iOS开发进阶：retain、release、dealloc

一、Tagged Pointer细节探究

苹果为了提高执行效率和节省内存，引入了Tagged Pointer的概念，对于64位程序来说可以达到3倍的访问速度和100多倍的创建销毁的速度。支持Tagged Pointer的类型以某种方式创建后便是Tagged Pointer指针，这种特殊的指针包括了数据内容和附加信息，访问的时候可以通过指针地址解码获得。

在objc源码中定义了全部的支持Tagged Pointer的类型，常用的类型摘录如下，如NSString、NSNumber、NSIndexPath、NSDate、UIColor、NSIndexSet等：

...// 60-bit payloads
OBJC_TAG_NSString          = 2, 
OBJC_TAG_NSNumber          = 3, 
OBJC_TAG_NSIndexPath       = 4, 
OBJC_TAG_NSManagedObjectID = 5, 
OBJC_TAG_NSDate            = 6,
...// 52-bit payloads
OBJC_TAG_UIColor           = 17,
OBJC_TAG_CGColor           = 18,
OBJC_TAG_NSIndexSet        = 19,
OBJC_TAG_NSMethodSignature = 20,

先来看如下代码的打印结果:

NSString *str1 = @"abcd";
NSString *str2 = [[NSString alloc] initWithString:str1];
NSString *str3 = [[NSString alloc] initWithFormat:@"%@", str1];
NSString *str4 = [[NSString alloc] initWithFormat:@"%@-%@-%@", str1,str1,str1];
NSLog(@"str1=%@, ptr=%p, class=%@;", str1, str1, [str1 class]);
NSLog(@"str2=%@, ptr=%p, class=%@;", str2, str2, [str2 class]);
NSLog(@"str3=%@, ptr=%p, class=%@;", str3, str3, [str3 class]);
NSLog(@"str4=%@, ptr=%p, class=%@;", str4, str4, [str4 class]);

打印结果:

str1=abcd, ptr=0x1020fc9d0, class=__NSCFConstantString;
str2=abcd, ptr=0x1020fc9d0, class=__NSCFConstantString;
str3=abcd, ptr=0xa1e53d6849de69de, class=NSTaggedPointerString;
str4=abcd-abcd-abcd, ptr=0x283195de0, class=__NSCFString;

• 打印结果中str3的真实类型为NSTaggedPointerString。str1、str2的真实类型为__NSCFConstantString。str4的真实类型为__NSCFString。通过打印superclass找到了他们之间的继承关系，其中NSTaggedPointerString是NSString的子类。
  
• 打印结果可以看出，是否支持Tagged Pointer跟创建的方式和初始化的内容长度等也有关系。

先从这里入口，如何判断一个对象是不是支持Tagged Pointer?

static inline bool  _objc_isTaggedPointer(const void * _Nullable ptr){
    return ((uintptr_t)ptr & _OBJC_TAG_MASK) == _OBJC_TAG_MASK;
}

//而_OBJC_TAG_MASK的定义与架构平台相关，真机的_OBJC_TAG_MASK = (1UL<<63) ，也就是高1位是1就是Tagged Pointer指针。

#if __arm64__
#   define OBJC_SPLIT_TAGGED_POINTERS 1  //64位真机
#else
#   define OBJC_SPLIT_TAGGED_POINTERS 0
#endif

#if OBJC_SPLIT_TAGGED_POINTERS
#   define _OBJC_TAG_MASK (1UL<<63)   //真机：指针最高位为1
#elif OBJC_MSB_TAGGED_POINTERS
#   define _OBJC_TAG_MASK (1UL<<63)
#else
#   define _OBJC_TAG_MASK 1UL
# endif

