黑箱中的 retain 和 release

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 retain 和 release 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 retain 和 release 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：

- [NSObject retain]
└── id objc_object::rootRetain()
    └── id objc_object::rootRetain(bool tryRetain, bool handleOverflow)
        ├── uintptr_t LoadExclusive(uintptr_t *src)
        ├── uintptr_t addc(uintptr_t lhs, uintptr_t rhs, uintptr_t carryin, uintptr_t *carryout)
        ├── uintptr_t bits
        │   └── uintptr_t has_sidetable_rc  
        ├── bool StoreExclusive(uintptr_t *dst, uintptr_t oldvalue, uintptr_t value)
        └── bool objc_object::sidetable_addExtraRC_nolock(size_t delta_rc)                
            └── uintptr_t addc(uintptr_t lhs, uintptr_t rhs, uintptr_t carryin, uintptr_t *carryout)

调用栈中的前两个方法的实现直接调用了下一个方法：

- (id)retain {
    return ((id)self)->rootRetain();
}

id objc_object::rootRetain() {
    return rootRetain(false, false);
}

而 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：

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：

id objc_object::rootRetain(bool tryRetain, bool handleOverflow) {
    isa_t oldisa;
    isa_t newisa;

    do {
        oldisa = LoadExclusive(&isa.bits);
        newisa = oldisa;

        uintptr_t carry;
        newisa.bits = addc(newisa.bits, RC_ONE, 0, &carry);
    } while (!StoreExclusive(&isa.bits, oldisa.bits, newisa.bits));

    return (id)this;
}

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。

id objc_object::rootRetain(bool tryRetain, bool handleOverflow) {
    transcribeToSideTable = false;
    isa_t oldisa = LoadExclusive(&isa.bits);
    isa_t newisa = oldisa;

    uintptr_t carry;
    newisa.bits = addc(newisa.bits, RC_ONE, 0, &carry);

    if (carry && !handleOverflow)
        return rootRetain_overflow(tryRetain);
}

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：

id objc_object::rootRetain_overflow(bool tryRetain) {
    return rootRetain(tryRetain, true);
}

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。

id objc_object::rootRetain(bool tryRetain, bool handleOverflow) {
    bool sideTableLocked = false;

    isa_t oldisa;
    isa_t newisa;

    do {
        oldisa = LoadExclusive(&isa.bits);
        newisa = oldisa;
        uintptr_t carry;
        newisa.bits = addc(newisa.bits, RC_ONE, 0, &carry);

        if (carry) {
            newisa.extra_rc = RC_HALF;
            newisa.has_sidetable_rc = true;
        }
    } while (!StoreExclusive(&isa.bits, oldisa.bits, newisa.bits));

    sidetable_addExtraRC_nolock(RC_HALF);

    return (id)this;
}

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：

#define RC_HALF (1ULL<<7)

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。

bool objc_object::sidetable_addExtraRC_nolock(size_t delta_rc) {
    SideTable& table = SideTables()[this];

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

    if (oldRefcnt & SIDE_TABLE_RC_PINNED) return true;

    uintptr_t carry;
    size_t newRefcnt = 
        addc(oldRefcnt, delta_rc << SIDE_TABLE_RC_SHIFT, 0, &carry);
    if (carry) {
        refcntStorage = SIDE_TABLE_RC_PINNED | (oldRefcnt & SIDE_TABLE_FLAG_MASK);
        return true;
    } else {
        refcntStorage = newRefcnt;
        return false;
    }
}

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：

#define SIDE_TABLE_WEAKLY_REFERENCED (1UL<<0)
#define SIDE_TABLE_DEALLOCATING      (1UL<<1)
#define SIDE_TABLE_RC_ONE            (1UL<<2)
#define SIDE_TABLE_RC_PINNED         (1UL<<(WORD_BITS-1))

#define SIDE_TABLE_RC_SHIFT 2
#define SIDE_TABLE_FLAG_MASK (SIDE_TABLE_RC_ONE-1)

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_rc 和 SideTable 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：

- [NSObject release]
└── id objc_object::rootRelease()
    └── id objc_object::rootRetain(bool performDealloc, bool handleUnderflow)

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：

bool objc_object::rootRelease(bool performDealloc, bool handleUnderflow) {
    isa_t oldisa;
    isa_t newisa;

    do {
        oldisa = LoadExclusive(&isa.bits);
        newisa = oldisa;

        uintptr_t carry;
        newisa.bits = subc(newisa.bits, RC_ONE, 0, &carry);
    } while (!StoreReleaseExclusive(&isa.bits, oldisa.bits, newisa.bits));

    return false;
}

1. 使用 LoadExclusive 获取 isa 内容
2. 将 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：

bool objc_object::rootRelease(bool performDealloc, bool handleUnderflow) {
    isa_t oldisa;
    isa_t newisa;

    do {
        oldisa = LoadExclusive(&isa.bits);
        newisa = oldisa;

        uintptr_t carry;
        newisa.bits = subc(newisa.bits, RC_ONE, 0, &carry);
        if (carry) goto underflow;
    } while (!StoreReleaseExclusive(&isa.bits, oldisa.bits, newisa.bits));

    ...

 underflow:
    newisa = oldisa;

    if (newisa.has_sidetable_rc) {
        if (!handleUnderflow) {
            return rootRelease_underflow(performDealloc);
        }

        size_t borrowed = sidetable_subExtraRC_nolock(RC_HALF);

        if (borrowed > 0) {
            newisa.extra_rc = borrowed - 1;
            bool stored = StoreExclusive(&isa.bits, oldisa.bits, newisa.bits);

            return false;
        } 
    }
}

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。

bool objc_object::rootRelease(bool performDealloc, bool handleUnderflow) {
    isa_t oldisa;
    isa_t newisa;

 retry:
    do {
        oldisa = LoadExclusive(&isa.bits);
        newisa = oldisa;

        uintptr_t carry;
        newisa.bits = subc(newisa.bits, RC_ONE, 0, &carry);
        if (carry) goto underflow;
    } while (!StoreReleaseExclusive(&isa.bits, oldisa.bits, newisa.bits));

    ...

 underflow:
    newisa = oldisa;

    if (newisa.deallocating) {
        return overrelease_error();
    }
    newisa.deallocating = true;
    StoreExclusive(&isa.bits, oldisa.bits, newisa.bits);

    if (performDealloc) {
        ((void(*)(objc_object *, SEL))objc_msgSend)(this, SEL_dealloc);
    }
    return true;
}

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：

- (NSUInteger)retainCount {
    return ((id)self)->rootRetainCount();
}

inline uintptr_t objc_object::rootRetainCount() {
    isa_t bits = LoadExclusive(&isa.bits);
    uintptr_t rc = 1 + bits.extra_rc;
    if (bits.has_sidetable_rc) {
        rc += sidetable_getExtraRC_nolock();
    }
    return rc;
}

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 retain 和 release 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_rc 和 SideTable 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。