Objective-C Associated Objects 的实现原理

当我们写个分类的时候，有时候想给这个分类添加属性，但是却不能添加实例变量，然而我们可以通过 Associated Objects来完成这件事，下面我将介绍Objective-C 中 Associated Objects 的实现原理。

使用场景

按照 Mattt Thompson 大神的文章 Associated Objects（http://nshipster.com/associated-objects/） 中的说法，Associated Objects 主要有以下三个使用场景：

1.为现有的类添加私有变量以帮助实现细节；
2.为现有的类添加公有属性；
3.为 KVO 创建一个关联的观察者。
从本质上看，第 1 、2 个场景其实是一个意思，唯一的区别就在于新添加的这个属性是公有的还是私有的而已。就目前来说，我在实际工作中使用得最多的是第 2 个场景，而第 3 个场景我还没有使用过。

相关函数

与 Associated Objects 相关的函数主要有三个，我们可以在 runtime 源码的 runtime.h 文件中找到它们的声明：

void objc_setAssociatedObject(id object, const void *key, id value, objc_AssociationPolicy policy);
id objc_getAssociatedObject(id object, const void *key);
void objc_removeAssociatedObjects(id object);

objc_setAssociatedObject 用于给对象添加关联对象，传入 nil 则可以移除已有的关联对象；
objc_getAssociatedObject 用于获取关联对象；
objc_removeAssociatedObjects 用于移除一个对象的所有关联对象。

注：objc_removeAssociatedObjects 函数我们一般是用不上的，因为这个函数会移除一个对象的所有关联对象，将该对象恢复成“原始”状态。这样做就很有可能把别人添加的关联对象也一并移除，这并不是我们所希望的。所以一般的做法是通过给 objc_setAssociatedObject 函数传入 nil 来移除某个已有的关联对象。

key 值

关于前两个函数中的 key 值是我们需要重点关注的一个点，这个 key 值必须保证是一个对象级别（为什么是对象级别？看完下面的章节你就会明白了）的唯一常量。一般来说，有以下三种推荐的 key 值：

声明 static char kAssociatedObjectKey; ，使用 &kAssociatedObjectKey 作为 key 值;
声明 static void *kAssociatedObjectKey = &kAssociatedObjectKey; ，使用 kAssociatedObjectKey 作为 key 值；
用 selector ，使用 getter 方法的名称作为 key 值。

关联策略

在给一个对象添加关联对象时有五种关联策略可供选择：

关联策略 等价属性 说明
OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN @property (assign) or @property (unsafe_unretained) 弱引用关联对象
OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC @property (strong, nonatomic) 强引用关联对象，且为非原子操作
OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC @property (copy, nonatomic) 复制关联对象，且为非原子操作
OBJC_ASSOCIATION_RETAIN @property (strong, atomic) 强引用关联对象，且为原子操作
OBJC_ASSOCIATION_COPY @property (copy, atomic) 复制关联对象，且为原子操作
其中，第 2 种与第 4 种、第 3 种与第 5 种关联策略的唯一差别就在于操作是否具有原子性。由于操作的原子性不在本文的讨论范围内，所以下面的实验和讨论就以前三种以例进行展开。

实现

接下来，我们就一起看看 runtime 中的源码。

objc_setAssociatedObject

void _object_set_associative_reference(id object, void *key, id value, uintptr_t policy) {
    // retain the new value (if any) outside the lock.
    ObjcAssociation old_association(0, nil);
    id new_value = value ? acquireValue(value, policy) : nil;
    {
        AssociationsManager manager;
        AssociationsHashMap &associations(manager.associations());
        disguised_ptr_t disguised_object = DISGUISE(object);
        if (new_value) {
            // break any existing association.
            AssociationsHashMap::iterator i = associations.find(disguised_object);
            if (i != associations.end()) {
                // secondary table exists
                ObjectAssociationMap *refs = i->second;
                ObjectAssociationMap::iterator j = refs->find(key);
                if (j != refs->end()) {
                    old_association = j->second;
                    j->second = ObjcAssociation(policy, new_value);
                } else {
                    (*refs)[key] = ObjcAssociation(policy, new_value);
                }
            } else {
                // create the new association (first time).
                ObjectAssociationMap *refs = new ObjectAssociationMap;
                associations[disguised_object] = refs;
                (*refs)[key] = ObjcAssociation(policy, new_value);
                object->setHasAssociatedObjects();
            }
        } else {
            // setting the association to nil breaks the association.
            AssociationsHashMap::iterator i = associations.find(disguised_object);
            if (i !=  associations.end()) {
                ObjectAssociationMap *refs = i->second;
                ObjectAssociationMap::iterator j = refs->find(key);
                if (j != refs->end()) {
                    old_association = j->second;
                    refs->erase(j);
                }
            }
        }
    }
    // release the old value (outside of the lock).
    if (old_association.hasValue()) ReleaseValue()(old_association);
}

