很少有人知道weak表其實是一個hash（雜湊）表，Key是所指物件的地址，Value是weak指標的地址陣列。更多人的人只是知道weak是弱引用，所引用物件的計數器不會加一，並在引用物件被釋放的時候自動被設定為nil。通常用於解決迴圈引用問題。但現在單知道這些已經不足以應對面試了，好多公司會問weak的原理。weak的原理是什麼呢？下面就分析一下weak的工作原理（只是自己對這個問題好奇，學習過程中的筆記，希望對讀者也有所幫助）。
weak 實現原理的概括
Runtime維護了一個weak表，用於儲存指向某個物件的所有weak指標。weak表其實是一個hash（雜湊）表，Key是所指物件的地址，Value是weak指標的地址（這個地址的值是所指物件的地址）陣列。
weak 的實現原理可以概括一下三步：
1、初始化時：runtime會呼叫objc_initWeak函式，初始化一個新的weak指標指向物件的地址。
2、新增引用時：objc_initWeak函式會呼叫 objc_storeWeak() 函式， objc_storeWeak() 的作用是更新指標指向，建立對應的弱引用表。
3、釋放時，呼叫clearDeallocating函式。clearDeallocating函式首先根據物件地址獲取所有weak指標地址的陣列，然後遍歷這個陣列把其中的資料設為nil，最後把這個entry從weak表中刪除，最後清理物件的記錄。
下面將開始詳細介紹每一步：
1、初始化時：runtime會呼叫objc_initWeak函式，objc_initWeak函式會初始化一個新的weak指標指向物件的地址。 示例程式碼：
{
NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];
id __weak obj1 = obj;
}
複製程式碼當我們初始化一個weak變數時，runtime會呼叫 NSObject.mm 中的objc_initWeak函式。這個函式在Clang中的宣告如下：
id objc_initWeak(id *object, id value);
複製程式碼而對於 objc_initWeak() 方法的實現
id objc_initWeak(id *location, id newObj) {
// 檢視物件例項是否有效
// 無效物件直接導致指標釋放
if (!newObj) {
*location = nil;
return nil;
}
// 這裡傳遞了三個 bool 數值
// 使用 template 進行常量引數傳遞是為了優化效能
return storeWeakfalse /*old*/, true/*new*/, true /*crash*/>
(location, (objc_object*)newObj);
}
複製程式碼可以看出，這個函式僅僅是一個深層函式的呼叫入口，而一般的入口函式中，都會做一些簡單的判斷（例如 objc_msgSend 中的快取判斷），這裡判斷了其指標指向的類物件是否有效，無效直接釋放，不再往深層呼叫函式。否則，object將被註冊為一個指向value的__weak物件。而這事應該是objc_storeWeak函式乾的。
注意：objc_initWeak函式有一個前提條件：就是object必須是一個沒有被註冊為__weak物件的有效指標。而value則可以是null，或者指向一個有效的物件。
2、新增引用時：objc_initWeak函式會呼叫 objc_storeWeak() 函式， objc_storeWeak() 的作用是更新指標指向，建立對應的弱引用表。 objc_storeWeak的函式宣告如下：
id objc_storeWeak(id *location, id value);
複製程式碼objc_storeWeak() 的具體實現如下：
// HaveOld: true - 變數有值
// false - 需要被及時清理，當前值可能為 nil
// HaveNew: true - 需要被分配的新值，當前值可能為 nil
// false - 不需要分配新值
// CrashIfDeallocating: true - 說明 newObj 已經釋放或者 newObj 不支援弱引用，該過程需要暫停
// false - 用 nil 替代儲存
template bool HaveOld, bool HaveNew, bool CrashIfDeallocating>
static id storeWeak(id *location, objc_object *newObj) {
// 該過程用來更新弱引用指標的指向
// 初始化 previouslyInitializedClass 指標
Class previouslyInitializedClass = nil;
id oldObj;
// 宣告兩個 SideTable
// ① 新舊雜湊建立
SideTable *oldTable;
SideTable *newTable;
// 獲得新值和舊值的鎖存位置（用地址作為唯一標示）
// 通過地址來建立索引標誌，防止桶重複
// 下面指向的操作會改變舊值
retry:
if (HaveOld) {
// 更改指標，獲得以 oldObj 為索引所儲存的值地址
oldObj = *location;
oldTable = &SideTables()[oldObj];
} else {
oldTable = nil;
}
if (HaveNew) {
// 更改新值指標，獲得以 newObj 為索引所儲存的值地址
newTable = &SideTables()[newObj];
} else {
newTable = nil;
}
// 加鎖操作，防止多執行緒中競爭衝突
SideTable::lockTwoHaveOld, HaveNew>(oldTable, newTable);
// 避免執行緒衝突重處理
// location 應該與 oldObj 保持一致，如果不同，說明當前的 location 已經處理 過 oldObj 可是又被其他執行緒所修改
if (HaveOld && *location != oldObj) {
