iOS：SideTable

本文源码来自于 objc4-756.2 版本；
  本文研究 sideTable 在 objc4 源码中的使用及其作用，从而剖析 iOS 中引用计数器和弱引用的实现原理；
1. retain 利用

我们都知道，新版本的 objc 中引入了 Tagged Pointer，且 isa 采用 union 的方式进行构造，此中 isa 的布局体中有一个 extra_rc 和 has_sidetable_rc，这两者共同记录引用计数器。
直接看看 objc_object::rootRetain() 方法，只看 extra_rc 超出之后 sidetable 相关的代码，删减之后如下：

1. uintptr_t carry;
2.     newisa.bits = addc(newisa.bits, RC_ONE, 0, &carry);  // extra_rc++
4. if (carry) {
5.     // Leave half of the retain counts inline and prepare to copy the other half to the side table.
6.     transcribeToSideTable = true;
7.     newisa.extra_rc = RC_HALF;
8.     newisa.has_sidetable_rc = true;
9. }
10. if (slowpath(transcribeToSideTable)) {
11.         // Copy the other half of the retain counts to the side table.
12.         sidetable_addExtraRC_nolock(RC_HALF);
13. }

复制代码

那么关键方法就是 sidetable_addExtraRC_nolock()：

1. bool
2. objc_object::sidetable_addExtraRC_nolock(size_t delta_rc)
3. {
4.     assert(isa.nonpointer);
5.     // 取出this对象所在的SideTable
6.     SideTable& table = SideTables()[this];
7.     // 取出SideTable中存储的refcnts，类型为Map
8.     size_t& refcntStorage = table.refcnts[this];
9.     // 记录原始的引用计数器
10.     size_t oldRefcnt = refcntStorage;
12.     // 容错处理
13.     assert((oldRefcnt & SIDE_TABLE_DEALLOCATING) == 0);
14.     assert((oldRefcnt & SIDE_TABLE_WEAKLY_REFERENCED) == 0);
15.     if (oldRefcnt & SIDE_TABLE_RC_PINNED) return true;
17.     uintptr_t carry;
18.     size_t newRefcnt =
19.         addc(oldRefcnt, delta_rc << SIDE_TABLE_RC_SHIFT, 0, &carry);
20.     if (carry) {
21.         // SideTable溢出处理
22.         refcntStorage =
23.             SIDE_TABLE_RC_PINNED | (oldRefcnt & SIDE_TABLE_FLAG_MASK);
24.         return true;
25.     } else {
26.         // SideTable未溢出
27.         refcntStorage = newRefcnt;
28.         return false;
29.     }
30. }

复制代码

这个函数的逻辑如下：

• 根据 this，也就是对象的地址从 SideTables 中取出一个 SideTable；
  
• 获取 SideTable 的 refcnts，这个成员变量是一个 Map；
  
• 存储旧的引用计数器；
  
• 进行 add 盘算，并记录是否有溢出；
  
• 根据是否溢出盘算并记录结果，最后返回；
  

那么，这里有几个点需要解开：

• 什么是 SideTables；
  
• 什么是 SideTable；
  
• 什么是 refcnts；
  
• add 的盘算逻辑为什么需要位移？
  
• SideTable 中的溢出时如何处置处罚的？
  

接下来，一一办理~~~
2. SideTables

直接来看 SideTables 的代码：

1. static StripedMap<SideTable>& SideTables() {
2.     return *reinterpret_cast<StripedMap<SideTable>*>(SideTableBuf);
3. }

复制代码

起首，这是个静态函数，返回 StripedMap<SideTable> 类型，但是 & 是什么意思呢？这个是 C++ 语法，表示返回引用类型，看个例子：
         

          &的用法    & 的用法还有些限定，比如不能返回栈中的引用，否则会栈变量消失后会出现 error，还有一些其他的限定，有兴趣可以穷究，这里只需要知道 & 表示返回引用类型，也就是可以通过 & func() 来获取函数返回值的指针，其他的不再赘述；
接着，比较懵逼的是 *reinterpret_cast ，其实这个是 C++ 的逼迫类型转换语法，不用穷究，有兴趣的可以自行百度。
以是，总结下这段代码：

