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很少有人知道weak表其實是一個hash（哈希）表，Key是所指對象的地址略步，Value是weak指針的地址數(shù)組标锄。更多人的人只是知道weak是弱引用，所引用對象的計數(shù)器不會加一，并在引用對象被釋放的時候自動被設(shè)置為nil竖幔。通常用于解決循環(huán)引用問題。但現(xiàn)在單知道這些已經(jīng)不足以應(yīng)對面試了是偷，好多公司會問weak的原理拳氢。weak的原理是什么呢？下面就分析一下weak的工作原理（只是自己對這個問題好奇蛋铆，學(xué)習(xí)過程中的筆記馋评，希望對讀者也有所幫助）。
weak 實現(xiàn)原理的概括
Runtime維護(hù)了一個weak表刺啦，用于存儲指向某個對象的所有weak指針留特。weak表其實是一個hash（哈希）表，Key是所指對象的地址洪燥，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(shù)組磕秤。
weak 的實現(xiàn)原理可以概括一下三步：
1、初始化時：runtime會調(diào)用objc_initWeak函數(shù)捧韵，初始化一個新的weak指針指向?qū)ο蟮牡刂贰?/p>
2市咆、添加引用時：objc_initWeak函數(shù)會調(diào)用 objc_storeWeak() 函數(shù)， objc_storeWeak() 的作用是更新指針指向再来，創(chuàng)建對應(yīng)的弱引用表蒙兰。
3磷瘤、釋放時，調(diào)用clearDeallocating函數(shù)搜变。clearDeallocating函數(shù)首先根據(jù)對象地址獲取所有weak指針地址的數(shù)組采缚，然后遍歷這個數(shù)組把其中的數(shù)據(jù)設(shè)為nil，最后把這個entry從weak表中刪除挠他，最后清理對象的記錄扳抽。
下面將開始詳細(xì)介紹每一步：
1、初始化時：runtime會調(diào)用objc_initWeak函數(shù)殖侵，objc_initWeak函數(shù)會初始化一個新的weak指針指向?qū)ο蟮牡刂贰?/p>
示例代碼：
{NSObject*obj = [[NSObjectalloc] init];id__weakobj1 = obj;}
當(dāng)我們初始化一個weak變量時贸呢，runtime會調(diào)用 NSObject.mm 中的objc_initWeak函數(shù)。這個函數(shù)在Clang中的聲明如下：
idobjc_initWeak(id*object,idvalue);
而對于 objc_initWeak() 方法的實現(xiàn)
idobjc_initWeak(id*location,idnewObj) {// 查看對象實例是否有效// 無效對象直接導(dǎo)致指針釋放if(!newObj) {? ? ? ? *location =nil;returnnil;? ? }// 這里傳遞了三個 bool 數(shù)值// 使用 template 進(jìn)行常量參數(shù)傳遞是為了優(yōu)化性能returnstoreWeakfalse/*old*/,true/*new*/,true/*crash*/>? ? (location, (objc_object*)newObj);}
可以看出拢军，這個函數(shù)僅僅是一個深層函數(shù)的調(diào)用入口楞陷，而一般的入口函數(shù)中，都會做一些簡單的判斷（例如 objc_msgSend 中的緩存判斷）茉唉，這里判斷了其指針指向的類對象是否有效固蛾，無效直接釋放，不再往深層調(diào)用函數(shù)度陆。否則艾凯，object將被注冊為一個指向value的__weak對象。而這事應(yīng)該是objc_storeWeak函數(shù)干的坚芜。
注意：objc_initWeak函數(shù)有一個前提條件：就是object必須是一個沒有被注冊為__weak對象的有效指針览芳。而value則可以是null斜姥，或者指向一個有效的對象鸿竖。
2、添加引用時：objc_initWeak函數(shù)會調(diào)用 objc_storeWeak() 函數(shù)铸敏， objc_storeWeak() 的作用是更新指針指向缚忧，創(chuàng)建對應(yīng)的弱引用表。
objc_storeWeak的函數(shù)聲明如下：
idobjc_storeWeak(id*location,idvalue);
objc_storeWeak() 的具體實現(xiàn)如下：
// HaveOld:? true - 變量有值//? ? ? ? ? false - 需要被及時清理杈笔，當(dāng)前值可能為 nil// HaveNew:? true - 需要被分配的新值闪水，當(dāng)前值可能為 nil//? ? ? ? ? false - 不需要分配新值// CrashIfDeallocating: true - 說明 newObj 已經(jīng)釋放或者 newObj 不支持弱引用，該過程需要暫停//? ? ? ? ? false - 用 nil 替代存儲templateboolHaveOld,boolHaveNew,boolCrashIfDeallocating>staticidstoreWeak(id*location, objc_object *newObj) {// 該過程用來更新弱引用指針的指向// 初始化 previouslyInitializedClass 