【iOS】ARC实现

ARC由以下工具来实现：

• clang（LLVM编译器）3.0以上
• objc4 Objective-C运行时库493.9以上

下面我们，我们将围绕clang汇编输出和objc4库的源代码探究ARC实现

1. __strong修饰符

1.1 赋值给附有__strong修饰符的变量

看下面代码

{
	id __strong obj = [[NSObject alloc] init];
}

实际上，该源代码可以转换为调用以下的函数。

// 编译器的模拟代码
id obj = objc_msgSend(NSObject, @selector(alloc));
objc_msgSend(obj, @selector(init));
objc_release(obj);

如原源代码所示，2次调用objc_msgSend方法，变量域结束时通过objc_release释放对象。

虽然ARC有效时不能使用release方法，但由此可知编译器自动插入了release。

1.2 使用alloc/new/copy/mutableCopy以外的方法

{
	id __strong obj = [NSMutableArray array];
}

转换如下：

// 编译器的模拟代码
id obj = objc_msgSend(NSMutableArray, @selector(array));
objc_retainAutoreleasedReturnValue(obj);
objc_release(obj);

objc_retainAutoreleasedReturnValue()函数主要用于最优化程序运行。它用于自己持有（retained）对象的函数，但它持有的对象应为返回注册在autoreleasepool中对象的方法或是函数的返回值。像该源代码这样，在调用alloc/new/copy/mutableCopy以外的方法，由编译器插入该函数。

下面看看NSMutableArray类的array方法的源代码：

+ (id)array {
	return [[NSMutableArray alloc] init];
}

以下为该源代码的转换：

+ (id)array 
{
	id obj = objc_msgSend(NSMutableArray, @selector(alloc));
	objc_msgSend(obj, @selector(init));
	return objc_autoreleaseReturnValue(obj);
}

objc_autoreleaseReturnValue()函数用于alloc/new/copy/mutableCopy方法以外方法返回对象的实现上。像该源代码这样，返回注册到autoreleasepool中的对象。但是objc_autoreleaseReturnValue函数同objc_autorelease函数不同，一般不仅限于注册对象到autoreleasepool中。

在上例中，objc_autoreleaseReturnValue()函数会检查使用该函数的方法或函数调用方的执行命令列表，如果函数的调用方在调用了方法或函数后紧接着调用objc_retainAutoreleasedReturnValue()函数，那么就不将返回的对象注册到autoreleasepool中，而是直接传递到方法或函数的调用方。

objc_retainAutoreleasedReturnValue()函数与objc_retain函数不同，即便不注册到autoreleasepool中而返回对象，也能正确的获取对象。

通过以上两个函数的协作，可以不将对象注册到autoreleasepool中而直接传递，这一过程达到了最优化。

2. __weak修饰符

2.1 赋值给附有__weak修饰符的变量；

{
	id _weak obj1 = obj;
}

假设变量obj附加__strong修饰符且对象被赋值。

// 编译器的模拟代码
id obj1;
objc_initWeak(&obj1, obj);
objc_destroyWeak(&obj1);

objc_initWeak函数将附有__weak修饰符的变量初始化为0后，会将赋值的对象作为参数调用objc_storeWeak函数。
objc_destroyWeak函数将0作为参数调用objc_storeWeak函数。

即前面的源代码与下列源代码相同：

// 编译器模拟代码
id obj1;
obj1 = 0;
objc_storeWeak(&obj1, obj);
objc_storeWeak(&obj1, 0);

objc_storeWeak函数把第二参数的赋值对象作为键值，将第一参数（附有__weak修饰符的变量）的地址注册到weak表中。如果第二参数为0，则把变量的地址从weak表中删除。
weak表与引用计数表相同，作为散列表实现。将废弃对象的地址作为键值进行检索，就能高速地获取对应的__weak修饰符的变量的地址。对于一个键值，可以注册多个变量的地址。

2.2 废弃谁都不持有的对象时，程序的动作；

(1) objc_release

(2) 因为引用计数为0所以执行dealloc

(3) _objc_rootDealloc

(4) object_dispose

(5) objc_destructInstanse

(6) objc_clear_deallocating

objc_clear_deallocating函数的动作如下：

1. 从weak表中获取废弃对象的地址作为键值；
2. 将包含在记录中的所有附有__weak修饰符变量的地址，赋值为nil；
3. 从weak表中删除该记录；
4. 从引用计数表中删除废弃对象的地址为键值的记录。