为了避免开发人员直接从指针地址上直接获取到内容，我们直接通过指针取地址获取到的都是encode之后的，要想拿到真实的信息需要decode:

static inline void * _Nonnull _objc_encodeTaggedPointer(uintptr_t ptr){
    uintptr_t value = (objc_debug_taggedpointer_obfuscator ^ ptr);
#if OBJC_SPLIT_TAGGED_POINTERS
    if ((value & _OBJC_TAG_NO_OBFUSCATION_MASK) == _OBJC_TAG_NO_OBFUSCATION_MASK)
        return (void *)ptr;
    uintptr_t basicTag = (value >> _OBJC_TAG_INDEX_SHIFT) & _OBJC_TAG_INDEX_MASK;
    uintptr_t permutedTag = _objc_basicTagToObfuscatedTag(basicTag);
    value &= ~(_OBJC_TAG_INDEX_MASK << _OBJC_TAG_INDEX_SHIFT);
    value |= permutedTag << _OBJC_TAG_INDEX_SHIFT;
#endif
    return (void *)value;
}

static inline uintptr_t_objc_decodeTaggedPointer_noPermute(const void * _Nullable ptr){
    uintptr_t value = (uintptr_t)ptr;
#if OBJC_SPLIT_TAGGED_POINTERS
    if ((value & _OBJC_TAG_NO_OBFUSCATION_MASK) == _OBJC_TAG_NO_OBFUSCATION_MASK)
        return value;
#endif
    return value ^ objc_debug_taggedpointer_obfuscator;
}

encode的时候通过objc_debug_taggedpointer_obfuscator与指针地址按位异或，decode是objc_debug_taggedpointer_obfuscator 按位异或encode之后的值。而objc_debug_taggedpointer_obfuscator则是在应用启动时_read_images()->initializeTaggedPointerObfuscator()初始化的。在按位异或中相同为0，不同为1，如果objc_debug_taggedpointer_obfuscator的值为0则encode/decode前后的值应该相同。DisableTaggedPointerObfuscation==YES的时候初始化的objc_debug_taggedpointer_obfuscator=0,可以在scheme的环境变量中配置OBJC_DISABLE_TAG_OBFUSCATION==YES之后在调试更方便。
设置环境变量操作如下:

设置之后再次打印如上数据，其中str3的打印结果发生变化:str3=abcd, ptr=0x8000003231b130a2, class=NSTaggedPointerString;接下来按照官方说的方式去还原一下数据：

常用类型总结:

变量	地址	二进制地址	说明
[NSString stringWithFormat:@"abcd"]	0x8000003231b130a2	0B1-0000000000000000000000000110 0100011000110110001001100001-0100-010	最高位为1,最低3位2代表NSString类型，4-7位为4表示字符串长度
[NSString stringWithFormat:@"abcdefg"]	0xb3b332b231b130ba	0B1-0110011101100110011001010110 0100011000110110001001100001-0111-010	最高位为1,最低3位2代表NSString类型，4-7位为7表示字符串长度
[NSNumber numberWithChar:1]	0x8000000000000083	0B1-0000000000000000000000000000 0000000000000000000000000001-0000-011	最高位为1,最低3位3代表NSNumber类型，4-7位为0表示char型
[NSNumber numberWithShort:3]]	0x800000000000018b	0B1-0000000000000000000000000000 0000000000000000000000000011-0001-011	最高位为1,最低3位3代表NSNumber类型，4-7位为1表示short型
[NSNumber numberWithInt:7]	0x8000000000000393	0B1-0000000000000000000000000000 0000000000000000000000000111-0010-011	最高位为1,最低3位3代表NSNumber类型，4-7位为2表示int型
[NSNumber numberWithLong:52]	0x8000000000001a1b	0B1-0000000000000000000000000000 0000000000000000000000110100-0011-011	最高位为1,最低3位3代表NSNumber类型，4-7位为3表示long型
[NSIndexPath indexPathWithIndex:5]	0x8000000000002874	0B1-0000000000000000000000000000 0000000000000000000001010000-1110-100	最高位为1,最低3位4代表NSIndexPath类型
[NSDate date]	0x969db1df206a00a6	0B1-0010110100111011011000111011 1110010000001101010000000001-0100-110	最高位为1,最低3位6代表NSDate类型

采用Tagged Pointer存储的小对象，需要在类型、创建方式、内容长度等方面满足要求，简单老说就是数据内容、标识位和扩展信息需要在2^64位中能存储完整完整。我们在实际开发中不应该依赖这些细节，这些内容不同平台不一样，而且可能会经常改变。

