iOS——strong和copy的底层实现

copy和strong的区别

有如下代码：

objectivec 复制代码

#import "Person.h"

@interface Person ()

@property (nonatomic, strong) NSString *strStrong;
@property (nonatomic, copy) NSString *strCopy;

@end

@implementation Person

- (void) go {
    NSMutableString *newStr = [NSMutableString stringWithString:@"newString"];
    self.strStrong = newStr;
    self.strCopy = newStr;
    [newStr setString:@"changString"];
    
    NSLog(@"newStr:%p %@", newStr, newStr);
    NSLog(@"strStrong:%p %@", self.strStrong, self.strStrong);
    NSLog(@"strCopy:%p %@", self.strCopy, self.strCopy);

}

@end

打印出的结果是：

可以看出来使用copy修饰的strCopy的值没有改变。

根据前面的学习我们知道：copy修饰的变量，对象地址不一致了，指针指向了一个新的内存区域（相当于深拷贝），导致新值（newString）修改时不会影响。

那么copy和strong这种区别的实现究竟是在哪里，下面我们一步一步解析：

属性使用点语法和_属性名的区别的原理

我们根据之前学的知识可知：一个属性使用self.的赋值是调用它的setter方法，而使用_属性名是直接赋值。下面我们使用clang分析两个语法的cpp：

cpp 复制代码

//self.strStrong = newStr;
((void (*)(id, SEL, NSString *))(void *)objc_msgSend)((id)self, sel_registerName("setStrStrong:"), (NSString *)newStr);
//_strStrong = newStr;
(*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_Person$_strStrong)) = newStr;

第一段代码是使用这个函数指针向对象 self 发送消息 setStrStrong:，并传递 newStr 作为参数。

而第二段是self + OBJC_IVAR_...(属性偏移值) = strongStr的内存地址,然后在内存中进行替换。

属性的setter方法的底层

实际上strong和copy的区别在于它们setter方法的底层逻辑不同，我们先来看strStrong的setter方法：

cpp 复制代码

static void _I_Person_setStrStrong_(Person * self, SEL _cmd, NSString *strStrong) { (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_Person$_strStrong)) = strStrong; }

这里是通过指针偏移后，将变量指针指向新的地址。

而strCopy的setter方法：

cpp 复制代码

static void _I_Person_setStrCopy_(Person * self, SEL _cmd, NSString *strCopy) { objc_setProperty (self, _cmd, __OFFSETOFIVAR__(struct Person, _strCopy), (id)strCopy, 0, 1); }

这里的(id)strCopy就是我们要给strCopy赋的新值newStr。因为_I_Person_setStrCopy_(Person * self, SEL _cmd, NSString *strCopy)函数传入的参数中的NSString *strCopy就是newStr。

与strStrong不同的是，strCopy的setter方法中多了一个objc_setProperty，它们出现这样的区别的代码就在这里。

objc_setProperty

objc_setProperty 函数是在 Objective-C 中用于实现属性设置操作的一个函数。它负责处理属性的内存管理策略，如 copy、retain（对应于 strong）、nonatomic、atomic 等。

objectivec 复制代码

/*self: 调用该方法的对象。
_cmd: 方法的选择子（selector），即当前方法的名字。
offset: 属性在对象中的偏移量。
newValue: 要设置的新值。
atomic: 是否为原子操作。
shouldCopy: 是否需要复制新值。*/
void objc_setProperty(id self, SEL _cmd, ptrdiff_t offset, id newValue, BOOL atomic, signed char shouldCopy) 
{
    //#define MUTABLE_COPY 2
    bool copy = (shouldCopy && shouldCopy != MUTABLE_COPY);
    bool mutableCopy = (shouldCopy == MUTABLE_COPY);
    reallySetProperty(self, _cmd, newValue, offset, atomic, copy, mutableCopy);
}

为什么copy修饰的变量set方法是调用objc_setProperty函数，而strong修饰却没有呢？因为：

cpp 复制代码

void objc_setProperty_atomic(id self, SEL _cmd, id newValue, ptrdiff_t offset)
{
    reallySetProperty(self, _cmd, newValue, offset, true, false, false);
}

void objc_setProperty_nonatomic(id self, SEL _cmd, id newValue, ptrdiff_t offset)
{
    reallySetProperty(self, _cmd, newValue, offset, false, false, false);
}

strong 修饰符要求在设置属性时，对传入的对象增加一个引用计数，以确保对象在属性持有期间不会被释放。这个操作比较简单，可以直接通过 objc_storeStrong 函数来实现，因此不需要调用 objc_setProperty。编译器生成的 set 方法会直接使用 objc_storeStrong 来处理 strong 修饰的属性。

objc_setProperty_nonatomic_copy

接下来在objc4中搜索objc_setProperty_nonatomic_copy可以看到它的源码:

cpp 复制代码

void objc_setProperty_atomic_copy(id self, SEL _cmd, id newValue, ptrdiff_t offset)
{
    reallySetProperty(self, _cmd, newValue, offset, true, true, false);
}

void objc_setProperty_nonatomic_copy(id self, SEL _cmd, id newValue, ptrdiff_t offset)
{
    reallySetProperty(self, _cmd, newValue, offset, false, true, false);
}

