iOS底层原理探索—关联对象的本质

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今天继续带领大家探索iOS之关联对象的本质。

我们在iOS底层原理探索— Category的本质(一)中提到过在iOS中分类不能直接添加成员变量。在分类中添加的属性并不会帮助我们自动生成成员变量，只会生成set、get方法的声明，需要我们自己去实现。，下面我们验证一下：

我们创建一个本类Person，在类中声明int类型的age属性，然后创建一个Person的分类，并在分类中声明int类型的weight属性，然后在main.m文件中导入分类的头文件，创建一个Person的对象，给age和weight属性赋值，并且打印两个属性值：

测试代码.png

通过编译运行，我们发现程序崩溃，崩溃信息就是就找不到Person的setWeight方法。而且程序在分类中报出两个警告，找不到Person分类的setWeight方法和weight方法，从而验证我们上面的结论。

分类属性崩溃信息.png
分类声明属性警告.png

这时可能会有人提出，既然系统没有为我们生成set、get方法的实现，那我们手动实现set、get方法的实现不就可以了吗？我们继续验证一下这个方法可不可行：

我们在分类的.m文件中声明全局变量_weight，并实现set、get方法，然后运行程序：

手动实现set方法.png

通过运行我们发现确实完成了赋值并打印出结果，但是这样有一个问题不知道大家有没有发现，我们声明的全局变量_weight，无论对象创建与销毁，只要程序在运行_weight变量就存在。如果我们再创建一个新的Person对象，给weight赋不同的值，那么之前我们创建的person对象的weight属性的值也会改变：

声明全局变量后测试.png
通过打印看到，我们新创建一个Person对象student，赋值后打印之前创建的person对象属性值发现，person对象的weight属性的值已经改变了。

手动添加set、get方法实现的办法失败了，那我们可不可以通过runtime的一些方式间接实现添加成员变量的效果呢？答案是可以的，下面就给大家介绍关联对象的方法。

关联对象

在OC中，runtime提供了动态添加属性和获得属性的API：objc_setAssociatedObject、objc_getAssociatedObject，下面我们用代码来演示一下具体使用方法：

关联对象语法测试.png
通过关联对象我们很容易就实现了给分类添加成员变量，我们来分析一下具体的使用。

添加关联对象

objc_setAssociatedObject(id object, const void *key, id value, objc_AssociationPolicy policy);

/*  参数解读
* object : 给哪个对象添加属性。这里要给自己添加属性，用self。
* key : 属性名，根据key获取关联对象的属性的值。传入一个指针即可。在objc_getAssociatedObject中通过次key获得属性的值并返回。
* value : 关联的值，也就是通过set方法传入的值给属性。
* policy : 策略，属性以什么形式保存。
*/

其中参数policy对应的是枚举值：

typedef OBJC_ENUM(uintptr_t, objc_AssociationPolicy) {
    // 指定一个弱引用相关联的对象    
    OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN = 0,      
    // 指定相关对象的强引用，非原子性
    OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC = 1, 
    // 指定相关的对象被复制，非原子性    
    OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC = 3,  
    // 指定相关对象的强引用，原子性    
    OBJC_ASSOCIATION_RETAIN = 01401,  
    // 指定相关的对象被复制，原子性       
    OBJC_ASSOCIATION_COPY = 01403     
};

分别对应的修饰符为：

objc_AssociationPolicy.png

获得关联对象

objc_getAssociatedObject(id object, const void *key);
/*  参数解读
* object : 获取哪个对象里面的关联的属性。
* key : 属性，与objc_setAssociatedObject中的key相对应，即通过key值取出value。

移除所有关联对象

- (void)removeAssociatedObjects
{
   // 移除所有关联对象
   objc_removeAssociatedObjects(self);
}

至此我们就了解了关联对象以及如何使用关联对象。下面我们从底层源码来进一步了解关联对象的实现原理。

关联对象实现原理

添加关联对象

我们在runtime源码中找到objc_setAssociatedObject函数：

objc_setAssociatedObject.png
函数内部调用_object_set_associative_reference函数，我们继续追踪_object_set_associative_reference函数的实现： _object_set_associative_reference.png

通过红框标注我们找到了4个对象，其实这4个对象就是实现关联对象技术的核心对象：
AssociationsManager
AssociationsHashMap
ObjectAssociationMap
ObjcAssociation

