Objective-C之isa引用计数存储验证

本文从2018年12月15日周末开始，至2018年末，历经3个周末，6天时间。

引用计数原理？

- 引用计数存储在isa中和sidetable中。

- 弱引用变量的数量存储在sidetable中。

先来看arm64架构下isa的定义

union isa_t {
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }

    Class cls;
    uintptr_t bits;
    struct {
        //isa变量是否为非指针
        uintptr_t nonpointer        : 1;
        //是否有关联对象
        uintptr_t has_assoc         : 1;
        //是否有析构函数
        uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;
        //当前对象对应的类指针右移3位后的地址
        uintptr_t shiftcls          : 33;
        //用于在调试时分辨对象是否未完成初始化
        uintptr_t magic             : 6;
        //是否有弱引用变量指向本实例
        uintptr_t weakly_referenced : 1;
        //是否正在释放
        uintptr_t deallocating      : 1;
        //是否需要散列表存储引用计数。当extra_rc存储不下时，该值为1
        uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;
        //引用计数数量，实际的引用计数减一
        uintptr_t extra_rc          : 19;
    };
};

再看SideTable结构

struct SideTable {
    spinlock_t slock;                
    RefcountMap refcnts;       //引用计数
    weak_table_t weak_table; //弱引用表

    SideTable() {
        memset(&weak_table, 0, sizeof(weak_table));
    }

    ~SideTable() {
        _objc_fatal("Do not delete SideTable.");
    }

    void lock() { slock.lock(); }
    void unlock() { slock.unlock(); }
    void forceReset() { slock.forceReset(); }

    // Address-ordered lock discipline for a pair of side tables.

    template<HaveOld, HaveNew>
    static void lockTwo(SideTable *lock1, SideTable *lock2);
    template<HaveOld, HaveNew>
    static void unlockTwo(SideTable *lock1, SideTable *lock2);
};

验证isa存储的引用计数

建一个iOS项目，新建一个空类Person继承NSObject.
看测试代码

//数值转二进制字符串
NSString* binaryFromInteger(NSUInteger integer){
    
    NSString *ret = @"";
    NSUInteger x = integer;
    while ( x > 0 ) {
        // 若i=14,即二进制1110,则i&1为 1110 & 0001 结果为0000
        ret = [[NSString stringWithFormat:@"%ld",x&1] stringByAppendingString:ret];
        x = x >> 1;
    }
    return ret;
}

//不直接传递NSObject对象，是为了防止引用计数+1
void printIsaValueWithObject(struct objc_object* obj){
    
    NSObject *oj = (__bridge NSObject*)obj;
    Class cls = [oj valueForKey:@"isa"];

    //isa 的值，二进制形式
    NSString *bin =
    binaryFromInteger((NSUInteger)(cls));
    NSLog(@"isa:%@",bin);
    
    //obj的引用计数
    NSNumber *retainCount = [oj valueForKey:@"retainCount"];
    NSLog(@"retainCount:%@",retainCount.stringValue);
}

void test(){
        XWPerson *per = [XWPerson new];
        printIsaValueWithObject(per);       
        
        NSMutableArray *arr1 = [NSMutableArray new];   //①
        for( NSUInteger i=0; i<524286; i++ ){
            XWPerson *per1 = per;
            [arr1 addObject:per1];
            
            if( i==0 ){
                printIsaValueWithObject(per);   //②
            }
        }
        
        XWPerson *per2 = per;
        printIsaValueWithObject(per);   
        XWPerson *per3 = per;               //③
        printIsaValueWithObject(per);   
        
        NSLog(@"%@",per);   //④
}

分别在①②③④处打断点，然后打印per所指内存中的二进制值，前8个字节即为per实例的isa的值。按照isa_t的结构，解析isa。
运行结果：

isa:11010000100000001000110111101110001100001
retainCount:1
(lldb) x per 
0x2826c4170: 61 dc 1b 01 a1 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00  a...............
isa:10000011010000100000001000110111101110001100001
retainCount:3
(lldb) x per 
0x2826c4170: 61 dc 1b 01 a1 41 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00  a....A..........
isa:1111111111111111111000011010000100000001000110111101110001100001
retainCount:524288
(lldb) x per 
0x2826c4170: 61 dc 1b 01 a1 e1 ff ff 00 00 00 00 00 00 00 00  a...............
isa:1000000000000000000100011010000100000001000110111101110001100001
retainCount:524289
(lldb) x per 
0x2826c4170: 61 dc 1b 01 a1 11 00 80 00 00 00 00 00 00 00 00  a...............

根据isa的结构体定义，可知其长度为64位，引用计数占19位，所以打印出的isa二进制的高19位，即为引用计数的值减一。分别看下引用计数为1和3时，isa的值。

引用计数为1时，isa内存中的值61 dc 1b 01 a1 01 00 00
对应的二级制：11010000100000001000110111101110001100001
补全64位:
0000 0000 0000 0000 0000 0001 1010 0001
0000 0001 0001 1011 1101 1100 0110 0001
前19位，为引用计数的值-1. 那么看一下前19位的值:
0000 0000 0000 0000 000 结果为0，刚好符合引用计数减一.
引用计数为3时，isa内存中的值61 dc 1b 01 a1 41 00 00
对应的二进制:
0000 0000 0000 0000 0100 0001 1010 0001
0000 0001 0001 1011 1101 1100 0110 0001
前19位，值为 2. 符合引用计数减一.
在这两种情况下，isa的对应的第20位的值都为0，表示未使用sidetable

既然isa中引用计数值占19位，那么当19位都占满时和占满之后isa值的情况如何呢？下面来看下这两种情况。

#######当isa的前19位都为1时，isa指针的值:61 dc 1b 01 a1 e1 ff ff
对应的二进制：
1111 1111 1111 1111 1110 0001 1010 0001
0000 0001 0001 1011 1101 1100 0110 0001
此时引用计数为2的19次方加1，也就是524288.
注意此时的isa的第20位，依旧为0.
接下来，我们再增加一个对per对象的引用。则引用计数为524289.
此时，isa的值为：61 dc 1b 01 a1 11 00 80
对应的二进制：
1000 0000 0000 0000 0001 0001 1010 0001
0000 0001 0001 1011 1101 1100 0110 0001
此时isa的高19位的值为 1000 0000 0000 0000 000
第20位值为1.说明启用了SideTabel存储引用计数。
如果，我们再次增加引用计数的话，isa的高19位的值依然会增加。
可以得出结论：当isa的存储引用计数的19位占满之后，其最高位变为1，其他位变0. 若继续增加引用计数，这19位会依旧继续增加值。

注意问题

1.只有自定义的继承NSObject类，对应实例的isa，才能查看到其存储的引用计数。
2.使用的时候，要用真机调试。模拟器和真机有区别。

思考问题？

1.strong、retain如何增加引用计数？
2.weak 实现原理？
3.assign 与weak 区别？
4.引用计数为0的对象，何时释放?
5.autorelasepool原理以及何时释放？