• SideTables() 使用 static 修饰，是一个静态函数；
  
• & 表示返回引用类型；
  
• reinterpret_cast 是一个逼迫类型转换符号；
  
• 函数最终的结果就是返回 SideTableBuf；
  

那么 SideTableBuf 又是什么？
3. SideTableBuf

直接看代码：

1. // We cannot use a C++ static initializer to initialize SideTables because
2. // libc calls us before our C++ initializers run. We also don't want a global
3. // pointer to this struct because of the extra indirection.
4. // Do it the hard way.
6. alignas(StripedMap<SideTable>) static uint8_t
7.     SideTableBuf[sizeof(StripedMap<SideTable>)];

复制代码

起首看解释，分析白两点：

• SideTables 在 C++ 的 initializers 函数之前被调用，以是不能使用 C++ 初始化函数来初始化 SideTables，而 SideTables 本质就是 SideTableBuf；
  
• 不能使用全局指针来指向这个布局体，因为涉及到重定向问题；
  

   其实照旧比较懵逼为什么 SideTableBuf 要这么设计，原理有待讲求~~~估计和初始化有关；
  继续看 SideTableBuf，要点包括：

• alignas 表示对齐；
  
• StripedMap<SideTable> 的 size 为 4096(存疑，待验证)；
  
• uint8_t 现实上是 unsigned char 类型，即占 1 个字节；
  

由此可以得出：

• SideTableBuf 本质上是一个长度为 sizeof(StripedMap<SideTable>) 的 char 类型的数组；
  

同时也可以这么明白：

• SideTableBuf 本质上就是一个巨细为和 StripedMap<SideTable> 对象同等的内存块；
  

这也是为什么 SideTableBuf 可以用来表示 StripedMap<SideTable> 对象。本质上而言，SideTableBuf 就是指一个 StripedMap<SideTable>对象；
那么接下来就是搞清楚 StripedMap<SideTable> 是个什么东西了......
4. StripedMap<SideTable>

先上代码，删减一些方法之后的代码为：

1. template<typename T>
2. class StripedMap {
3. #if TARGET_OS_IPHONE && !TARGET_OS_SIMULATOR
4.     enum { StripeCount = 8 };
5. #else
6.     enum { StripeCount = 64 };
7. #endif
9.     struct PaddedT {
10.         T value alignas(CacheLineSize);
11.     };
13.     PaddedT array[StripeCount];
15.     static unsigned int indexForPointer(const void *p) {
16.         uintptr_t addr = reinterpret_cast<uintptr_t>(p);
17.         return ((addr >> 4) ^ (addr >> 9)) % StripeCount;
18.     }
20. public:
21.     T& operator[] (const void *p) {
22.         return array[indexForPointer(p)].value;
23.     }
24.     const T& operator[] (const void *p) const {
25.         return const_cast<StripedMap<T>>(this)[p];
26.     }
27.     ...省略了对象方法...
28. }

复制代码

上述代码的逻辑为：

• 根据是否为 iphone 定义了一个 StripeCount，iphone 下为 8；
  
• 源码中 CacheLineSize 为 64，使用 T 定义了一个布局体，而 T 就是 SideTable 类型；
  
• 天生了一个长度为 8 类型为 SideTable 的数组；
  
• indexForPointer() 逻辑为根据传入的指针，经过一定的算法，盘算出一个存储该指针的位置，因为使用了取模运算，以是值为 0 - StripeCount；
  
• 背面的 operator 表示重写了运算符 [] 的逻辑，调用了 indexForPointer() 方法，这样使用起来更像一个数组；
  

至此，SideTables 的寄义已经很清楚了：

• SideTables 可以明白成一个类型为 StripedMap<SideTable> 静态全局对象，内部以数组的形式存储了 StripeCount 个 SideTable；
  

那么第一个问题已包办理，按照 sidetable_addExtraRC_nolock() 方法中的逻辑，先从 SideTables 数组中取出一个 SideTable，然后进行相关利用，以是现在就来看看 SideTable 是个啥~~~
5. SideTable

1. struct SideTable {
2.     spinlock_t slock;
3.     RefcountMap refcnts;
4.     weak_table_t weak_table;
6.     SideTable() {
7.         memset(&weak_table, 0, sizeof(weak_table));
8.     }
10.     ~SideTable() {
11.         _objc_fatal("Do not delete SideTable.");
12.     }
13.     ...省略对象方法...
14. }

