很少有人知道weak表其實(shí)是一個(gè)hash（哈希）表，Key是所指對(duì)象的地址，Value是weak指針的地址數(shù)組。更多人的人只是知道weak是弱引用，所引用對(duì)象的計(jì)數(shù)器不會(huì)加一，并在引用對(duì)象被釋放的時(shí)候自動(dòng)被設(shè)置為nil。通常用于解決循環(huán)引用問(wèn)題。但現(xiàn)在單知道這些已經(jīng)不足以應(yīng)對(duì)面試了，好多公司會(huì)問(wèn)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(duì)這個(gè)問(wèn)題好奇，學(xué)習(xí)過(guò)程中的筆記，希望對(duì)讀者也有所幫助）。
weak 實(shí)現(xiàn)原理的概括
Runtime維護(hù)了一個(gè)weak表，用于存儲(chǔ)指向某個(gè)對(duì)象的所有weak指針。weak表其實(shí)是一個(gè)hash（哈希）表，Key是所指對(duì)象的地址，Value是weak指針的地址（這個(gè)地址的值是所指對(duì)象指針的地址）數(shù)組。
weak 的實(shí)現(xiàn)原理可以概括一下三步：
1、初始化時(shí)：runtime會(huì)調(diào)用objc_initWeak函數(shù)，初始化一個(gè)新的weak指針指向?qū)ο蟮牡刂贰?br>
2、添加引用時(shí)：objc_initWeak函數(shù)會(huì)調(diào)用 objc_storeWeak() 函數(shù)， objc_storeWeak() 的作用是更新指針指向，創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的弱引用表。
3、釋放時(shí)，調(diào)用clearDeallocating函數(shù)。clearDeallocating函數(shù)首先根據(jù)對(duì)象地址獲取所有weak指針地址的數(shù)組，然后遍歷這個(gè)數(shù)組把其中的數(shù)據(jù)設(shè)為nil，最后把這個(gè)entry從weak表中刪除，最后清理對(duì)象的記錄。
下面將開(kāi)始詳細(xì)介紹每一步：
1、初始化時(shí)：runtime會(huì)調(diào)用objc_initWeak函數(shù)，objc_initWeak函數(shù)會(huì)初始化一個(gè)新的weak指針指向?qū)ο蟮牡刂贰?/h2>
示例代碼：
{
NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];
id __weak obj1 = obj;
}
當(dāng)我們初始化一個(gè)weak變量時(shí)，runtime會(huì)調(diào)用 NSObject.mm 中的objc_initWeak函數(shù)。這個(gè)函數(shù)在Clang中的聲明如下：
id objc_initWeak(id *object, id value);
而對(duì)于 objc_initWeak() 方法的實(shí)現(xiàn)
id objc_initWeak(id *location, id newObj) {
// 查看對(duì)象實(shí)例是否有效
// 無(wú)效對(duì)象直接導(dǎo)致指針釋放
if (!newObj) {
*location = nil;
return nil;
}
// 這里傳遞了三個(gè) bool 數(shù)值
// 使用 template 進(jìn)行常量參數(shù)傳遞是為了優(yōu)化性能
return storeWeakfalse/*old*/, true/*new*/, true/*crash*/>
(location, (objc_object*)newObj);
}
可以看出，這個(gè)函數(shù)僅僅是一個(gè)深層函數(shù)的調(diào)用入口，而一般的入口函數(shù)中，都會(huì)做一些簡(jiǎn)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(lèi)對(duì)象是否有效，無(wú)效直接釋放，不再往深層調(diào)用函數(shù)。否則，object將被注冊(cè)為一個(gè)指向value的__weak對(duì)象。而這事應(yīng)該是objc_storeWeak函數(shù)干的。
注意：objc_initWeak函數(shù)有一個(gè)前提條件：就是object必須是一個(gè)沒(méi)有被注冊(cè)為_(kāi)_weak對(duì)象的有效指針。而value則可以是null，或者指向一個(gè)有效的對(duì)象。
2、添加引用時(shí)：objc_initWeak函數(shù)會(huì)調(diào)用 objc_storeWeak() 函數(shù)， objc_storeWeak() 的作用是更新指針指向，創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的弱引用表。
objc_storeWeak的函數(shù)聲明如下：
id objc_storeWeak(id *location, id value);
objc_storeWeak() 的具體實(shí)現(xiàn)如下：
// HaveOld: true - 變量有值
// false - 需要被及時(shí)清理，當(dāng)前值可能為 nil