SideTable::unlockTwoHaveOld, HaveNew>(oldTable, newTable);
goto retry;
}
// 防止弱引用間死鎖
// 並且通過 +initialize 初始化構造器保證所有弱引用的 isa 非空指向
if (HaveNew && newObj) {
// 獲得新物件的 isa 指標
Class cls = newObj->getIsa();
// 判斷 isa 非空且已經初始化
if (cls != previouslyInitializedClass &&
!((objc_class *)cls)->isInitialized()) {
// 解鎖
SideTable::unlockTwoHaveOld, HaveNew>(oldTable, newTable);
// 對其 isa 指標進行初始化
_class_initialize(_class_getNonMetaClass(cls, (id)newObj));
// 如果該類已經完成執行 +initialize 方法是最理想情況
// 如果該類 +initialize 線上程中
// 例如 +initialize 正在呼叫 storeWeak 方法
// 需要手動對其增加保護策略，並設定 previouslyInitializedClass 指標進行標記
previouslyInitializedClass = cls;
// 重新嘗試
goto retry;
}
}
// 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
// 在引用計數表中設定若引用標記位
if (newObj && !newObj->isTaggedPointer()) {
// 弱引用位初始化操作
// 引用計數那張雜湊表的weak引用物件的引用計數中標識為weak引用
newObj->setWeaklyReferenced_nolock();
}
// 之前不要設定 location 物件，這裡需要更改指標指向
*location = (id)newObj;
} else {
// 沒有新值，則無需更改
}
SideTable::unlockTwoHaveOld, HaveNew>(oldTable, newTable);
return (id)newObj;
}
複製程式碼撇開原始碼中各種鎖操作，來看看這段程式碼都做了些什麼。
1)、SideTable
SideTable 這個結構體，我給他起名引用計數和弱引用依賴表，因為它主要用於管理物件的引用計數和 weak 表。在 NSObject.mm 中宣告其資料結構：
struct SideTable {
// 保證原子操作的自旋鎖
spinlock_t slock;
// 引用計數的 hash 表
RefcountMap refcnts;
// weak 引用全域性 hash 表
weak_table_t weak_table;
}
複製程式碼對於 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，第二個是協助物件的 isa 指標的 extra_rc 共同引用計數的變數（對於物件結果，在今後的文中提到）。這裡主要看 weak 全域性 hash 表的結構與作用。
2)、weak表
weak表是一個弱引用表，實現為一個weak_table_t結構體，儲存了某個物件相關的的所有的弱引用資訊。其定義如下(具體定義在objc-weak.h中)：
struct weak_table_t {
// 儲存了所有指向指定物件的 weak 指標
weak_entry_t *weak_entries;
// 儲存空間
size_t num_entries;
// 參與判斷引用計數輔助量
uintptr_t mask;
// hash key 最大偏移值
uintptr_t max_hash_displacement;
};
複製程式碼這是一個全域性弱引用hash表。使用不定型別物件的地址作為 key ，用 weak_entry_t 型別結構體物件作為 value 。其中的 weak_entries 成員，從字面意思上看，即為弱引用表入口。其實現也是這樣的。
其中weak_entry_t是儲存在弱引用表中的一個內部結構體，它負責維護和儲存指向一個物件的所有弱引用hash表。其定義如下：
typedef objc_object ** weak_referrer_t;
struct weak_entry_t {
DisguisedPtrobjc_object> referent;
union {
struct {
weak_referrer_t *referrers;
uintptr_t out_of_line : 1;
uintptr_t num_refs : PTR_MINUS_1;
uintptr_t mask;
uintptr_t max_hash_displacement;
};
struct {
// out_of_line=0 is LSB of one of these (don't care which)
weak_referrer_t inline_referrers[WEAK_INLINE_COUNT];
};
}
}
複製程式碼在 weak_entry_t 的結構中，DisguisedPtr referent 是對泛型物件的指標做了一個封裝，通過這個泛型類來解決記憶體洩漏的問題。從註釋中寫 out_of_line 成員為最低有效位，當其為0的時候， weak_referrer_t 成員將擴充套件為多行靜態 hash table。其實其中的 weak_referrer_t 是二維 objc_object 的別名，通過一個二維指標地址偏移，用下標作為 hash 的 key，做成了一個弱引用雜湊。
那麼在有效位未生效的時候，out_of_line、 num_refs、 mask 、 max_hash_displacement有什麼作用？以下是筆者自身的猜測：
- out_of_line：最低有效位，也是標誌位。當標誌位 0 時，增加引用表指標緯度。