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可以看到，SideTable 有三个成员变量：

• spinlock_t：自旋锁，负责加锁相关逻辑；
  
• refcnts：存储引用计数器的 Map；
  
• weak_table：存储弱引用的表；
  

自旋锁暂不讨论，来看看 refcnts 的定义：

1. typedef objc::DenseMap<DisguisedPtr<objc_object>,size_t,RefcountMapValuePurgeable> RefcountMap;

复制代码

DenseMap 过于复杂，我们看看基类 DenseMapBase 中的部门代码，如下，DenseMapBase中重写了利用符 []：

1. ValueT &operator[](const KeyT &Key) {
2.     return FindAndConstruct(Key).second;
3.   }

复制代码

大意是通过传入的 Key 寻找对应的 Value。而 Key 是 DisguisedPtr<objc_object> 类型，Value 是 size_t 类型。
回到最初的 sidetable_addExtraRC_nolock 方法中：

1. size_t& refcntStorage = table.refcnts[this];

复制代码

上述代码就是通过 this ，即 object 对象的地址，取出 refcnts 这个哈希表中存储的引用计数器；
refcnts 可以明白成一个 Map，使用 address:refcount 的形式存储了许多个对象的引用计数器；
6. 总结

         

          SideTables 和 SideTable   

• iphone 中 SideTables() 本质是返回一个 SideTableBuf 对象，该对象存储 8 个 SideTable；
  
• 因为涉及到多线程和服从的问题，肯定不可能只使用一个 SideTable 来存储对象相关的引用计数器和弱引用；
  
• Apple 通过对 object 的地址进行运算之后，对 SideTable 的个数进行取模运算，以此来决定将对象分配到哪个 SideTable 进行信息存储，因为有取模运算，不会出现数组溢出的环境；
  

总结：

• objc 中当对象需要使用到 sideTable 时，会被分配到 8/64 个全局 sideTables 中的某一个表中存储相关的引用计数器或者弱引用信息；
  

7. weak_table

继续看弱引用如何实现的，看看 weak_table_t 源码：

1. /**
2. * The global weak references table. Stores object ids as keys,
3. * and weak_entry_t structs as their values.
4. */
5. struct weak_table_t {
6.     weak_entry_t *weak_entries;
7.     size_t    num_entries;
8.     uintptr_t mask;
9.     uintptr_t max_hash_displacement;
10. };

复制代码

解释也分析白 weak_table_t 是一个全局引用表，object 的地址作为 key，weak_entry_t 作为 Value。只不过这个全局引用表有 8 或者 64 个；
那么这个 weak_entry_t 是什么，又是怎么用的呢，弱引用的存储逻辑是怎样的？
         

          image.png    疑问

• 为什么 weak 能够自动置位 nil？
  
• 析构函数？
  

SideTables 的初始化时机和流程

isa 中的 shiftcls 溢出时则调用 sidetable_addExtraRC_nolock 方法将一半的引用计数器存入 sidetable 中
从上面的代码来看，逻辑相对清楚：

• SideTables 应该是一个全局性的东西；
  
• 传入 this 取出 当前对象相关的 SideTable；
  
• SideTable 有一个 refcnts 的 map，仍然根据 this 取出这个旧的引用计数器；
  
• 通过 addc 盘算，需要位移估计是因为 refcnts 在 sideTable 中的位置有关吧；
  
• 盘算完毕，如果没有溢出，则直接新值替换旧值；
  
• 如果发生溢出，则？？
  

接下来 SideTable：

1. struct SideTable {
2.     spinlock_t slock;
3.     RefcountMap refcnts;
4.     weak_table_t weak_table;
5.     ...省略对象方法...
6. }

复制代码

SideTables 应该是一个全局变量，其定义如下：

1. static StripedMap<SideTable>& SideTables() {
2.     return *reinterpret_cast<StripedMap<SideTable>*>(SideTableBuf);
3. }

复制代码

如上，是一个静态方法，获取 StripedMap<SideTable> 类型的变量的
SideTables 的初始化

         

          image.png            

          image.png            

          image.png            

          image.png            

          image.png    notifyBatchPartial 方法中，state = dyld_image_state_bound 时：

1. (*sNotifyObjCMapped)(objcImageCount, paths, mhs);

复制代码

         

          image.png            

          image.png            

          image.png
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