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，並在引用對象被釋放的時候自動被設置爲nil。通常用於解決循環引用問題。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的原理是什麼呢？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，用於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，然後遍歷這個數組把其中的數據設爲nil，最後把這個entry從weak表中刪除，最後清理對象的記錄。
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);
而對於 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），這裏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將被註冊爲一個指向value的__weak對象。而這事應該是objc_storeWeak函數乾的。
注意：objc_initWeak函數有一個前提條件：就是object必須是一個沒有被註冊爲__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麼。
1)、SideTable
SideTable 這個結構體，我給他起名引用計數和弱引用依賴表，因爲它主要用於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;
}
對於 slock 和 refcnts 兩個成員不用多說，第一個是爲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（對於對象結果，在今後的文中提到）。這裏主要看 weak 全局 hash 表的結構與作用。
2)、weak表
weak表是一個弱引用表，實現爲一個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爲 key ，用 weak_entry_t 類型結構體對象作爲 value 。其中的 weak_entries 成員，從字面意思上看，即爲弱引用表入口。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。從註釋中寫 out_of_line 成員爲最低有效位，當其爲0的時候， weak_referrer_t 成員將擴展爲多行靜態 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，用下標作爲 hash 的 key，做成了一個弱引用散列。
那麼在有效位未生效的時候，out_of_line 、 num_refs、 mask 、 max_hash_displacement 有什麼作用？以下是筆者自身的猜測：
out_of_line：最低有效位，也是標誌位。當標誌位 0 時，增加引用表指針緯度。
num_refs：引用數值。這裏記錄弱引用表中引用有效數字，因爲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於零的，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，並且表數量爲 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，並且其中對於 [] 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，這裏使用了 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，並且其中也有訪問全局弱引用表的入口。
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舊對象解除註冊操作 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，稱之爲解除註冊操作。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，就是針對於 weak_entry 中的多張弱引用散列表。
新對象添加註冊操作 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註冊操作，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，然後遍歷這個數組把其中的數據設爲nil，最後把這個entry從weak表中刪除，最後清理對象的記錄。
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、因爲對象的引用計數爲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、最後調用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，然後調用weak_clear_no_lock,然後查找對應的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爲鍵值的記錄
2、將包含在記錄中的所有附有 weak修飾符變量的地址，賦值爲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爲鍵值的記錄
看了objc-weak.mm的源碼就明白了：其實Weak表是一個hash（哈希）表，然後裏面的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的生命週期：具體實現方法
本文爲轉載文章，原文出處