[iOS] 内存管理-引用计数
2021-04-09 本文已影响0人
沉江小鱼
isa结构分析中有提到对象的引用计数会存储到isa中，这篇文章来具体分析一下对象引用计数的存储操作。
1. ARC 自动引用计数
自动引用计数（Automatic Reference Count），也就是我们常说的 ARC，也是目前 OC 中使用的内存管理计数，这里就不做赘述了。
ARC 的工作原理大致是这样的：当我们编译源码的时候，编译器会分析源码中每个对象的生命周期，然后基于这些对象的生命周期，来添加相应的引用计数操作代码。所以，ARC 是工作在编译期的一种技术方案。
在编译之后，ARC 与MRC 代码是没有什么区别的，所以二者可以在源码中共存。相对于垃圾回收这类内存管理方案，ARC 不会带来运行时的额外开销，所以对于应用的运行效率不会有影响。相反，由于 ARC 能够深度分析每一个对象的生命周期，它能够做到比人工管理引用计数更加高效。
2. 获取对象的引用计数
调用方法如下：
uintptr_t
_objc_rootRetainCount(id obj)
{
ASSERT(obj);
return obj->rootRetainCount();
}
⏬
inline uintptr_t
objc_object::rootRetainCount()
{
if (isTaggedPointer()) return (uintptr_t)this;
sidetable_lock();
isa_t bits = LoadExclusive(&isa.bits);
ClearExclusive(&isa.bits);
// 如果是优化过的isa
if (bits.nonpointer) {
uintptr_t rc = 1 + bits.extra_rc;
if (bits.has_sidetable_rc) {
rc += sidetable_getExtraRC_nolock();
}
sidetable_unlock();
return rc;
}
sidetable_unlock();
return sidetable_retainCount();
}
从rootRetainCount()方法中可以看出：
- 会先判断当前对象是否为
TaggedPointer，如果是，则直接将自身指针作为引用计数返回，这个判断在很多地方都会用到，在之后会进行详细介绍 - 如果是优化过的
isa，引用计数 = bits.extra_rc + 1 + sidetable_getExtraRC_nolock(如果bits.has_sidetable_rc为true) - 如果是未优化过的
isa，引用计数 = sidetable_retainCount
接下来我们去看下sidetable_getExtraRC_nolock() 和 sidetable_retainCount()方法。
2.1 sidetable_getExtraRC_nolock()
被优化过的isa，会调用sidetable_getExtraRC_nolock方法获取存储在SideTable中的引用计数，该方法的代码实现如下：
size_t
objc_object::sidetable_getExtraRC_nolock()
{
ASSERT(isa.nonpointer);
SideTable& table = SideTables()[this];
RefcountMap::iterator it = table.refcnts.find(this);
if (it == table.refcnts.end()) return 0;
else return it->second >> SIDE_TABLE_RC_SHIFT;
}
从代码实现中可以看到对象的引用计数也会在SideTable中进行存储，会从SideTables中取出对象对应的SideTable，然后遍历table的refcnts。
这里的refcnts属性就是存储引用计数的散列表，如下：
typedef objc::DenseMap RefcountMap;
🔽
struct SideTable {
spinlock_t slock;
RefcountMap refcnts;
weak_table_t weak_table;
...
};
需要注意的是，这里把键值对的值做了向右移位操作：it->second >> SIDE_TABLE_RC_SHIFT:
#ifdef __LP64__
# define WORD_SHIFT 3UL
# define WORD_MASK 7UL
# define WORD_BITS 64
#else
# define WORD_SHIFT 2UL
# define WORD_MASK 3UL
# define WORD_BITS 32
#endif
#define SIDE_TABLE_WEAKLY_REFERENCED (1UL<<0)
#define SIDE_TABLE_DEALLOCATING (1UL<<1) // MSB-ward of weak bit
#define SIDE_TABLE_RC_ONE (1UL<<2) // MSB-ward of deallocating bit
#define SIDE_TABLE_RC_PINNED (1UL<<(WORD_BITS-1))
#define SIDE_TABLE_RC_SHIFT 2
#define SIDE_TABLE_FLAG_MASK (SIDE_TABLE_RC_ONE-1)
可以看出SIDE_TABLE_WEAKLY_REFERENCED 值为1UL<<0，用第一个bit位标识对象是否有过weak对象，SIDE_TABLE_DEALLOCATING 值为1UL<<1，第二个bit位标识对象是否正在释放，所以从第三个 bit 位开始才是存储引用计数数值的地方，所以这里要做向右移两位的操作。而对引用计数的 +1 和 -1 使用SIDE_TABLE_RC_ONE进行操作，用SIDE_TABLE_RC_PINNED 来判断是否引用计数值有可能溢出。
2.2 sidetable_retainCount()
没有被优化过的isa，则会调用sidetable_retainCount方法，代码如下：