指針Class previouslyInitializedClass =nil;idoldObj;// 聲明兩個 SideTable// ① 新舊散列創(chuàng)建SideTable *oldTable;? ? SideTable *newTable;// 獲得新值和舊值的鎖存位置（用地址作為唯一標(biāo)示）// 通過地址來建立索引標(biāo)志蒙具，防止桶重復(fù)// 下面指向的操作會改變舊值retry:if(HaveOld) {// 更改指針球榆，獲得以 oldObj 為索引所存儲的值地址oldObj = *location;? ? ? ? oldTable = &SideTables()[oldObj];? ? }else{? ? ? ? oldTable =nil;? ? }if(HaveNew) {// 更改新值指針，獲得以 newObj 為索引所存儲的值地址newTable = &SideTables()[newObj];? ? }else{? ? ? ? newTable =nil;? ? }// 加鎖操作禁筏，防止多線程中競爭沖突SideTable::lockTwoHaveOld, HaveNew>(oldTable, newTable);// 避免線程沖突重處理// location 應(yīng)該與 oldObj 保持一致持钉，如果不同，說明當(dāng)前的 location 已經(jīng)處理過 oldObj 可是又被其他線程所修改if(HaveOld? &&? *location != oldObj) {? ? ? ? SideTable::unlockTwoHaveOld, HaveNew>(oldTable, newTable);gotoretry;? ? }// 防止弱引用間死鎖// 并且通過 +initialize 初始化構(gòu)造器保證所有弱引用的 isa 非空指向if(HaveNew? &&? newObj) {// 獲得新對象的 isa 指針Class cls = newObj->getIsa();// 判斷 isa 非空且已經(jīng)初始化if(cls != previouslyInitializedClass? &&? ? ? ? ? ? !((objc_class *)cls)->isInitialized()) {// 解鎖SideTable::unlockTwoHaveOld, HaveNew>(oldTable, newTable);// 對其 isa 指針進(jìn)行初始化_class_initialize(_class_getNonMetaClass(cls, (id)newObj));// 如果該類已經(jīng)完成執(zhí)行 +initialize 方法是最理想情況// 如果該類 +initialize 在線程中// 例如 +initialize 正在調(diào)用 storeWeak 方法// 需要手動對其增加保護(hù)策略篱昔，并設(shè)置 previouslyInitializedClass 指針進(jìn)行標(biāo)記previouslyInitializedClass = cls;// 重新嘗試gotoretry;? ? ? ? }? ? }// ② 清除舊值if(HaveOld) {? ? ? ? weak_unregister_no_lock(&oldTable->weak_table, oldObj, location);? ? }// ③ 分配新值if(HaveNew) {? ? ? ? newObj = (objc_object *)weak_register_no_lock(&newTable->weak_table,? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (id)newObj, location,? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? CrashIfDeallocating);// 如果弱引用被釋放 weak_register_no_lock 方法返回 nil// 在引用計數(shù)表中設(shè)置若引用標(biāo)記位if(newObj? &&? !newObj->isTaggedPointer()) {// 弱引用位初始化操作// 引用計數(shù)那張散列表的weak引用對象的引用計數(shù)中標(biāo)識為weak引用newObj->setWeaklyReferenced_nolock();? ? ? ? }// 之前不要設(shè)置 location 對象每强，這里需要更改指針指向*location = (id)newObj;? ? }else{// 沒有新值始腾，則無需更改}? ? 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么空执。
1)浪箭、SideTable
SideTable 這個結(jié)構(gòu)體，我給他起名引用計數(shù)和弱引用依賴表辨绊，因為它主要用于管理對象的引用計數(shù)和 weak 表奶栖。在 NSObject.mm 中聲明其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：
structSideTable{// 保證原子操作的自旋鎖spinlock_tslock;// 引用計數(shù)的 hash 表RefcountMap refcnts;// weak 引用全局 hash 表weak_table_tweak_table;
}
