很少有人知道weak表其實是一個hash（哈希）表，Key是所指對象的地址，Value是weak指針的地址數組。更多人的人只是知道weak是弱引用，所引用對象的計數器不會加一，并在引用對象被釋放的時候自動被設置為nil。通常用于解決循環引用問題。但現在單知道這些已經不足以應對面試了，好多公司會問weak的原理。weak的原理是什么呢？下面就分析一下weak的工作原理（只是自己對這個問題好奇，學習過程中的筆記，希望對讀者也有所幫助）。

weak 實現原理的概括

Runtime維護了一個weak表，用于存儲指向某個對象的所有weak指針。weak表其實是一個hash（哈希）表，Key是所指對象的地址，Value是weak指針的地址（這個地址的值是所指對象指針的地址）數組。

weak 的實現原理可以概括一下三步：

1、初始化時：runtime會調用objc_initWeak函數，初始化一個新的weak指針指向對象的地址。
2、添加引用時：objc_initWeak函數會調用 objc_storeWeak() 函數， objc_storeWeak() 的作用是更新指針指向，創建對應的弱引用表。
3、釋放時，調用clearDeallocating函數。clearDeallocating函數首先根據對象地址獲取所有weak指針地址的數組，然后遍歷這個數組把其中的數據設為nil，最后把這個entry從weak表中刪除，最后清理對象的記錄。

下面將開始詳細介紹每一步：

1、初始化時：runtime會調用objc_initWeak函數，objc_initWeak函數會初始化一個新的weak指針指向對象的地址。

示例代碼：

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

當我們初始化一個weak變量時，runtime會調用 NSObject.mm 中的objc_initWeak函數。這個函數在Clang中的聲明如下：

id objc_initWeak(id *object, id value);

而對于 objc_initWeak() 方法的實現

id objc_initWeak(id *location, id newObj) {

    if (!newObj) {
        *location = nil;
        return nil;
    }

    return storeWeakfalse, true, true>
    (location, (objc_object*)newObj);
}

可以看出，這個函數僅僅是一個深層函數的調用入口，而一般的入口函數中，都會做一些簡單的判斷（例如 objc_msgSend 中的緩存判斷），這里判斷了其指針指向的類對象是否有效，無效直接釋放，不再往深層調用函數。否則，object將被注冊為一個指向value的__weak對象。而這事應該是objc_storeWeak函數干的。

注意：objc_initWeak函數有一個前提條件：就是object必須是一個沒有被注冊為__weak對象的有效指針。而value則可以是null，或者指向一個有效的對象。

2、添加引用時：objc_initWeak函數會調用 objc_storeWeak() 函數， objc_storeWeak() 的作用是更新指針指向，創建對應的弱引用表。

objc_storeWeak的函數聲明如下：

id objc_storeWeak(id *location, id value);

objc_storeWeak() 的具體實現如下：

template bool HaveOld, bool HaveNew, bool CrashIfDeallocating>
static id storeWeak(id *location, objc_object *newObj) {

    Class previouslyInitializedClass = nil;
    id oldObj;

    SideTable *oldTable;
    SideTable *newTable;

retry:
    if (HaveOld) {

        oldObj = *location;
        oldTable = &SideTables()[oldObj];
    } else {
        oldTable = nil;
    }
    if (HaveNew) {

        newTable = &SideTables()[newObj];
    } else {
        newTable = nil;
    }

    SideTable::lockTwoHaveOld, HaveNew>(oldTable, newTable);

    if (HaveOld  &&  *location != oldObj) {
        SideTable::unlockTwoHaveOld, HaveNew>(oldTable, newTable);
        goto retry;
    }

    if (HaveNew  &&  newObj) {

        Class cls = newObj->getIsa();

        if (cls != previouslyInitializedClass  &&
            !((objc_class *)cls)->isInitialized()) {

            SideTable::unlockTwoHaveOld, HaveNew>(oldTable, newTable);

