL_BOUNDARY时停止。
EMPTY_POOL_PLACEHOLDER：当自动释放池中没有推入过任何对象时，这个时候推入一个POOL_BOUNDARY，会先将EMPTY_POOL_PLACEHOLDER存储在 TLS 中作为标识符，并且此次并不推入POOL_BOUNDARY。等再次有对象被推入自动释放池时，检查在 TLS 中取出该标识符，这个时候再推入POOL_BOUNDARY。
next：指向AutoreleasePoolPage指向栈顶空位的指针，每次加入新的元素都会往上移动。

5.3 objc_autoreleasePoolPush

objc_autoreleasePoolPush方法的代码实现：

static inline void *push(){id *dest;if (DebugPoolAllocation) {// 测试状态下，每个自动释放池都会新建一个 pagedest = autoreleaseNewPage(POOL_BOUNDARY);} else {// 推一个 POOL_BOUNDARY 入栈，表示该释放池的起点dest = autoreleaseFast(POOL_BOUNDARY);}assert(dest == EMPTY_POOL_PLACEHOLDER || *dest == POOL_BOUNDARY);return dest;}

objc_autoreleasePoolPush方法其实就是向自动释放池推入一个POOL_BOUNDARY，作为该autoreleasepool的起点。autoreleaseFast方法的具体逻辑将在后面分析autorelease方法时再进行分析。

5.4 autorelease

下面看加入自动释放池方法autorelease的代码实现：

static inline id autorelease(id obj) {id *dest __unused = autoreleaseFast(obj);return obj;}

继续往下看：

static inline id *autoreleaseFast(id obj) {AutoreleasePoolPage *page = hotPage();if (page && !page->full()) {// 有 hotPage 且不满 直接加入栈中return page->add(obj);} else if (page) {// hotPage 已满 先创建一个 Page 后，加入新 Page 中return autoreleaseFullPage(obj, page);} else {// 没有 hotPage 直接新建一个 Page，并加入 Page 中return autoreleaseNoPage(obj);}}

上面这段代码逻辑：

如果hotPage存在且未满，则直接推入hotPage。
如果hotPage存在且已满，调用autoreleaseFullPage。
如果hotPage不存在，调用autoreleaseNoPage。

往下继续分析autoreleaseFullPage的实现：

id *autoreleaseFullPage(id obj, AutoreleasePoolPage *page){assert(page == hotPage());assert(page->full() || DebugPoolAllocation);// 找到一个未满的 page , 未找到则新建一个 page ,设置成 hotPagedo {if (page->child) page = page->child;else page = new AutoreleasePoolPage(page);} while (page->full());setHotPage(page);return page->add(obj);}

该方法是在hotPage已满的情况下执行，具体逻辑如下：

查看hotPage是否有后继节点，如果有直接使用后继节点。
如果没有后继节点，则新建一个AutoreleasePoolPage。
将对象加入获取到的page，并将其设置为hotPage，其实就是存入 TLS 中共享。

下面开始分析autoreleaseNoPage方法代码实现：

id *autoreleaseNoPage(id obj){// 执行 No page 表示目前还没有释放池，或者有一个空占位符池，但是还没有加入对象assert(!hotPage());bool pushExtraBoundary = false;if (haveEmptyPoolPlaceholder()) {// 如果是空占位符池，需要加入一个释放池边界pushExtraBoundary = true;}else if (obj != POOL_BOUNDARY && DebugMissingPools) {// We are pushing an object with no pool in place,// and no-pool debugging was requested by environment._objc_inform("MISSING POOLS: (%p) Object %p of class %s ""autoreleased with no pool in place - ""just leaking - break on ""objc_autoreleaseNoPool() to debug",pthread_self(), (void*)obj, object_getClassName(obj));objc_autoreleaseNoPool(obj);return nil;}// 如果传入 POOL_BOUNDARY 则设置空池占位符else if (obj == POOL_BOUNDARY && !DebugPoolAllocation) {return setEmptyPoolPlaceholder();}// We are pushing an object or a non-placeholder d pool.// 初始化一个 page 并设置 hotPageAutoreleasePoolPage *page = new AutoreleasePoolPage(nil);setHotPage(page);// 插入释放池边界if (pushExtraBoundary) {page->add(POOL_BOUNDARY);}// 对象加入释放池return page->add(obj);}

autoreleaseNoPage只有在自动释放池还没有page时调用，主要逻辑：

如果当前自动释放池推入的是一个哨兵POOL_BOUNDARY时，将EmptyPoolPlaceholder存入 TLS 中。
如果 TLS 存储了EmptyPoolPlaceholder时，在创建好page之后，会先推入一个POOL_BOUNDARY，然后再将加入自动释放池的对象推入。