二、retain/release的流程梳理

先看retain：

retain核心流程梳理如下：

• 1.首次进入rootRetain(tryRetain, variant)：参数tryRetain=false，variant=FastOrMsgSend。
• 2.如果是isTaggedPointer，则直接return this;反之继续3.
• 3.variant=FastOrMsgSend，执行objc_msgSend(this, @selector(retain)),继续4。
• 4.二次进入rootRetain(tryRetain, variant)：参数tryRetain=false，variant=Fast。
• 5.如果isa.nonpointer==0，执行sidetable_retain():引用计数全部全部存储在sidetable中；直接根据当前对象找到存储该对象的table，然后找到原有的refcntStorage+=SIDE_TABLE_RC_ONE即可。
• 6.如果isa.nonpointer==1，应用计数存储在isa.extra_rc和sidetable中。引用计数+1会优先添加到isa.extra_rc上。如果存满了，则先保存一半RC_HALF在extra_rc中，并标记has_sidetable_rc=true已使用引用计数表，处理完isa后更新isa的数据。再将另一半RC_HALF追加到sidetable中，保存到side_table的流程与2同。
• 7.retain的最后返回this指针。

源码中release的核心流程objc_object::rootRelease(bool performDealloc, objc_object::RRVariant variant)中，源码较多，这里梳理核心流程如下：
release核心流程梳理如下：

• 1.首次进入rootRelease(performDealloc, variant)：参数performDealloc=true, variant= FastOrMsgSend。
• 2.如果是isTaggedPointer，则直接return false;反之继续3。
• 3.variant=FastOrMsgSend，执行objc_msgSend)(this, @selector(release))，继续4。
• 4.二次进入rootRelease(performDealloc, variant)：参数performDealloc=true, variant= Fast。
• 5.如果isa.nonpointer==0，执行sidetable_release():引用计数全部存在sidetable中；根据当前的对象找到存储该对象引用计数的table，然后找到原有的refcnt -= SIDE_TABLE_RC_ONE;即可。满足dealloc条件的，继续执行dealloc流程。
• 6.如果isa.nonpointer==1，应用计数存储在isa.extra_rc和sidetable中。引用继续-1会先从isa.extra_rc上减。如果不够减了，会进入underflow流程7.
• 7.如果该对象有has_sidetable_rc，执行rootRelease_underflow流程，三次进入rootRelease(performDealloc, variant)：参数performDealloc=true, variant= Full。
• 8.执行auto borrow = sidetable_subExtraRC_nolock(RC_HALF);也就是问sidetable借RC_HALF，返回借到的数量和剩余的数量。
• 9.如果借到了则将借到的数量-1保存到isa.extrac_rc中。如果sidetable中剩余为0则标记isa.has_sidetable_rc=0,再存储新的isa.bits的数据。处理存储失败的情况。
• 10.如果没有借到或者根本就没有再sidetable中存储则执行dealloc相关流程。

小结：如果是Tagged Pointer小对象，没有占用堆空间分配内存，无需引用计数的管理，小对象的释放随着栈空间的回收而释放。常规对象，先判断有没开启isa优化(isa.nonpointer==0)，没有开启则对象的引用计数都存储在sidetable中，无论retain还是release都操作的是sidetable中的计数+1，-1,如果是release，则当计数为0的时候执行dealloc操作。如果开启了isa优化(isa.nonpointer==1),则对象的引用计数存储在isa.extra_rc和sidetable中，优先操作isa.extra_rc。retain操作isa.extra_rc++，当isa.extra_rc中存满255个后，就会分一半(1<<7)到sidetable中，并在isa中标记isa.has_sidetable_rc=1。而release操作isa.extra_rc--，当isa.extra_rc中不够减了，则会从sidetable中尝试借1<<7个，如果sidetable中被借了之后没有了会设置isa.has_sidetable_rc=0，借到的数据会加到isa.extra_rc中，方便后续使用。如果没有借到则执行dealloc操作。

三、dealloc流程梳理

先看看底层objc_object::rootDealloc函数：

inline void objc_object::rootDealloc(){
    if (isTaggedPointer()) return;  // fixme necessary?

    if (fastpath(isa.nonpointer                     &&
                 !isa.weakly_referenced             &&
                 !isa.has_assoc                     &&
#if ISA_HAS_CXX_DTOR_BIT
                 !isa.has_cxx_dtor                  &&
#else
                 !isa.getClass(false)->hasCxxDtor() &&
#endif
                 !isa.has_sidetable_rc)){
        assert(!sidetable_present());
        free(this);
    } 
    else {
        object_dispose((id)this);
    }
}