            _class_initialize(_class_getNonMetaClass(cls, (id)newObj));

            previouslyInitializedClass = cls;

            goto retry;
        }
    }

    if (HaveOld) {
        weak_unregister_no_lock(&oldTable->weak_table, oldObj, location);
    }

    if (HaveNew) {
        newObj = (objc_object *)weak_register_no_lock(&newTable->weak_table,
                                                      (id)newObj, location,
                                                      CrashIfDeallocating);

        if (newObj  &&  !newObj->isTaggedPointer()) {

            newObj->setWeaklyReferenced_nolock();
        }

        *location = (id)newObj;
    }
    else {

    }
    SideTable::unlockTwoHaveOld, HaveNew>(oldTable, newTable);
    return (id)newObj;
}

撇開源碼中各種鎖操作，來看看這段代碼都做了些什么。

1)、SideTable

SideTable 這個結構體，我給他起名引用計數和弱引用依賴表，因為它主要用于管理對象的引用計數和 weak 表。在 NSObject.mm 中聲明其數據結構：

struct SideTable {

    spinlock_t slock;

    RefcountMap refcnts;

    weak_table_t weak_table;

}
對于 slock 和 refcnts 兩個成員不用多說，第一個是為了防止競爭選擇的自旋鎖，第二個是協助對象的 isa 指針的 extra_rc 共同引用計數的變量（對于對象結果，在今后的文中提到）。這里主要看 weak 全局 hash 表的結構與作用。

2)、weak表

weak表是一個弱引用表，實現為一個weak_table_t結構體，存儲了某個對象相關的的所有的弱引用信息。其定義如下(具體定義在objc-weak.h中)：

   struct weak_table_t {

    weak_entry_t *weak_entries;

    size_t    num_entries;

    uintptr_t mask;

    uintptr_t max_hash_displacement;
};

這是一個全局弱引用hash表。使用不定類型對象的地址作為 key ，用 weak_entry_t 類型結構體對象作為 value 。其中的 weak_entries 成員，從字面意思上看，即為弱引用表入口。其實現也是這樣的。

其中weak_entry_t是存儲在弱引用表中的一個內部結構體，它負責維護和存儲指向一個對象的所有弱引用hash表。其定義如下：

typedef objc_object ** weak_referrer_t;
struct weak_entry_t {
    DisguisedPtrobjc_object> referent;
    union {
        struct {
            weak_referrer_t *referrers;
            uintptr_t        out_of_line : 1;
            uintptr_t        num_refs : PTR_MINUS_1;
            uintptr_t        mask;
            uintptr_t        max_hash_displacement;
        };
        struct {

            weak_referrer_t  inline_referrers[WEAK_INLINE_COUNT];
        };
    }
}

在 weak_entry_t 的結構中，DisguisedPtr referent 是對泛型對象的指針做了一個封裝，通過這個泛型類來解決內存泄漏的問題。從注釋中寫 out_of_line 成員為最低有效位，當其為0的時候， weak_referrer_t 成員將擴展為多行靜態 hash table。其實其中的 weak_referrer_t 是二維 objc_object 的別名，通過一個二維指針地址偏移，用下標作為 hash 的 key，做成了一個弱引用散列。
那么在有效位未生效的時候，out_of_line 、 num_refs、 mask 、 max_hash_displacement 有什么作用？以下是筆者自身的猜測：

out_of_line：最低有效位，也是標志位。當標志位 0 時，增加引用表指針緯度。
num_refs：引用數值。這里記錄弱引用表中引用有效數字，因為弱引用表使用的是靜態 hash 結構，所以需要使用變量來記錄數目。
mask：計數輔助量。
max_hash_displacement：hash 元素上限閥值。
其實 out_of_line 的值通常情況下是等于零的，所以弱引用表總是一個 objc_objective 指針二維數組。一維 objc_objective 指針可構成一張弱引用散列表，通過第三緯度實現了多張散列表，并且表數量為 WEAK_INLINE_COUNT 。