對于 slock 和 refcnts 兩個成員不用多說，第一個是為了防止競爭選擇的自旋鎖门坷，第二個是協(xié)助對象的 isa 指針的 extra_rc 共同引用計數(shù)的變量（對于對象結(jié)果驼抹，在今后的文中提到）。這里主要看 weak 全局 hash 表的結(jié)構(gòu)與作用拜鹤。
2)框冀、weak表
weak表是一個弱引用表，實現(xiàn)為一個weak_table_t結(jié)構(gòu)體敏簿，存儲了某個對象相關(guān)的的所有的弱引用信息明也。其定義如下(具體定義在objc-weak.h中)：
structweak_table_t{// 保存了所有指向指定對象的 weak 指針weak_entry_t*weak_entries;// 存儲空間size_tnum_entries;// 參與判斷引用計數(shù)輔助量uintptr_tmask;// hash key 最大偏移值uintptr_tmax_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為 key 惯裕，用 weak_entry_t 類型結(jié)構(gòu)體對象作為 value 温数。其中的 weak_entries 成員，從字面意思上看蜻势，即為弱引用表入口撑刺。其實現(xiàn)也是這樣的。
其中weak_entry_t是存儲在弱引用表中的一個內(nèi)部結(jié)構(gòu)體握玛，它負(fù)責(zé)維護(hù)和存儲指向一個對象的所有弱引用hash表够傍。其定義如下：
typedefobjc_object **weak_referrer_t;structweak_entry_t{DisguisedPtrobjc_object> referent;union{struct{weak_referrer_t*referrers;uintptr_tout_of_line :1;uintptr_tnum_refs : PTR_MINUS_1;uintptr_tmask;uintptr_tmax_hash_displacement;? ? ? ? };struct{// out_of_line=0 is LSB of one of these (don't care which)weak_referrer_tinline_referrers[WEAK_INLINE_COUNT];? ? ? ? };? ? }}
在 weak_entry_t 的結(jié)構(gòu)中，DisguisedPtr referent 是對泛型對象的指針做了一個封裝挠铲，通過這個泛型類來解決內(nèi)存泄漏的問題冕屯。從注釋中寫 out_of_line 成員為最低有效位，當(dāng)其為0的時候拂苹， weak_referrer_t 成員將擴(kuò)展為多行靜態(tài) hash table安聘。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瓢棒，用下標(biāo)作為 hash 的 key浴韭，做成了一個弱引用散列。
那么在有效位未生效的時候脯宿，out_of_line 念颈、 num_refs、 mask 嗅绰、 max_hash_displacement 有什么作用舍肠？以下是筆者自身的猜測：
out_of_line：最低有效位搀继，也是標(biāo)志位。當(dāng)標(biāo)志位 0 時翠语，增加引用表指針緯度叽躯。
num_refs：引用數(shù)值。這里記錄弱引用表中引用有效數(shù)字肌括，因為弱引用表使用的是靜態(tài) hash 結(jié)構(gòu)点骑，所以需要使用變量來記錄數(shù)目。
mask：計數(shù)輔助量谍夭。
max_hash_displacement：hash 元素上限閥值黑滴。
其實 out_of_line 的值通常情況下是等于零的，所以弱引用表總是一個 objc_objective 指針二維數(shù)組紧索。一維 objc_objective 指針可構(gòu)成一張弱引用散列表袁辈，通過第三緯度實現(xiàn)了多張散列表，并且表數(shù)量為 WEAK_INLINE_COUNT 珠漂。
總結(jié)一下 StripedMap[] ： StripedMap 是一個模板類晚缩，在這個類中有一個 array 成員，用來存儲 PaddedT 對象媳危，并且其中對于 [] 符的重載定義中荞彼，會返回這個 PaddedT 的 value 成員，這個 value 就是我們傳入的 T 泛型成員待笑，也就是 SideTable 對象鸣皂。在 array 的下標(biāo)中，這里使用了 indexForPointer 方法通過位運(yùn)算計算下標(biāo)暮蹂，實現(xiàn)了靜態(tài)的 Hash Table寞缝。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椎侠，并且其中也有訪問全局弱引用表的入口第租。
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舊對象解除注冊操作 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(yīng)綁定措拇。根據(jù)函數(shù)名我纪，稱之為解除注冊操作。從源碼中丐吓，可以知道其功能就是從 weak_table 中接觸 weak 指針的綁定浅悉。而其中的遍歷查詢，就是針對于 weak_entry 中的多張弱引用散列表券犁。
新對象添加注冊操作 weak_register_no_lock