- num_refs：引用數值。這裡記錄弱引用表中引用有效數字，因為弱引用表使用 的>是靜態 hash 結構，所以需要使用變數來記錄數目。
- mask：計數輔助量。
- max_hash_displacement：hash 元素上限閥值。
其實 out_of_line 的值通常情況下是等於零的，所以弱引用表總是一個 objc_objective 指標二維陣列。一維 objc_objective 指標可構成一張弱引用雜湊表，通過第三緯度實現了多張雜湊表，並且表數量為 WEAK_INLINE_COUNT。
總結一下
StripedMap[]：
StripedMap是一個模板類，在這個類中有一個array成員，用來儲存PaddedT物件，並且其中對於[]符的過載定義中，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，也就是SideTable物件。在array的下標中，這裡使用了indexForPointer方法通過位運算計算下標，實現了靜態的Hash Table。而在weak_table中，其成員weak_entry會將傳入物件的地址加以封裝起來，並且其中也有訪問全域性弱引用表的入口。
舊物件解除註冊操作 weak_unregister_no_lock
該方法主要作用是將舊物件在 weak_table 中接觸 weak 指標的對應繫結。根據函式名，稱之為解除註冊操作。從原始碼中，可以知道其功能就是從 weak_table 中接觸 weak 指標的繫結。而其中的遍歷查詢，就是針對於 weak_entry 中的多張弱引用雜湊表。
新物件新增註冊操作 weak_register_no_lock
這一步與上一步相反，通過 weak_register_no_lock 函式把心的物件進行註冊操作，完成與對應的弱引用表進行繫結操作。
初始化弱引用物件流程一覽
弱引用的初始化，從上文的分析中可以看出，主要的操作部分就在弱引用表的取鍵、查詢雜湊、建立弱引用表等操作，可以總結出如下的流程圖：
這個圖中省略了很多情況的判斷，但是當宣告一個 weak 會呼叫上圖中的這些方法。當然， storeWeak 方法不僅僅用在 weak 的宣告中，在 class 內部的操作中也會常常通過該方法來對 weak 物件進行操作。
3、釋放時，呼叫clearDeallocating函式。clearDeallocating函式首先根據物件 地址獲取所有weak指標地址的陣列，然後遍歷這個陣列把其中的資料設為nil，最後把這個entry從weak表中刪除，最後清理物件的記錄。 當weak引用指向的物件被釋放時，又是如何去處理weak指標的呢？當釋放物件時，其基本流程如下：
- 呼叫objc_release
- 因為物件的引用計數為0，所以執行dealloc
- 在dealloc中，呼叫了_objc_rootDealloc函式
- 在_objc_rootDealloc中，呼叫了object_dispose函式
- 呼叫objc_destructInstance
- 最後呼叫objc_clear_deallocating
重點看物件被釋放時呼叫的objc_clear_deallocating函式。該函式實現如下：
void objc_clear_deallocating(id obj)
{
assert(obj);
assert(!UseGC);
if (obj->isTaggedPointer()) return ;
obj->clearDeallocating();
}
複製程式碼也就是呼叫了clearDeallocating，繼續追蹤可以發現，它最終是使用了迭代器來取weak表的value，然後呼叫weak_clear_no_lock,然後查詢對應的value，將該weak指標置空，weak_clear_no_lock函式的實現如下：
/**
* 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.
*/
void weak_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 references
weak_referrer_t *referrers;
size_t count;
if (entry->out_of_line) {
referrers = entry->referrers;
count = TABLE_SIZE(entry);
} else {
referrers = entry->inline_referrers;
count = WEAK_INLINE_COUNT;
}
for (size_t i = 0; i < count; ++i) {
objc_object **referrer = referrers[i];
if (referrer) {
if (*referrer == referent) {
*referrer = nil;
} else if (*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);
}
複製程式碼objc_clear_deallocating該函式的動作如下：
- 從weak表中獲取廢棄物件的地址為鍵值的記錄
- 將包含在記錄中的所有附有 weak修飾符變數的地址，賦值為nil
- 將weak表中該記錄刪除
- 從引用計數表中刪除廢棄物件的地址為鍵值的記錄
看了objc-weak.mm的原始碼就明白了：其實Weak表是一個hash（雜湊）表，然後裡面的key是指向物件的地址，Value是Weak指標的地址的陣列。
補充：.m和.mm的區別
.m: 原始碼檔案，這個典型的原始碼副檔名，可以包含OC和C程式碼。 .mm：原始碼檔案，帶有這種副檔名的原始碼檔案，除了可以包含OC和C程式碼之 外，還可以包含C++程式碼。僅在你的OC程式碼中確實需要使用C++類或者特性的時候才用這種副檔名。
參考資料： weak 弱引用的實現方式
本文轉載自原文
有志者、事竟成，破釜沉舟，百二秦關終屬楚;
苦心人、天不負，臥薪嚐膽，三千越甲可吞吳.