uintptr_t
objc_object::sidetable_retainCount()
{
SideTable& table = SideTables()[this];
size_t refcnt_result = 1;
table.lock();
RefcountMap::iterator it = table.refcnts.find(this);
if (it != table.refcnts.end()) {
// this is valid for SIDE_TABLE_RC_PINNED too
refcnt_result += it->second >> SIDE_TABLE_RC_SHIFT;
}
table.unlock();
return refcnt_result;
}
该方法会获取存储在 SideTable中的引用计数，然后+1，即为对象的引用计数，操作和上面那个方法类似。
3. retain操作
在调用retain方法时，最终会调用到rootRetain这个方法，源码如下：
// 两个参数都是 false false
ALWAYS_INLINE id
objc_object::rootRetain(bool tryRetain, bool handleOverflow)
{
// 判断是否为 TaggedPointer
if (isTaggedPointer()) return (id)this;
// 默认不加锁，也就是默认不使用 sideTable
bool sideTableLocked = false;
// 是否需要将引用计数存到 sideTable
bool transcribeToSideTable = false;
// 需要对引用计数+1，即 retainCount + 1，而引用计数存储在 isa 的 bits 中，需要进行新旧 isa 的替换
isa_t oldisa;
isa_t newisa;
do {
transcribeToSideTable = false;
// 通过 LoadExclusive 方法加载 isa 的值，并加锁
oldisa = LoadExclusive(&isa.bits);
newisa = oldisa;
// 如果isa没有被优化过，slowpath表示为小概率事件
if (slowpath(!newisa.nonpointer)) {
// 解锁
ClearExclusive(&isa.bits);
// rawISA() = (Class)isa.bits，如果当前对象 isa 指向元类，直接返回
if (rawISA()->isMetaClass()) return (id)this;
// 如果不需要 retain 对象，且 sideTable 已经上锁，则解锁
if (!tryRetain && sideTableLocked) sidetable_unlock();
// sidetable_tryRetain 尝试对引用计数器进行+1的操作 返回+1操作是否成功，这里 tryRetain 为 fasle
if (tryRetain) return sidetable_tryRetain() ? (id)this : nil;
// 将sidetable中保存的引用计数+1同时返回引用计数
else return sidetable_retain();
}
// don't check newisa.fast_rr; we already called any RR overrides
// 判断isa 是否正在销毁
if (slowpath(tryRetain && newisa.deallocating)) {
ClearExclusive(&isa.bits);
if (!tryRetain && sideTableLocked) sidetable_unlock();
return nil;
}
// 标记引用计数是否溢出
// 之前文章中介绍过,isa的ectra_rc在 x86_64架构下占 8 位，也就是最多存储 255，之后如果再 addc，就会发生溢出，在溢出之后，将会拿 2 的 7 次方存储到散列表中，newisa.extra_rc 回到 128
uintptr_t carry;
newisa.bits = addc(newisa.bits, RC_ONE, 0, &carry); // extra_rc++
// 如果溢出了
if (slowpath(carry)) {
// newisa.extra_rc++ overflowed
if (!handleOverflow) {
ClearExclusive(&isa.bits);
return rootRetain_overflow(tryRetain);
}
// Leave half of the retain counts inline and
// prepare to copy the other half to the side table.
// 保留 isa 中 extra_rc一半的值，将另一半存到 sideTable 中
if (!tryRetain && !sideTableLocked) sidetable_lock();
sideTableLocked = true;
transcribeToSideTable = true;
// 重新设置为 2 的 7 次方，x86_64下 # define RC_HALF (1ULL<<7)
newisa.extra_rc = RC_HALF;
newisa.has_sidetable_rc = true;
}
// while循环开始 直到 isa.bits 中的值被成功更新成 newisa.bits
// 将更新后的newisa的值更新到isabit中
} while (slowpath(!StoreExclusive(&isa.bits, oldisa.bits, newisa.bits)));
// 如果需要转移引用计数到sidetable中
if (slowpath(transcribeToSideTable)) {
// Copy the other half of the retain counts to the side table.