通过以上步骤，实现附有__weak修饰符的变量所引用的对象被废弃，则将nil赋值给该变量的功能。

由此可知，如果大量使用附有__weak修饰符的变量，则会消耗相应的CPU资源。所以我们只在需要避免循环引用时使用__weak修饰符。

2.3 将自己生成并持有的对象赋值给附有__weak修饰符的变量中；

{
	id __weak obj = [[NSObject alloc] init];
}

因为附有__weak修饰符的变量不能持有对象，这时该对象会被释放并被废弃，因此会引起编译器警告。

我们看看编译器如何处理该源代码。

// 编译器的模拟代码
id obj;
id tmp = objc_msgSend(NSObject, @selector(alloc));
objc_masSend(tmp, @selector(init));
objc_initWeak(&obj, tmp);
objc_release(tmp);
objc_destroyWeak(&object);

虽然自己生成并持有的对象被通过objc_initWeak函数被赋值给附有__weak修饰符的变量中，但是编译器判断其没有持有者，故该对象立即通过objc_release函数被释放和废弃。

2.4 其他

在《Objective-C 高级编程》这本书中描述，在ARC下，使用附有__weak修饰符的变量即是使用注册到autoreleasepool中的对象。实际上，可能由于我手上这一版太老，经过太多版本变迁。经我验证，至少在Xcode13.3.1中，这个说法已不适用。

看如下源代码：

    @autoreleasepool {
        id obj = [[NSObject alloc] init];
        
        {
            id __weak o = obj;
            NSLog(@"%@", o);
            NSLog(@"%@", o);
            NSLog(@"%@", o);
            _objc_autoreleasePoolPrint();
        }
    }

该源代码运行结果如下：

可以看到虽然多次使用了附有__weak修饰符的变量，但对象并没有被注册到autoreleasepool中。

稍作修改：

    @autoreleasepool {
        id obj = [[NSObject alloc] init];
        
        {
            id __weak o = obj;
            id __autoreleasing tmp = o;
            NSLog(@"%@", o);
            NSLog(@"%@", o);
            NSLog(@"%@", o);
            _objc_autoreleasePoolPrint();
        }
    }

运行结果如下：

可以看到，该对象只在运行id __autoreleasing tmp = o;时被注册到autoreleasepool中。

3. __autoreleasing修饰符

将对象赋值给__autoreleasing修饰符的变量等同于ARC无效时调用对象的autorelease方法。

3.1 赋值给附有__autoreleasing修饰符的变量；

    @autoreleasepool {
        id __autoreleasing obj = [[NSObject alloc] init];
    }

可做如下变换：

// 编译器模拟代码
id pool = objc_autoreleasePoolPush();
id obj = objc_msgSend(NSObject, @selector(alloc));
msgSend(obj, @selector(init));
objc_autorelease(obj);
objc_autoreleasePoolPop(pool);

虽然ARC有效和无效时，其在源代码上的表现有所不同，但autorelease的功能完全一样。

3.2 使用alloc/new/copy/mutableCopy以外的方法

    @autoreleasepool {
        id __autoreleasing obj = [NSMutableArray array];
    }

可做如下变换：

// 编译器的模拟代码
id pool = objc_autoreleasePoolPush();
id obj = objc_msgSend(NSMutableArray, @selector(array));
objc_retainAutireleasedReturnValue(obj);
objc_autorelease(obj);
objc_autoreleasePoolPop(pool);

虽然持有对象的方法从alloc方法变为objc_retainAutireleasedReturnValue函数，但注册autoreleasepool的方法仍然是objc_autorelease函数。

4. ARC工作原理

ARC 的工作原理大致是这样：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，在合适的地方添加相应的引用计数操作代码retain, release和autorelease。

ARC 是工作在编译期的一种技术方案，这样的好处是：

1. 编译之后，ARC 与非 ARC 代码是没有什么差别的，所以二者可以在源码中共存。实际上，你可以通过编译参数 -fno-objc-arc 来关闭部分源代码的 ARC 特性。
2. 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。例如在一个函数中，对一个对象刚开始有一个引用计数 +1的操作，之后又紧接着有一个 -1 的操作，那么编译器就可以把这两个操作都优化掉。

ARC在编译期和运行期做了什么？

1. 在编译期，ARC会把互相抵消的retain、release、autorelease操作约简。
2. ARC包含有运行期组件，可以在运行期检测到autorelease和retain这一对多余的操作。为了优化代码，在方法中返回自动释放的对象时，要执行一个特殊函数。