// HaveNew: true - 需要被分配的新值，當(dāng)前值可能為 nil
// false - 不需要分配新值
// CrashIfDeallocating: true - 說(shuō)明 newObj 已經(jīng)釋放或者 newObj 不支持弱引用，該過(guò)程需要暫停
// false - 用 nil 替代存儲(chǔ)
template bool HaveOld, bool HaveNew, bool CrashIfDeallocating>
static id storeWeak(id *location, objc_object *newObj) {
// 該過(guò)程用來(lái)更新弱引用指針的指向
// 初始化 previouslyInitializedClass 指針
Class previouslyInitializedClass = nil;
id oldObj;
// 聲明兩個(gè) SideTable
// ① 新舊散列創(chuàng)建
SideTable *oldTable;
SideTable *newTable;
// 獲得新值和舊值的鎖存位置（用地址作為唯一標(biāo)示）
// 通過(guò)地址來(lái)建立索引標(biāo)志，防止桶重復(fù)
// 下面指向的操作會(huì)改變舊值
retry:
if (HaveOld) {
// 更改指針，獲得以 oldObj 為索引所存儲(chǔ)的值地址
oldObj = *location;
oldTable = &SideTables()[oldObj];
} else {
oldTable = nil;
}
if (HaveNew) {
// 更改新值指針，獲得以 newObj 為索引所存儲(chǔ)的值地址
newTable = &SideTables()[newObj];
} else {
newTable = nil;
}
// 加鎖操作，防止多線(xiàn)程中競(jìng)爭(zhēng)沖突
SideTable::lockTwoHaveOld, HaveNew>(oldTable, newTable);
// 避免線(xiàn)程沖突重處理
// location 應(yīng)該與 oldObj 保持一致，如果不同，說(shuō)明當(dāng)前的 location 已經(jīng)處理過(guò) oldObj 可是又被其他線(xiàn)程所修改
if (HaveOld && *location != oldObj) {
SideTable::unlockTwoHaveOld, HaveNew>(oldTable, newTable);
goto retry;
}
// 防止弱引用間死鎖
// 并且通過(guò) +initialize 初始化構(gòu)造器保證所有弱引用的 isa 非空指向
if (HaveNew && newObj) {
// 獲得新對(duì)象的 isa 指針
Class cls = newObj->getIsa();
// 判斷 isa 非空且已經(jīng)初始化
if (cls != previouslyInitializedClass &&
!((objc_class *)cls)->isInitialized()) {
// 解鎖
SideTable::unlockTwoHaveOld, HaveNew>(oldTable, newTable);
// 對(duì)其 isa 指針進(jìn)行初始化
_class_initialize(_class_getNonMetaClass(cls, (id)newObj));
// 如果該類(lèi)已經(jīng)完成執(zhí)行 +initialize 方法是最理想情況
// 如果該類(lèi) +initialize 在線(xiàn)程中
// 例如 +initialize 正在調(diào)用 storeWeak 方法
// 需要手動(dòng)對(duì)其增加保護(hù)策略，并設(shè)置 previouslyInitializedClass 指針進(jìn)行標(biāo)記
previouslyInitializedClass = cls;
// 重新嘗試
goto retry;
}
}
// ② 清除舊值
if (HaveOld) {
weak_unregister_no_lock(&oldTable->weak_table, oldObj, location);
}
// ③ 分配新值
if (HaveNew) {
newObj = (objc_object *)weak_register_no_lock(&newTable->weak_table,
(id)newObj, location,
CrashIfDeallocating);
// 如果弱引用被釋放 weak_register_no_lock 方法返回 nil
// 在引用計(jì)數(shù)表中設(shè)置若引用標(biāo)記位
if (newObj && !newObj->isTaggedPointer()) {
// 弱引用位初始化操作
// 引用計(jì)數(shù)那張散列表的weak引用對(duì)象的引用計(jì)數(shù)中標(biāo)識(shí)為weak引用
newObj->setWeaklyReferenced_nolock();
}
// 之前不要設(shè)置 location 對(duì)象，這里需要更改指針指向
*location = (id)newObj;
}
else {
// 沒(méi)有新值，則無(wú)需更改
}
