黑箱中的 retain 和 release

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由于 Objective-C 中的内存管理是一个比较大的话题,所以会分为两篇文章来对内存管理中的一些机制进行剖析,一部分分析自动释放池以及 autorelease 方法,另一部分分析 retainrelease 方法的实现以及自动引用计数。

写在前面

在接口设计时,我们经常要考虑某些意义上的平衡。在内存管理中也是这样,Objective-C 同时为我们提供了增加引用计数的 retain 和减少引用计数的 release 方法。

这篇文章会在源代码层面介绍 Objective-C 中 retainrelease 的实现,它们是如何达到平衡的。

从 retain 开始

如今我们已经进入了全面使用 ARC 的时代,几年前还经常使用的 retainrelease 方法已经很难出现于我们的视野中了,绝大多数内存管理的实现细节都由编译器代劳。

在这里,我们还要从 retain 方法开始,对内存管理的实现细节一探究竟。

下面是 retain 方法的调用栈:

调用栈中的前两个方法的实现直接调用了下一个方法:

id objc_object::rootRetain(bool tryRetain, bool handleOverflow) 方法是调用栈中最重要的方法,其原理就是将 isa 结构体中的 extra_rc 的值加一。

extra_rc 就是用于保存自动引用计数的标志位,下面就是 isa 结构体中的结构:

2016-05-27-objc-rr-isa-struct

接下来我们会分三种情况对 rootRetain 进行分析。

正常的 rootRetain

这是简化后的 rootRetain 方法的实现,其中只有处理一般情况的代码:

在这里我们假设的条件是 isa 中的 extra_rc 的位数足以存储 retainCount

  1. 使用 LoadExclusive 加载 isa 的值
  2. 调用 addc(newisa.bits, RC_ONE, 0, &carry) 方法将 isa 的值加一
  3. 调用 StoreExclusive(&isa.bits, oldisa.bits, newisa.bits) 更新 isa 的值
  4. 返回当前对象

有进位版本的 rootRetain

在这里调用 addc 方法为 extra_rc 加一时,8 位的 extra_rc 可能不足以保存引用计数。

extra_rc 不足以保存引用计数,并且 handleOverflow = false

当方法传入的 handleOverflow = false 时(这也是通常情况),我们会调用 rootRetain_overflow 方法:

这个方法其实就是重新执行 rootRetain 方法,并传入 handleOverflow = true

有进位版本的 rootRetain(处理溢出)

当传入的 handleOverflow = true 时,我们就会在 rootRetain 方法中处理引用计数的溢出。

当调用这个方法,并且 handleOverflow = true 时,我们就可以确定 carry 一定是存在的了,

因为 extra_rc 已经溢出了,所以要更新它的值为 RC_HALF

extra_rc 总共为 8 位,RC_HALF = 0b10000000

然后设置 has_sidetable_rc 为真,存储新的 isa 的值之后,调用 sidetable_addExtraRC_nolock 方法。

这里我们将溢出的一位 RC_HALF 添加到 oldRefcnt 中,其中的各种 SIDE_TABLE 宏定义如下:

因为 refcnts 中的 64 为的最低两位是有意义的标志位,所以在使用 addc 时要将 delta_rc 左移两位,获得一个新的引用计数 newRefcnt

如果这时出现了溢出,那么就会撤销这次的行为。否则,会将新的引用计数存储到 refcntStorage 指针中。


也就是说,在 iOS 的内存管理中,我们使用了 isa 结构体中的 extra_rcSideTable 来存储某个对象的自动引用计数。

更重要的是,如果自动引用计数为 1,extra_rc 实际上为 0,因为它保存的是额外的引用计数,我们通过这个行为能够减少很多不必要的函数调用。

到目前为止,我们已经从头梳理了 retain 方法的调用栈及其实现。下面要介绍的是在内存管理中,我们是如何使用 release 方法平衡这个方法的。

以 release 结束

与 release 方法相似,我们看一下这个方法简化后的调用栈:

前面的两个方法的实现和 retain 中的相差无几,这里就直接跳过了。

同样,在分析 release 方法时,我们也根据上下文的不同,将 release 方法的实现拆分为三部分,说明它到底是如何调用的。

正常的 release

这一个版本的方法调用可以说是最简版本的方法调用了:

  1. 使用 LoadExclusive 获取 isa 内容
  2. isa 中的引用计数减一
  3. 调用 StoreReleaseExclusive 方法保存新的 isa

从 SideTable 借位

接下来,我们就要看两种相对比较复杂的情况了,首先是从 SideTable 借位的版本:

这里省去了使用锁来防止竞争条件以及调用 StoreExclusive 失败后恢复现场的代码。 我们会默认这里存在 SideTable,也就是 has_sidetable_rc = true

你可以看到,这里也有一个 handleUnderflow,与 retain 中的相同,如果发生了 underflow,会重新调用该 rootRelease 方法,并传入 handleUnderflow = true

在调用 sidetable_subExtraRC_nolock 成功借位之后,我们会重新设置 newisa 的值 newisa.extra_rc = borrowed - 1 并更新 isa

release 中调用 dealloc

如果在 SideTable 中也没有获取到借位的话,就说明没有任何的变量引用了当前对象(即 retainCount = 0),就需要向它发送 dealloc 消息了。

上述代码会直接调用 objc_msgSend 向当前对象发送 dealloc 消息。

不过为了确保消息只会发送一次,我们使用 deallocating 标记位。

获取自动引用计数

在文章的最结尾,笔者想要介绍一下 retainCount 的值是怎么计算的,我们直接来看 retainCount 方法的实现:

根据方法的实现,retainCount 有三部分组成:

  • 1
  • extra_rc 中存储的值
  • sidetable_getExtraRC_nolock 返回的值

这也就证明了我们之前得到的结论。

小结

我们在这篇文章中已经介绍了 retainrelease 这一对用于内存管理的方法是如何实现的,这里总结一下文章一下比较重要的问题。

  • extra_rc 只会保存额外的自动引用计数,对象实际的引用计数会在这个基础上 +1
  • Objective-C 使用 isa 中的 extra_rcSideTable 来存储对象的引用计数
  • 在对象的引用计数归零时,会调用 dealloc 方法回收对象

有关于自动释放池实现的介绍,可以看自动释放池的前世今生

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