// 拷贝一半引用计数进散列表
sidetable_addExtraRC_nolock(RC_HALF);
}
if (slowpath(!tryRetain && sideTableLocked)) sidetable_unlock();
return (id)this;
}
如果isa是没有被优化过的，需要将 sideTable存储的引用计数+1，方法为：sidetable_retain，源码如下：
// 将 SideTable 表中的引用计数 +1
id
objc_object::sidetable_retain()
{
#if SUPPORT_NONPOINTER_ISA
ASSERT(!isa.nonpointer);
#endif
// 根据对象获取 存储引用计数的sidetable
SideTable& table = SideTables()[this];
table.lock();
// 获取sidetable中存储的引用计数值
size_t& refcntStorage = table.refcnts[this];
// 如果引用计数值没有溢出
if (! (refcntStorage & SIDE_TABLE_RC_PINNED)) {
// 引用计数值+SIDE_TABLE_RC_ONE
// #define SIDE_TABLE_RC_ONE (1UL<<2)
refcntStorage += SIDE_TABLE_RC_ONE;
}
table.unlock();
return (id)this;
}
方法中将引用计数+1，实际上是加了SIDE_TABLE_RC_ONE，值为1UL << 2，这个我们在上面提到过，这是因为是从第3 位才开始存储引用计数的，第 1、2 位用来标记是否被弱引用，是否处于销毁状态。
3.1 sidetable_addExtraRC_nolock
上面说到会将 RC_HALF的值存储到SideTable中，该方法代码如下：
bool
objc_object::sidetable_addExtraRC_nolock(size_t delta_rc)
{
ASSERT(isa.nonpointer);
// 获取对象对应的 SideTable
SideTable& table = SideTables()[this];
// 获取当前存储的引用计数
size_t& refcntStorage = table.refcnts[this];
// 赋值给旧的
size_t oldRefcnt = refcntStorage;
// isa-side bits should not be set here
ASSERT((oldRefcnt & SIDE_TABLE_DEALLOCATING) == 0);
ASSERT((oldRefcnt & SIDE_TABLE_WEAKLY_REFERENCED) == 0);
if (oldRefcnt & SIDE_TABLE_RC_PINNED) return true;
//引用计数也溢出判断参数
uintptr_t carry;
// delta_rc左移两位，右边的两位分别用来记录DEALLOCATING(销毁ing） 跟WEAKLY_REFERENCED(弱引用计数)
size_t newRefcnt =
addc(oldRefcnt, delta_rc << SIDE_TABLE_RC_SHIFT, 0, &carry);
//如果sidetable也溢出了。
if (carry) {
// 如果是32位的情况 SIDE_TABLE_RC_PINNED = 1<< (32-1)
// int的最大值 SIDE_TABLE_RC_PINNED = 2147483648
// SIDE_TABLE_FLAG_MASK = 3
// refcntStorage = 2147483648 | (oldRefcnt & 3)
// 如果溢出，直接把refcntStorage 设置成最大值
refcntStorage =
SIDE_TABLE_RC_PINNED | (oldRefcnt & SIDE_TABLE_FLAG_MASK);
return true;
}
else {
refcntStorage = newRefcnt;
return false;
}
}
4. release 操作
对象的release方法，最终会调用到rootRelease方法，代码如下：
// // 两个参数分别是 是否需要调用dealloc函数，是否需要处理 向下溢出的问题
ALWAYS_INLINE bool
objc_object::rootRelease(bool performDealloc, bool handleUnderflow)
{
// 如果是TaggedPointer 不需要进行release操作
if (isTaggedPointer()) return false;
// 局部变量sideTable是否上锁 默认false
bool sideTableLocked = false;
// 用来记录这个对象的 isa 指针
isa_t oldisa;
isa_t newisa;
retry:
do {
// 加载 isa
oldisa = LoadExclusive(&isa.bits);
newisa = oldisa;
// isa是否为nonpointer
if (slowpath(!newisa.nonpointer)) {
ClearExclusive(&isa.bits);
// isa 指向元类，说明当前为类对象，不需要 release
if (rawISA()->isMetaClass()) return false;
if (sideTableLocked) sidetable_unlock();
// 调用 sidetable_release 进行引用计数-1 操作
return sidetable_release(performDealloc);
}
// don't check newisa.fast_rr; we already called any RR overrides
// 判断溢出，也就是判断是否向下溢出，结果成为负数了
uintptr_t carry;
// 进行引用计数 -1 操作，即 extra_rc - 1
newisa.bits = subc(newisa.bits, RC_ONE, 0, &carry); // extra_rc--
if (slowpath(carry)) {
// don't ClearExclusive()
// 调用 underflow 进行向下溢出的处理
goto underflow;
}
// 开启循环，直到 isa.bits 中的值被成功更新成 newisa.bits
} while (slowpath(!StoreReleaseExclusive(&isa.bits,
oldisa.bits, newisa.bits)));
// 到这里，说明引用计数-1 已经完成了
if (slowpath(sideTableLocked)) sidetable_unlock();
return false;
underflow:
// newisa.extra_rc-- underflowed: borrow from side table or deallocate
// newisa 的 extra_rc 在执行-1 操作之后成为负数了，也就是向下溢出
// abandon newisa to undo the decrement
// 这里重新赋值，不用 extra_rc 中减了，从 sideTable 中减
newisa = oldisa;
// 判断是否在 sideTable 中存储了引用计数
if (slowpath(newisa.has_sidetable_rc)) {
// 判断是否需要处理向下溢出
if (!handleUnderflow) {
ClearExclusive(&isa.bits);
// 如果不需要处理下溢 直接调用 rootRelease_underflow方法
return rootRelease_underflow(performDealloc);
}
// Transfer retain count from side table to inline storage.
if (!sideTableLocked) {
ClearExclusive(&isa.bits);
sidetable_lock();
sideTableLocked = true;
// Need to start over to avoid a race against
// the nonpointer -> raw pointer transition.
goto retry;
}
// Try to remove some retain counts from the side table.