這一步與上一步相反术健，通過 weak_register_no_lock 函數(shù)把心的對象進(jìn)行注冊操作，完成與對應(yīng)的弱引用表進(jìn)行綁定操作粘衬。
初始化弱引用對象流程一覽
弱引用的初始化荞估，從上文的分析中可以看出咳促，主要的操作部分就在弱引用表的取鍵、查詢散列勘伺、創(chuàng)建弱引用表等操作跪腹，可以總結(jié)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(dāng)聲明一個 __weak 會調(diào)用上圖中的這些方法飞醉。當(dāng)然冲茸， storeWeak 方法不僅僅用在 __weak 的聲明中，在 class 內(nèi)部的操作中也會常常通過該方法來對 weak 對象進(jìn)行操作缅帘。
3轴术、釋放時，調(diào)用clearDeallocating函數(shù)钦无。clearDeallocating函數(shù)首先根據(jù)對象地址獲取所有weak指針地址的數(shù)組逗栽，然后遍歷這個數(shù)組把其中的數(shù)據(jù)設(shè)為nil，最后把這個entry從weak表中刪除失暂，最后清理對象的記錄祭陷。
當(dāng)weak引用指向的對象被釋放時，又是如何去處理weak指針的呢趣席？當(dāng)釋放對象時兵志，其基本流程如下：
1、調(diào)用objc_release
2宣肚、因為對象的引用計數(shù)為0想罕，所以執(zhí)行dealloc
3、在dealloc中霉涨，調(diào)用了_objc_rootDealloc函數(shù)
4按价、在_objc_rootDealloc中，調(diào)用了object_dispose函數(shù)
5笙瑟、調(diào)用objc_destructInstance
6楼镐、最后調(diào)用objc_clear_deallocating
重點(diǎn)看對象被釋放時調(diào)用的objc_clear_deallocating函數(shù)。該函數(shù)實現(xiàn)如下：
voidobjc_clear_deallocating(id obj){assert(obj);assert(!UseGC);if(obj->isTaggedPointer())return;? obj->clearDeallocating();}
也就是調(diào)用了clearDeallocating往枷，繼續(xù)追蹤可以發(fā)現(xiàn)框产，它最終是使用了迭代器來取weak表的value，然后調(diào)用weak_clear_no_lock,然后查找對應(yīng)的value错洁，將該weak指針置空秉宿，weak_clear_no_lock函數(shù)的實現(xiàn)如下：
/**
* Called by dealloc; nils out all weak pointers that point to the
* provided object so that they can no longer be used.
*
* @param weak_table
* @param referent The object being deallocated.
*/voidweak_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) {/// XXX shouldn't happen, but does with mismatched CF/objc//printf("XXX no entry for clear deallocating %p\n", referent);return;? ? }// zero out referencesweak_referrer_t*referrers;size_tcount;if(entry->out_of_line) {? ? ? ? referrers = entry->referrers;? ? ? ? count = TABLE_SIZE(entry);? ? }else{? ? ? ? referrers = entry->inline_referrers;? ? ? ? count = WEAK_INLINE_COUNT;? ? }for(size_ti =0; i < count; ++i) {? ? ? ? objc_object **referrer = referrers[i];if(referrer) {if(*referrer == referent) {? ? ? ? ? ? ? ? *referrer = nil;? ? ? ? ? ? }elseif(*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(shù)的動作如下：
1、從weak表中獲取廢棄對象的地址為鍵值的記錄
2屯碴、將包含在記錄中的所有附有 weak修飾符變量的地址描睦，賦值為nil
3、將weak表中該記錄刪除
4导而、從引用計數(shù)表中刪除廢棄對象的地址為鍵值的記錄
看了objc-weak.mm的源碼就明白了：其實Weak表是一個hash（哈希）表忱叭，然后里面的key是指向?qū)ο蟮牡刂犯羝椋琕alue是Weak指針的地址的數(shù)組。
補(bǔ)充：.m和.mm的區(qū)別
.m：源代碼文件韵丑，這個典型的源代碼文件擴(kuò)展名仍稀，可以包含OC和C代碼。
.mm：源代碼文件埂息，帶有這種擴(kuò)展名的源代碼文件技潘，除了可以包含OC和C代碼之外，還可以包含C++代碼千康。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(kuò)展名享幽。
參考資料：