5.5 objc_autoreleasePoolPop

在自动释放池所在作用域结束时，会调用objc_autoreleasePoolPop，对自动释放池中的对象进行释放。

static inline void pop(void *token){AutoreleasePoolPage *page;id *stop;// 如果是空池占位符，要清空整个自动释放池if (token == (void*)EMPTY_POOL_PLACEHOLDER) {if (hotPage()) {// 如果存在 hotPage ，则找到 coldPage 的起点 重新 poppop(coldPage()->begin());} else {// 未使用过的释放池，置空 TLS 中存放的 hotPagesetHotPage(nil);}return;}page = pageForPointer(token);stop = (id *)token;if (*stop != POOL_BOUNDARY) {// 在 stop 不为 POOL_BOUNDARY 的情况下 只可能是 coldPage()->begin()if (stop == page->begin() && !page->parent) {} else {// 如果不是 POOL_BOUNDARY 也不是 coldPage()->begin() 则报错return badPop(token);}}if (PrintPoolHiwat) printHiwat();// 释放 stop 后面的所有对象page->releaseUntil(stop);// 清除后续节点 pageif (page->child) {// 如果当前 page 没有达到半满，则干掉所有后续 pageif (page->lessThanHalfFull()) {page->child->kill();}// 如果当前 page 达到半满以上，则保留下一页else if (page->child->child) {page->child->child->kill();}}}

上面这段代码逻辑：

检查入参是否为空池占位符EMPTY_POOL_PLACEHOLDER，如果是则继续判断是否hotPage存在，如果hotPage存在则将释放的终点改成coldPage()->begin()，如果hotPage不存在，则置空 TLS 存储中的hotPage。
检查stop既不是POOL_BOUNDARY也不是coldPage()->begin()的情况将报错。
清空自动释放池中stop之后的所有对象。
判断当前page如果没有达到半满，则干掉所有后续所有 page，如果超过半满则只保留下一个page。

5.6 add 和 releaseUntil

整个AutoreleasePoolPage就是一个堆栈，通过AutoreleasePoolPage的add方法将对象加入自动释放池：

id *add(id obj){assert(!full());unprotect();id *ret = next; // 复制指针*next++ = obj; // 将 obj 存入 next 指向的内存地址后，next 向后移指向下一个空地址protect();return ret;}

这段逻辑非常简单，add方法将新加入的对象存入栈顶指针next指向的地址中，然后指向下一个位置。

下面是AutoreleasePoolPage出栈的实现：

void releaseUntil(id *stop){// 当 next 和 stop 不是指向同一块内存地址，则继续执行while (this->next != stop) {AutoreleasePoolPage *page = hotPage();// 如果 hotPage 空了，则设置上一个 page 为 hotPagewhile (page->empty()) {page = page->parent;setHotPage(page);}page->unprotect();id obj = *--page->next; // page->next-- 后指向当前栈顶元素memset((void*)page->next, SCRIBBLE, sizeof(*page->next)); // 将栈顶元素内存清空page->protect();if (obj != POOL_BOUNDARY) {objc_release(obj); // 栈顶元素引用计数 - 1}}setHotPage(this);}

这段代码大致逻辑：

判断栈顶指针next和stop不是指向同一块内存地址时，继续出栈。
判断当前page如果被清空，则继续清理链表中的上一个page。
出栈，栈顶指针往下移，清空栈顶内存。
如果当前出栈的不是POOL_BOUNDARY，则调用objc_release引用计数 - 1 。

通过阅读 objc4 源码，将以前关于 ARC 的知识串联起来，其中对细节的实现原理理解得更加透彻。原文 : https://juejin.im/post/5ce2b7386fb9a07eff005b4c