在看这段代码前，我们需要先了解一下几个数据结构以及它们之间的关系：

AssociationsManager 是顶级的对象，维护了一个从 spinlock_t 锁到 AssociationsHashMap 哈希表的单例键值对映射；
AssociationsHashMap 是一个无序的哈希表，维护了从对象地址到 ObjectAssociationMap 的映射；
ObjectAssociationMap 是一个 C++ 中的 map ，维护了从 key 到 ObjcAssociation 的映射，即关联记录；
ObjcAssociation 是一个 C++ 的类，表示一个具体的关联结构，主要包括两个实例变量，_policy 表示关联策略，_value 表示关联对象。
每一个对象地址对应一个 ObjectAssociationMap 对象，而一个 ObjectAssociationMap 对象保存着这个对象的若干个关联记录。

弄清楚这些数据结构之间的关系后，再回过头来看上面的代码就不难了。我们发现，在苹果的底层代码中一般都会充斥着各种 if else ，可见写好 if else 后我们就距离成为高手不远了。开个玩笑，我们来看下面的流程图，一图胜千言：

objc_setAssociatedObject.png

objc_getAssociatedObject

同样的，我们也可以在 objc-references.mm 文件中找到 objc_getAssociatedObject 函数最终调用的函数：

id _object_get_associative_reference(id object, void *key) {
    id value = nil;
    uintptr_t policy = OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN;
    {
        AssociationsManager manager;
        AssociationsHashMap &associations(manager.associations());
        disguised_ptr_t disguised_object = DISGUISE(object);
        AssociationsHashMap::iterator i = associations.find(disguised_object);
        if (i != associations.end()) {
            ObjectAssociationMap *refs = i->second;
            ObjectAssociationMap::iterator j = refs->find(key);
            if (j != refs->end()) {
                ObjcAssociation &entry = j->second;
                value = entry.value();
                policy = entry.policy();
                if (policy & OBJC_ASSOCIATION_GETTER_RETAIN) ((id(*)(id, SEL))objc_msgSend)(value, SEL_retain);
            }
        }
    }
    if (value && (policy & OBJC_ASSOCIATION_GETTER_AUTORELEASE)) {
        ((id(*)(id, SEL))objc_msgSend)(value, SEL_autorelease);
    }
    return value;
}

看懂了 objc_setAssociatedObject 函数后，objc_getAssociatedObject 函数对我们来说就是小菜一碟了。这个函数先根据对象地址在 AssociationsHashMap 中查找其对应的 ObjectAssociationMap 对象，如果能找到则进一步根据 key 在 ObjectAssociationMap 对象中查找这个 key 所对应的关联结构 ObjcAssociation ，如果能找到则返回 ObjcAssociation 对象的 value 值，否则返回 nil 。

objc_removeAssociatedObjects

同理，我们也可以在 objc-references.mm 文件中找到 objc_removeAssociatedObjects 函数最终调用的函数：

void _object_remove_assocations(id object) {
    vector< ObjcAssociation,ObjcAllocator > elements;
    {
        AssociationsManager manager;
        AssociationsHashMap &associations(manager.associations());
        if (associations.size() == 0) return;
        disguised_ptr_t disguised_object = DISGUISE(object);
        AssociationsHashMap::iterator i = associations.find(disguised_object);
        if (i != associations.end()) {
            // copy all of the associations that need to be removed.
            ObjectAssociationMap *refs = i->second;
            for (ObjectAssociationMap::iterator j = refs->begin(), end = refs->end(); j != end; ++j) {
                elements.push_back(j->second);
            }
            // remove the secondary table.
            delete refs;
            associations.erase(i);
        }
    }
    // the calls to releaseValue() happen outside of the lock.
    for_each(elements.begin(), elements.end(), ReleaseValue());
}

这个函数负责移除一个对象的所有关联对象，具体实现也是先根据对象的地址获取其对应的 ObjectAssociationMap 对象，然后将所有的关联结构保存到一个 vector 中，最终释放 vector 中保存的所有关联对象。根据前面的实验观察到的情况，在一个对象被释放时，也正是调用的这个函数来移除其所有的关联对象。

给类对象添加关联对象

看完源代码后，我们知道对象地址与 AssociationsHashMap 哈希表是一一对应的。那么我们可能就会思考这样一个问题，是否可以给类对象添加关联对象呢？答案是肯定的。我们完全可以用同样的方式给类对象添加关联对象，只不过我们一般情况下不会这样做，因为更多时候我们可以通过 static 变量来实现类级别的变量。我在分类 ViewController+AssociatedObjects 中给 ViewController 类对象添加了一个关联对象 associatedObject ，读者可以亲自在 viewDidLoad 方法中调用一下以下两个方法验证一下：

+ (NSString *)associatedObject;
+ (void)setAssociatedObject:(NSString *)associatedObject;

总结

读到这里，相信你对开篇的那三个问题已经有了一定的认识，下面我们再梳理一下：

关联对象与被关联对象本身的存储并没有直接的关系，它是存储在单独的哈希表中的；
关联对象的五种关联策略与属性的限定符非常类似，在绝大多数情况下，我们都会使用 OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC 的关联策略，这可以保证我们持有关联对象；
关联对象的释放时机与移除时机并不总是一致，比如实验中用关联策略 OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN 进行关联的对象，很早就已经被释放了，但是并没有被移除，而再使用这个关联对象时就会造成 Crash 。
在弄懂 Associated Objects 的实现原理后，可以帮助我们更好地使用它，在出现问题时也能尽快地定位问题，最后希望本文能够对你有所帮助。