可以看到实际上它里面调用了一个reallySetProperty方法：

reallySetProperty

cpp 复制代码

static inline void reallySetProperty(id self, SEL _cmd, id newValue, ptrdiff_t offset, bool atomic, bool copy, bool mutableCopy)
{
    //如果offset为0，说明这是在设置对象的类（如isa指针），直接调用object_setClass来设置类，并返回。
    if (offset == 0) {
        object_setClass(self, newValue);
        return;
    }

    id oldValue;
    //slot指向属性在对象中的存储位置。
    id *slot = (id*) ((char*)self + offset);

    if (copy) {
        newValue = [newValue copyWithZone:nil];
    } else if (mutableCopy) {
        newValue = [newValue mutableCopyWithZone:nil];
    } else {
      //检查 newValue 是否与当前值相同，如果相同则返回；如果不同，调用 objc_retain 来保留新值。
        if (*slot == newValue) return;
        newValue = objc_retain(newValue);
    }

    if (!atomic) {
        oldValue = *slot;
        *slot = newValue;
    } else {
        spinlock_t& slotlock = PropertyLocks.get()[slot];
        slotlock.lock();
        oldValue = *slot;
        *slot = newValue;        
        slotlock.unlock();
    }

    objc_release(oldValue);
}

根据这段代码可知，使用copy时，底层会调用copyWithZone；而使用mutableCopy时，底层会调用mutableCopyWithZone；两个都不是时，会增加引用计数，确保对象被正确持有。

这里根据我们上面的例子可知，我们的newStr是NSMutableString类型的。而且根据上面的各个方法的结果可知，copy为1，mutableCopy为0。因此会进入newValue = [newValue copyWithZone:nil]; 这一行，在这一行中，调用了newValue（NSMutableString）的copyWithZone，但是在NSMutableString中并没有找到copyWithZone的方法，向上找到了父类中的copyWithZone方法。

我们通过GUNstep找到copyWithZone和mutableCopyWithZone的具体实现：

objectivec 复制代码

- (id) copyWithZone: (NSZone*)zone
{
  /*
 * 默认实现不应简单地保留（retain）...字符串可能已经在初始化时设置了 freeWhenDone==NO 并且不拥有其字符数据... 
 * 因此创建它的代码在处理完原始字符串后可能会销毁该内存... 
 * 这样会导致副本指向无效的数据指针。 所以我们总是完全复制。
 */
  return [[NSStringClass allocWithZone: zone] initWithString: self];
}

- (id) mutableCopyWithZone: (NSZone*)zone
{
  return [[GSMutableStringClass allocWithZone: zone] initWithString: self];
}

我们再查看allocWithZone 的内部：

NSAllocateObject方法

我们发现在allocWithZone中调用了NSAllocateObject方法

objectivec 复制代码

inline id
NSAllocateObject(Class aClass, NSUInteger extraBytes, NSZone *zone)
{
  id	new;

#ifdef OBJC_CAP_ARC
  if ((new = class_createInstance(aClass, extraBytes)) != nil)
    {
      AADD(aClass, new);
    }
#else
  int	size;

  NSCAssert((!class_isMetaClass(aClass)), @"Bad class for new object");
  size = class_getInstanceSize(aClass) + extraBytes + sizeof(struct obj_layout);
  //如果 zone 为 0，则使用默认的内存分配区域。
  if (zone == 0)
    {
      zone = NSDefaultMallocZone();
    }
  //计算分配对象所需的大小。
  new = NSZoneMalloc(zone, size);
  //分配内存。
  if (new != nil)
    {
      memset (new, 0, size);
      new = (id)&((obj)new)[1];
      // 将新的内存空间设置为aClass的类型
      object_setClass(new, aClass);
      AADD(aClass, new);
    }

  /* Don't bother doing this in a thread-safe way, because the cost of locking
   * will be a lot more than the cost of doing the same call in two threads.
   * The returned selector will persist and the runtime will ensure that both
   * calls return the same selector, so we don't need to bother doing it
   * ourselves.
   */
   //初始化内存，设置类，并进行附加操作。
  if (0 == cxx_construct)
    {
      cxx_construct = sel_registerName(".cxx_construct");
      cxx_destruct = sel_registerName(".cxx_destruct");
    }
  callCXXConstructors(aClass, new);
#endif

  return new;
}

到这就可以得出结论了，NSMutablString的Copy协议是创建了新的内存空间，进行了内容拷贝，通俗可以理解为进行了深拷贝。

依次再使用别的拷贝模式的深浅拷贝关系：