iOS - 引用计数（ARC）

1. 根本数据布局

1. // 对象结构
2. struct objc_object {
3.     isa_t isa;  // isa 指针，包含引用计数信息
4. };
6. // isa 的位域结构
7. union isa_t {
8.     uintptr_t bits;
9.     struct {
10.         uintptr_t nonpointer        : 1;  // 是否启用优化的 isa 指针
11.         uintptr_t has_assoc         : 1;  // 是否有关联对象
12.         uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;  // 是否有 C++ 析构函数
13.         uintptr_t shiftcls          : 33; // 类的指针
14.         uintptr_t magic             : 6;  // 用于调试
15.         uintptr_t weakly_referenced : 1;  // 是否有弱引用
16.         uintptr_t deallocating      : 1;  // 是否正在释放
17.         uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;  // 引用计数是否在 SideTable 中
18.         uintptr_t extra_rc          : 19; // 额外的引用计数值
19.     };
20. }

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2. 引用计数存储位置

2.1 isa 优化

1. inline bool
2. objc_object::hasNonpointerIsa() {
3.     return isa.nonpointer;  // 判断是否使用优化的 isa
4. }
6. // 引用计数存储在 isa 的情况
7. if (isa.nonpointer) {
8.     // 引用计数存储在 isa.extra_rc 中
9.     // 最多可存储 2^19 - 1 个引用
10. }

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2.2 SideTable 存储

1. struct SideTable {
2.     spinlock_t slock;
3.     RefcountMap refcnts;  // 引用计数哈希表
4.     weak_table_t weak_table;  // 弱引用表
5. };
7. // 当 isa 中的引用计数溢出时
8. if (isa.has_sidetable_rc) {
9.     // 引用计数存储在 SideTable 的 refcnts 中
10. }

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3. 引用计数操纵

3.1 retain 操纵

1. id objc_retain(id obj) {
2.     if (!obj) return obj;
3.     if (obj->isTaggedPointer()) return obj;
4.     return obj->retain();
5. }
7. inline id
8. objc_object::retain() {
9.     if (isTaggedPointer()) return this;
10.    
11.     if (fastpath(!ISA()->hasCustomRR())) {
12.         if (fastpath(isa.hasNonpointerIsa())) {
13.             addExtraRC_nolock();
14.         } else {
15.             sidetable_retain();
16.         }
17.     }
18.     return this;
19. }

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3.2 release 操纵

1. void objc_release(id obj) {
2.     if (!obj) return;
3.     if (obj->isTaggedPointer()) return;
4.     obj->release();
5. }
7. inline bool
8. objc_object::release() {
9.     if (isTaggedPointer()) return false;
10.    
11.     if (fastpath(!ISA()->hasCustomRR())) {
12.         if (fastpath(isa.hasNonpointerIsa())) {
13.             return sidetable_release(true);
14.         }
15.         return sidetable_release(false);
16.     }
17.     return false;
18. }

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4. 引用计数溢出处理

1. void objc_object::sidetable_addExtraRC_nolock(size_t delta_rc) {
2.     // 当 isa.extra_rc 即将溢出时
3.     if (isa.extra_rc + delta_rc > RC_MASK) {
4.         // 将引用计数迁移到 SideTable
5.         isa.has_sidetable_rc = true;
6.         auto &table = SideTables()[this];
7.         size_t& refcnt = table.refcnts[this];
8.         refcnt += delta_rc;
9.     } else {
10.         // 继续使用 isa 存储
11.         isa.extra_rc += delta_rc;
12.     }
13. }

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5. 弱引用处理

5.1 弱引用表布局

1. struct weak_table_t {
2.     weak_entry_t *weak_entries;  // 弱引用数组
3.     size_t    num_entries;       // 条目数
4.     uintptr_t mask;             // 容量掩码
5.     uintptr_t max_hash_displacement;  // 最大哈希偏移
6. };

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5.2 弱引用操纵

1. id objc_loadWeakRetained(id *location) {
2.     id obj = *location;
3.     if (!obj) return nil;
4.     if (obj->isTaggedPointer()) return obj;
5.     return obj->rootRetain();
6. }
8. void objc_storeWeak(id *location, id obj) {
9.     _objc_weak_store(location, obj);
10. }

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6. 自动释放池相干

1. void *objc_autoreleasePoolPush(void) {
2.     return AutoreleasePoolPage::push();
3. }
5. void objc_autoreleasePoolPop(void *ctxt) {
6.     AutoreleasePoolPage::pop(ctxt);
7. }
9. id objc_autorelease(id obj) {
10.     if (!obj) return obj;
11.     if (obj->isTaggedPointer()) return obj;
12.     return obj->autorelease();
13. }

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7. 优化机制

7.1 Tagged Pointer

1. bool isTaggedPointer() {
2.     return ((uintptr_t)this & _OBJC_TAG_MASK) == _OBJC_TAG_MASK;
3. }
5. // Tagged Pointer 对象不参与引用计数
6. if (obj->isTaggedPointer()) {
7.     return obj;  // 直接返回，不进行引用计数操作
8. }

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7.2 散列表优化

1. // SideTable 的哈希表实现
2. struct RefcountMap : public objc::DenseMap<DisguisedPtr<objc_object>,size_t,true> {
3.     // 使用 DenseMap 提高查找效率
4. };

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8. 内存管理计谋

8.1 dealloc 流程

1. inline void
2. objc_object::rootDealloc() {
3.     if (isTaggedPointer()) return;
4.    
5.     if (fastpath(isa.hasNonpointerIsa())) {
6.         // 快速释放路径
7.         if (fastpath(!isa.weakly_referenced && !isa.has_assoc)) {
8.             free(this);
9.             return;
10.         }
11.     }
12.     object_dispose((id)this);
13. }

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8.2 引用计数检查

1. bool objc_object::rootTryRetain() {
2.     if (isTaggedPointer()) return true;
3.    
4.     if (fastpath(!ISA()->hasCustomRR())) {
5.         if (fastpath(isa.hasNonpointerIsa())) {
6.             // 尝试增加引用计数
7.             return sidetable_tryRetain();
8.         }
9.     }
10.     return false;
11. }

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这个引用计数体系的设计考虑了：

• 性能优化（isa 优化、Tagged Pointer）
  
• 内存效率（分散存储计谋）
  
• 线程安全（自旋锁、原子操纵）
  
• 扩展性（支持自界说引用计数）
  

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