// 从散列表中取出存储的一半引用计数
size_t borrowed = sidetable_subExtraRC_nolock(RC_HALF);
// To avoid races, has_sidetable_rc must remain set
// even if the side table count is now zero.
// 为了避免冲突 has_sidetable_rc 标志位必须保留1的状态，即使sidetable中的个数为0
if (borrowed > 0) {
// Side table retain count decreased.
// Try to add them to the inline count.
// 进行 -1 操作，然后存储到 extra_rc 中
newisa.extra_rc = borrowed - 1; // redo the original decrement too
// 然后将修改同步到isa中
bool stored = StoreReleaseExclusive(&isa.bits,
oldisa.bits, newisa.bits);
if (!stored) {
// Inline update failed.
// Try it again right now. This prevents livelock on LL/SC
// architectures where the side table access itself may have
// dropped the reservation.
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);
}
}
}
if (!stored) {
// Inline update failed.
// Put the retains back in the side table.
sidetable_addExtraRC_nolock(borrowed);
goto retry;
}
// Decrement successful after borrowing from side table.
// This decrement cannot be the deallocating decrement - the side
// table lock and has_sidetable_rc bit ensure that if everyone
// else tried to -release while we worked, the last one would block.
sidetable_unlock();
return false;
}
else {
// Side table is empty after all. Fall-through to the dealloc path.
// 在从Side table拿出一部分引用计数之后 Side table为空
}
}
// Really deallocate.
//此时extra_rc中值为0，散列表中也是空的，则直接进行析构，即自动触发dealloc流程
// Really deallocate.
//触发dealloc的时机
if (slowpath(newisa.deallocating)) {
ClearExclusive(&isa.bits);
if (sideTableLocked) sidetable_unlock();
return overrelease_error();
// does not actually return
}
// 将对象被释放的标志位置为true
newisa.deallocating = true;
// 将newisa同步到isa中 如果失败 进行重试
if (!StoreExclusive(&isa.bits, oldisa.bits, newisa.bits)) goto retry;
if (slowpath(sideTableLocked)) sidetable_unlock();
__c11_atomic_thread_fence(__ATOMIC_ACQUIRE);
// 如果需要执行dealloc方法 那么调用该对象的dealloc方法
if (performDealloc) {
//发送一个dealloc消息
((void(*)(objc_object *, SEL))objc_msgSend)(this, @selector(dealloc));
}
return true;
}
4.1 sidetable_release方法
当 isa没有被优化时，-1操作实际上操作的是SideTable中存储的值，源码如下：
uintptr_t
objc_object::sidetable_release(bool performDealloc)
{
#if SUPPORT_NONPOINTER_ISA
ASSERT(!isa.nonpointer);
#endif
SideTable& table = SideTables()[this];
bool do_dealloc = false;
table.lock();
auto it = table.refcnts.try_emplace(this, SIDE_TABLE_DEALLOCATING);
auto &refcnt = it.first->second;
// 如果当前对象之前不存在 map 中
if (it.second) {
do_dealloc = true;
} else if (refcnt < SIDE_TABLE_DEALLOCATING) {
// 如果引用计数的值小于 SIDE_TABLE_DEALLOCATING = 2(0010)
// 这个对象需要被销毁
// SIDE_TABLE_WEAKLY_REFERENCED may be set. Don't change it.
do_dealloc = true;
refcnt |= SIDE_TABLE_DEALLOCATING;
} else if (! (refcnt & SIDE_TABLE_RC_PINNED)) {
// 如果引用计数有值且未溢出那么-1
refcnt -= SIDE_TABLE_RC_ONE;
}
table.unlock();
// 如果需要执行dealloc 那么就调用这个对象的dealloc
if (do_dealloc && performDealloc) {
((void(*)(objc_object *, SEL))objc_msgSend)(this, @selector(dealloc));
}
return do_dealloc;
}
5. 总结
主要是记录了 ARC的实现原理，以及对于引用计数的获取和 retain&release操作，还有当retain时，extra_rc不足以存储引用计数时，如何将一部分引用计数存储到SideTable中的，release时，如果extra_rc为负数时，如何将存储到SideTable中的引用计数又转回到extra_rc中的。
