iOS底层原理探索 — 内存管理(二)

2019-08-23 本文已影响16人劳模007_Mars

探索底层原理，积累从点滴做起。大家好，我是Mars。

往期回顾

前言

内存管理在APP开发过程中占据着一个很重要的地位，在iOS中，系统为我们提供了ARC的开发环境，帮助我们做了很多内存管理的内容，其实在MRC时代，内存管理对于开发者是个很头疼的问题。我们会通过几篇文章的分析，来帮助我们了解iOS中内存管理的原理，以及在ARC的开发环境下系统帮助我们做了哪些内存管理的操作。

在iOS中，系统为我们提供了一下三种内存管理方法：

Tagged Pointer技术
NONPOINTER_ISA
散列表

其中，Tagged Pointer技术和NONPOINTER_ISA我们在iOS底层原理探索 — 内存管理(一)一文中有简单介绍，这里不在赘述。本文主要针对散列表展开分析。

散列表

我们在iOS底层原理探索 — 内存管理(一)一文中介绍引用计数时讲到，在NONPOINTER_ISA中有两个成员变量has_sidetable_rc和extra_rc，当extra_rc的19位内存不够存储引用计数时，has_sidetable_rc的值就会变为1，那么此时引用计数会存储在SideTable中。

系统在底层构建了StripedMap结构：

StripedMap.png
SideTables可以理解为一个全局的hash数组，里面存储了SideTable类型的数据，其长度为64，就是里面有64个SideTable。
我们来看StripedMap模板的定义：

StripedMap<T>.png
通过官方解释可以知道， StripedMap 是一个以void *为key， T为vaule的hash 表。
在SideTables中，T就是SideTable类型的数据。
我们来看一下SideTable的具体结构：

SideTable

我们截取SideTable部分源码进行分析：

SideTable.png
可以看到，SideTable的定义很简单，包括三个成员。接下来我们具体分析一下这三个成员。

spinlock_t slock

spinlock_t的底层是os_unfair_lock类型的锁，主要作用就是防止线程冲突。这里不做过多分析。

RefcountMap 引用计数表

RefcountMap 用来存储OC对象的引用计数。它实质上是一个以objc_object为key的散列表，其vaule就是OC对象的引用计数。同时，当OC对象的引用计数变为0时，会自动将相关的信息从散列表中剔除。RefcountMap的定义如下：

RefcountMap.png
实质上是模板类型objc::DenseMap。模板的三个类型参数DisguisedPtr<objc_object>、size_t、true 分别表示DenseMap的 key类型、value类型、是否需要在value == 0 的时候自动释放掉响应的hash节点，这里是true。

我们在iOS底层原理探索 — 内存管理(一)一文中讲到，底层调用rootRetainCount方法，内部会做一系列的引用计数操作。读者可以结合上文讲述的RefcountMap 引用计数表回顾一下，本文就不在做赘述。

weak_table_t 弱引用表

弱引用表weak_table_t就是用来存储OC对象弱引用的相关信息。我们知道，SideTables一共只有64个节点，而在我们的APP中，一般都会不只有64个对象，因此，多个对象一定会重用同一个SideTable节点，也就是说，一个weak_table会存储多个对象的弱引用信息。因此在一个SideTable中，又会通过weak_table作为hash表再次分散存储每一个对象的弱引用信息。
我们来看一下weak_table_t的结构：

weak_table_t.png
通过官方注释可以看出，weak_table_t是一个全局弱引用表。将对象id存储为key，将weak_entry_t结构存储为value。
通过源码可以看到，成员weak_entries实质上是一个hash数组，数组中存储weak_entry_t类型的元素。我们重点来分析一下weak_entry_t，我们先看一下源码：

// The address of a __weak variable.
// These pointers are stored disguised so memory analysis tools
// don't see lots of interior pointers from the weak table into objects.
typedef DisguisedPtr<objc_object *> weak_referrer_t;

#if __LP64__
#define PTR_MINUS_2 62
#else
#define PTR_MINUS_2 30
#endif

/**
 * The internal structure stored in the weak references table. 
 * It maintains and stores
 * a hash set of weak references pointing to an object.
 * If out_of_line_ness != REFERRERS_OUT_OF_LINE then the set
 * is instead a small inline array.
 */
#define WEAK_INLINE_COUNT 4

// out_of_line_ness field overlaps with the low two bits of inline_referrers[1].
// inline_referrers[1] is a DisguisedPtr of a pointer-aligned address.
// The low two bits of a pointer-aligned DisguisedPtr will always be 0b00
// (disguised nil or 0x80..00) or 0b11 (any other address).
// Therefore out_of_line_ness == 0b10 is used to mark the out-of-line state.
#define REFERRERS_OUT_OF_LINE 2

struct weak_entry_t {
    DisguisedPtr<objc_object> referent; // 被弱引用的对象
    
    // 引用该对象的对象列表。 当引用个数小于4时，用inline_referrers数组。 引用个数大于4时，用动态数组weak_referrer_t *referrers
    union {
        struct {
            weak_referrer_t *referrers;                      // 弱引用该对象的对象列表的动态数组
            uintptr_t        out_of_line_ness : 2;           // 是否使用动态数组标记位
            uintptr_t        num_refs : PTR_MINUS_2;         // 动态数组中元素的个数
            uintptr_t        mask;                           // 用于hash确定动态数组index，值实际上是动态数组空间长度-1
            uintptr_t        max_hash_displacement;          // 最大的hash冲突次数
     
        };
        struct {
            // out_of_line_ness field is low bits of inline_referrers[1]
            weak_referrer_t  inline_referrers[WEAK_INLINE_COUNT];
        };
    };

    bool out_of_line() {
        return (out_of_line_ness == REFERRERS_OUT_OF_LINE);
    }
    //赋值方法
    weak_entry_t& operator=(const weak_entry_t& other) {
        memcpy(this, &other, sizeof(other));
        return *this;
    }
    // 构造方法，里面初始化了静态数组
    weak_entry_t(objc_object *newReferent, objc_object **newReferrer)
        : referent(newReferent)
    {
        inline_referrers[0] = newReferrer;
        for (int i = 1; i < WEAK_INLINE_COUNT; i++) {
            inline_referrers[i] = nil;
        }
    }
};

下面具体解释一下weak_entry_t中所有成员的含义：

DisguisedPtr<objc_object> referent：弱引用对象指针摘要。其实可以理解为弱引用对象的指针，只不过这里使用了摘要的形式存储。（所谓摘要，其实是把地址取负）。

union ：引用该对象的对象列表，有两种形式：

定长数组inline_referrers[WEAK_INLINE_COUNT]

动态数组 referrers。
这两个数组是用来存储弱引用该对象的指针的指针的，同样也使用了指针摘要的形式存储。当弱引用该对象的指针数目小于等于WEAK_INLINE_COUNT时，使用定长数组。当超过WEAK_INLINE_COUNT时，会将定长数组中的元素转移到动态数组中，并之后都是用动态数组存储。

bool out_of_line()：该方法用来判断当前的weak_entry_t是使用的定长数组还是动态数组。当返回true，此时使用的动态数组；当返回false，使用定长数组。

referrers数组里面存储的元素是weak_referrer_t类型，弱引用该对象的指针的指针，以指针摘要的形式存储的。

至此，我们对SideTables的结构有了大致的了解，下面一张图来概括一下：

SideTables结构示意图.png

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