SideTable::unlockTwoHaveOld, HaveNew>(oldTable, newTable);
return (id)newObj;
}
撇開(kāi)源碼中各種鎖操作，來(lái)看看這段代碼都做了些什么。
1)、SideTable
SideTable 這個(gè)結(jié)構(gòu)體，我給他起名引用計(jì)數(shù)和弱引用依賴(lài)表，因?yàn)樗饕糜诠芾韺?duì)象的引用計(jì)數(shù)和 weak 表。在 NSObject.mm 中聲明其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：
struct SideTable {
// 保證原子操作的自旋鎖
spinlock_t slock;
// 引用計(jì)數(shù)的 hash 表
RefcountMap refcnts;
// weak 引用全局 hash 表
weak_table_t weak_table;
}
對(duì)于 slock 和 refcnts 兩個(gè)成員不用多說(shuō)，第一個(gè)是為了防止競(jìng)爭(zhēng)選擇的自旋鎖，第二個(gè)是協(xié)助對(duì)象的 isa 指針的 extra_rc 共同引用計(jì)數(shù)的變量（對(duì)于對(duì)象結(jié)果，在今后的文中提到）。這里主要看 weak 全局 hash 表的結(jié)構(gòu)與作用。
2)、weak表
weak表是一個(gè)弱引用表，實(shí)現(xiàn)為一個(gè)weak_table_t結(jié)構(gòu)體，存儲(chǔ)了某個(gè)對(duì)象相關(guān)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 {
// 保存了所有指向指定對(duì)象的 weak 指針
weak_entry_t *weak_entries;
// 存儲(chǔ)空間
size_t num_entries;
// 參與判斷引用計(jì)數(shù)輔助量
uintptr_t mask;
// hash key 最大偏移值
uintptr_t max_hash_displacement;
};
這是一個(gè)全局弱引用hash表。使用不定類(lèi)型對(duì)象的地址作為 key ，用 weak_entry_t 類(lèi)型結(jié)構(gòu)體對(duì)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(shí)現(xiàn)也是這樣的。
其中weak_entry_t是存儲(chǔ)在弱引用表中的一個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)體，它負(fù)責(zé)維護(hù)和存儲(chǔ)指向一個(gè)對(duì)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 {
// 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 的結(jié)構(gòu)中，DisguisedPtr referent 是對(duì)泛型對(duì)象的指針做了一個(gè)封裝，通過(guò)這個(gè)泛型類(lèi)來(lái)解決內(nèi)存泄漏的問(wèn)題。從注釋中寫(xiě) out_of_line 成員為最低有效位，當(dāng)其為0的時(shí)候， weak_referrer_t 成員將擴(kuò)展為多行靜態(tài) hash table。其實(shí)其中的 weak_referrer_t 是二維 objc_object 的別名，通過(guò)一個(gè)二維指針地址偏移，用下標(biāo)作為 hash 的 key，做成了一個(gè)弱引用散列。
那么在有效位未生效的時(shí)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(cè)：
out_of_line：最低有效位，也是標(biāo)志位。當(dāng)標(biāo)志位 0 時(shí)，增加引用表指針緯度。
num_refs：引用數(shù)值。這里記錄弱引用表中引用有效數(shù)字，因?yàn)槿跻帽硎褂玫氖庆o態(tài) hash 結(jié)構(gòu)，所以需要使用變量來(lái)記錄數(shù)目。
mask：計(jì)數(shù)輔助量。
max_hash_displacement：hash 元素上限閥值。
其實(shí) 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(gè) objc_objective 指針二維數(shù)組。一維 objc_objective 指針可構(gòu)成一張弱引用散列表，通過(guò)第三緯度實(shí)現(xiàn)了多張散列表，并且表數(shù)量為 WEAK_INLINE_COUNT 。
總結(jié)一下 StripedMap[] ： StripedMap 是一個(gè)模板類(lèi)，在這個(gè)類(lèi)中有一個(gè) array 成員，用來(lái)存儲(chǔ) PaddedT 對(duì)象，并且其中對(duì)于 [] 符的重載定義中，會(huì)返回這個(gè) PaddedT 的 value 成員，這個(gè) value 就是我們傳入的 T 泛型成員，也就是 SideTable 對(duì)象。在 array 的下標(biāo)中，這里使用了 indexForPointer 方法通過(guò)位運(yùn)算計(jì)算下標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)的 Hash Table。而在 weak_table 中，其成員 weak_entry 會(huì)將傳入對(duì)象的地址加以封裝起來(lái)，并且其中也有訪(fǎng)問(wèn)全局弱引用表的入口。