从这里可以看出如果一个对象是isTaggedPointer，那么这里什么事情都不做。然后再判断是否没有开启isa优化、是否没有被弱引用、是否没有关联对象、是否没有C++构造/析构函数、是否在sidetable中没有引用计数了，如果这些都是是，则直接调用底层free(this)回收内存；反之则调用object_dispose(this)。

接着进入object_dispose函数：

id object_dispose(id obj){
    if (!obj) return nil;
    objc_destructInstance(obj);    
    free(obj);
    return nil;
}

先执行objc_destructInstance(obj)，再执行free(obj)。结合上下文推测objc_destructInstance()应该是处理弱引用表、关联对象表、引用计数表相关的问题的。

void *objc_destructInstance(id obj) {
    if (obj) {
        // Read all of the flags at once for performance.
        bool cxx = obj->hasCxxDtor();
        bool assoc = obj->hasAssociatedObjects();

        // This order is important.
        if (cxx) object_cxxDestruct(obj);
        if (assoc) _object_remove_assocations(obj, /*deallocating*/true);
        obj->clearDeallocating();
    }
    return obj;
}

在objc_destructInstance函数中，做了三个事情：

• 1、如果有c++析构方法，则调用object_cxxDestruct(obj),内部继续调用object_cxxDestructFromClass()方法，最终会从子类到父类依次调用析构函数(如果存在的话)，具体调用析构函数做什么,还需要进一步探究。
• 2.如果有关联对象，则调用_object_remove_assocations(obj, true)，将该对象相关的关联记录擦除，同时如果关联对象存在且引用计数策略是OBJC_ASSOCIATION_SETTER_RETAIN，则像改对象发送objc_release(_value)消息。
• 3.调用obj->clearDeallocating()函数，进行弱引用对象、引用计数相关的处理：如果没有开启isa.nonpointer，则调用sidetable_clearDeallocating()。如果该对象被弱引用或者再sidetable中存储了引用计数则调用clearDeallocating_slow()。

sidetable_clearDeallocating()和clearDeallocating_slow()做的事情是一致的,核心代码如下：
//3.1
void objc_object::sidetable_clearDeallocating(){
    SideTable& table = SideTables()[this];
    RefcountMap::iterator it = table.refcnts.find(this);
    if (it != table.refcnts.end()) {
        if (it->second & SIDE_TABLE_WEAKLY_REFERENCED) {
            weak_clear_no_lock(&table.weak_table, (id)this);
        }
        table.refcnts.erase(it);
    }
}
//3.2
NEVER_INLINE void objc_object::clearDeallocating_slow(){
    SideTable& table = SideTables()[this];
    if (isa.weakly_referenced) {
        weak_clear_no_lock(&table.weak_table, (id)this);
    }
    if (isa.has_sidetable_rc) {
        table.refcnts.erase(this);
    }
}

• 4.weak_clear_no_lock进行弱引用关系的处理：相关细节标记在如下代码中

void weak_clear_no_lock(weak_table_t *weak_table, id referent_id) {
    objc_object *referent = (objc_object *)referent_id;  //当前对象referent
    weak_entry_t *entry = weak_entry_for_referent(weak_table, referent);//从weak_table取出entry
    if (entry == nil) {
        return;//如果weak_table中没有，则直接return
    }

   
    weak_referrer_t *referrers;//weak指针列表，List结构
    size_t count;//weak指针的数量
    
    if (entry->out_of_line()) {
        referrers = entry->referrers;
        count = TABLE_SIZE(entry);
    } 
    else {
        referrers = entry->inline_referrers;
        count = WEAK_INLINE_COUNT;
    }
    
    //一次遍历weak指针
    for (size_t i = 0; i < count; ++i) {
        objc_object **referrer = referrers[i];
        if (referrer) {
            if (*referrer == referent) {
                //如果weak指针指向的是自己，则将weak指针置空，这也是为啥weak指针在对象释放后被自动置空的真正原因。
                *referrer = nil;
            }
            else if (*referrer) {
                //weak指针存在entry. referrers中，但是weak指针并不指向自己：异常情况！！！处理
                objc_weak_error();
            }
        }
    }
    weak_entry_remove(weak_table, entry);//从weak_table表中移除该entry。
}

• 5.table.refcnts.erase()进行引用计数的处理。