我们分别进入这4个对象内部查看它们之间的关系：

AssociationsManager

通过AssociationsManager内部源码发现，其内部有一个AssociationsHashMap对象：

AssociationsManager.png

AssociationsHashMap

我们继续查看AssociationsHashMap内部的源码。发现AssociationsHashMap继承自unordered_map(均由红框标注):

AssociationsHashMap.png
我们看到里面还包括黄框标注的ObjectAssociationMap。我们先继续查看unordered_map内部源码：
unordered_map内源码.png

从unordered_map源码中我们可以看出_Key和_Tp也就是前两个参数对应着map中的Key和Value，那么对照上面AssociationsHashMap内源码发现_Key中传入的是disguised_ptr_t，_Tp传入的值则为ObjectAssociationMap*(AssociationsHashMap图中用红线标注)。

同样我们来到黄框标注ObjectAssociationMap中，发现ObjectAssociationMap中同样也是奖ObjcAssociation以参数形式传入，并以key、Value的方式存储着ObjcAssociation(AssociationsHashMap图中用黄线标注)。

我们继续来到ObjcAssociation源码中查看：

ObjcAssociation.png
我们发现ObjcAssociation存储着_policy、_value，而这两个值我们发现正是我们调用添加关联对象objc_setAssociatedObject函数传入的值。也就是说我们在调用objc_setAssociatedObject函数中传入的value和policy这两个值最终是存储在ObjcAssociation中的。

现在我们已经对AssociationsManager、 AssociationsHashMap、 ObjectAssociationMap、ObjcAssociation四个对象之间的关系有了简单的认识，那么接下来我们回到objc_setAssociatedObject源码，具体查看一下objc_setAssociatedObject函数中传入的四个参数究竟做了哪些操作：

执行顺序.png
图中1标注，首先根据传入的value经过acquireValue函数处理获取new_value。acquireValue函数内部其实是通过对策略的判断返回不同的值:
acquireValue.png
图中2标注，创建AssociationsManager类型的manager,拿到manager内部的AssociationsHashMap，即associations。
图中3标注，传入的object参数经过DISGUISE函数被转化为了disguised_ptr_t类型的disguised_object。
其实DISGUISE函数内部只是对object做了位运算：
DISGUISE.png
图中4标注，我们看到被处理成new_value的value，和policy一起被存入了ObjcAssociation中。而ObjcAssociation对应我们传入的key被存入了ObjectAssociationMap中。disguised_object和ObjectAssociationMap则以key-value的形式对应存储在associations中也就是AssociationsHashMap中。

如果我们value传入nil的话则会执行图中5标注的代码。

我们将以上分析用一张示意图来展示：

objc_setAssociatedObject示意图.png

分析到这里我们可以总结出：一个实例对象就对应一个ObjectAssociationMap，而ObjectAssociationMap里面存储着多个此实例对象的关联对象的key以及ObjcAssociation，ObjcAssociation中存储着关联对象的value和policy。
我们也可以得出结论：关联对象并不是放在了原来的对象里面，而是自己维护了一个全局的map用来存放每一个对象及其对应关联属性。

获得关联对象

我们进入objc_getAssociatedObject函数内部查看，发现其内部调用的是_object_get_associative_reference函数：

objc_getAssociatedObject.png
进入_object_get_associative_reference函数查看：
_object_get_associative_reference.png
分析源码可知，先拿到AssociationsManager中的AssociationsHashMap，在里面查找disguised_object，即我们传入的object参数，如果存在就取出ObjectAssociationMap，并在ObjectAssociationMap中查找key对应的value，即ObjcAssociation，然后再ObjcAssociation中取出value和policy，最后返回value。

移除关联对象

通过调用objc_removeAssociatedObjects用来删除所有的关联对象。其内部调用的是_object_remove_assocations函数。我们直接查看_object_remove_assocations函数内部源码：

_object_remove_assocations.png
大概逻辑就是遍历所有ObjectAssociationMap，然后进行delete删除操作。

当然，即使我们没有调用移除关联对象的方法，在对象销毁的时候，对应的关联对象也会被销毁。因为在dealloc执行的时候，底层会检查是否有关联对象。

至此我们就完成了关联对象的底层探索，如有疑问欢迎大家留言。

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