舊對(duì)象解除注冊(cè)操作 weak_unregister_no_lock
該方法主要作用是將舊對(duì)象在 weak_table 中接觸 weak 指針的對(duì)應(yīng)綁定。根據(jù)函數(shù)名，稱(chēng)之為解除注冊(cè)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(xún)，就是針對(duì)于 weak_entry 中的多張弱引用散列表。
新對(duì)象添加注冊(cè)操作 weak_register_no_lock
這一步與上一步相反，通過(guò) weak_register_no_lock 函數(shù)把心的對(duì)象進(jìn)行注冊(cè)操作，完成與對(duì)應(yīng)的弱引用表進(jìn)行綁定操作。
初始化弱引用對(duì)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(xún)散列、創(chuàng)建弱引用表等操作，可以總結(jié)出如下的流程圖：
這個(gè)圖中省略了很多情況的判斷，但是當(dāng)聲明一個(gè) __weak 會(huì)調(diào)用上圖中的這些方法。當(dāng)然， storeWeak 方法不僅僅用在 __weak 的聲明中，在 class 內(nèi)部的操作中也會(huì)常常通過(guò)該方法來(lái)對(duì) weak 對(duì)象進(jìn)行操作。
3、釋放時(shí)，調(diào)用clearDeallocating函數(shù)。clearDeallocating函數(shù)首先根據(jù)對(duì)象地址獲取所有weak指針地址的數(shù)組，然后遍歷這個(gè)數(shù)組把其中的數(shù)據(jù)設(shè)為nil，最后把這個(gè)entry從weak表中刪除，最后清理對(duì)象的記錄。
當(dāng)weak引用指向的對(duì)象被釋放時(shí)，又是如何去處理weak指針的呢？當(dāng)釋放對(duì)象時(shí)，其基本流程如下：
1、調(diào)用objc_release
2、因?yàn)閷?duì)象的引用計(jì)數(shù)為0，所以執(zhí)行dealloc
3、在dealloc中，調(diào)用了_objc_rootDealloc函數(shù)
4、在_objc_rootDealloc中，調(diào)用了object_dispose函數(shù)
5、調(diào)用objc_destructInstance
6、最后調(diào)用objc_clear_deallocating
重點(diǎn)看對(duì)象被釋放時(shí)調(diào)用的objc_clear_deallocating函數(shù)。該函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下：
void objc_clear_deallocating(id obj)
{
assert(obj);
assert(!UseGC);
if (obj->isTaggedPointer()) return;
obj->clearDeallocating();
}
也就是調(diào)用了clearDeallocating，繼續(xù)追蹤可以發(fā)現(xiàn)，它最終是使用了迭代器來(lái)取weak表的value，然后調(diào)用weak_clear_no_lock,然后查找對(duì)應(yīng)的value，將該weak指針置空，weak_clear_no_lock函數(shù)的實(shí)現(xiàn)如下：
/**
* Called by dealloc; nils out all weak pointers that point to the
* provided object so that they can no longer be used.
*
* @param weak_table
* @param referent The object being deallocated.
*/
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);
}
objc_clear_deallocating該函數(shù)的動(dòng)作如下：
1、從weak表中獲取廢棄對(duì)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(jì)數(shù)表中刪除廢棄對(duì)象的地址為鍵值的記錄
看了objc-weak.mm的源碼就明白了：其實(shí)Weak表是一個(gè)hash（哈希）表，然后里面的key是指向?qū)ο蟮牡刂罚琕alue是Weak指針的地址的數(shù)組。
補(bǔ)充：.m和.mm的區(qū)別
.m：源代碼文件，這個(gè)典型的源代碼文件擴(kuò)展名，可以包含OC和C代碼。
.mm：源代碼文件，帶有這種擴(kuò)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(shí)需要使用C++類(lèi)或者特性的時(shí)候才用這種擴(kuò)展名。