總結一下 StripedMap[] ： StripedMap 是一個模板類，在這個類中有一個 array 成員，用來存儲 PaddedT 對象，并且其中對于 [] 符的重載定義中，會返回這個 PaddedT 的 value 成員，這個 value 就是我們傳入的 T 泛型成員，也就是 SideTable 對象。在 array 的下標中，這里使用了 indexForPointer 方法通過位運算計算下標，實現了靜態的 Hash Table。而在 weak_table 中，其成員 weak_entry 會將傳入對象的地址加以封裝起來，并且其中也有訪問全局弱引用表的入口。

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舊對象解除注冊操作 weak_unregister_no_lock

該方法主要作用是將舊對象在 weak_table 中接觸 weak 指針的對應綁定。根據函數名，稱之為解除注冊操作。從源碼中，可以知道其功能就是從 weak_table 中接觸 weak 指針的綁定。而其中的遍歷查詢，就是針對于 weak_entry 中的多張弱引用散列表。

新對象添加注冊操作 weak_register_no_lock

這一步與上一步相反，通過 weak_register_no_lock 函數把心的對象進行注冊操作，完成與對應的弱引用表進行綁定操作。

初始化弱引用對象流程一覽

弱引用的初始化，從上文的分析中可以看出，主要的操作部分就在弱引用表的取鍵、查詢散列、創建弱引用表等操作，可以總結出如下的流程圖：

C6029C92-5145-4334-9C25-3CDBA50F142B.png

這個圖中省略了很多情況的判斷，但是當聲明一個 __weak 會調用上圖中的這些方法。當然， storeWeak 方法不僅僅用在 __weak 的聲明中，在 class 內部的操作中也會常常通過該方法來對 weak 對象進行操作。

3、釋放時，調用clearDeallocating函數。clearDeallocating函數首先根據對象地址獲取所有weak指針地址的數組，然后遍歷這個數組把其中的數據設為nil，最后把這個entry從weak表中刪除，最后清理對象的記錄。

當weak引用指向的對象被釋放時，又是如何去處理weak指針的呢？當釋放對象時，其基本流程如下：

1、調用objc_release
2、因為對象的引用計數為0，所以執行dealloc
3、在dealloc中，調用了_objc_rootDealloc函數
4、在_objc_rootDealloc中，調用了object_dispose函數
5、調用objc_destructInstance
6、最后調用objc_clear_deallocating

重點看對象被釋放時調用的objc_clear_deallocating函數。該函數實現如下：

void  objc_clear_deallocating(id obj) 
{
    assert(obj);
    assert(!UseGC);
    if (obj->isTaggedPointer()) return;
   obj->clearDeallocating();
}

也就是調用了clearDeallocating，繼續追蹤可以發現，它最終是使用了迭代器來取weak表的value，然后調用weak_clear_no_lock,然后查找對應的value，將該weak指針置空，weak_clear_no_lock函數的實現如下：

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) {

        return;
    }

    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);
}

objc_clear_deallocating該函數的動作如下：

1、從weak表中獲取廢棄對象的地址為鍵值的記錄
2、將包含在記錄中的所有附有 weak修飾符變量的地址，賦值為nil
3、將weak表中該記錄刪除
4、從引用計數表中刪除廢棄對象的地址為鍵值的記錄

看了objc-weak.mm的源碼就明白了：其實Weak表是一個hash（哈希）表，然后里面的key是指向對象的地址，Value是Weak指針的地址的數組。

補充：.m和.mm的區別

.m：源代碼文件，這個典型的源代碼文件擴展名，可以包含OC和C代碼。
.mm：源代碼文件，帶有這種擴展名的源代碼文件，除了可以包含OC和C代碼之外，還可以包含C++代碼。僅在你的OC代碼中確實需要使用C++類或者特性的時候才用這種擴展名。

參考資料：
weak 弱引用的實現方式
weak的生命周期：具體實現方法

本文為轉載文章，原文出處