Inside ARC — to see the code inserted by the compiler

前言

这是我在我们技术团队所做的一次分享，稍作修改放到博客上来。

我们技术团队会不定期（一般一个月1~2次）做技术分享，对我们团队有兴趣的可以私信我。

以下是正文。

这里的主题是“Inside ARC”，顾名思义，主要是探讨ARC在我们看不见的地方为我们做了什么事情，以及怎么做的。出发点是对底层实现的兴趣，不了解这些也不妨碍写好代码，了解一点应该有益。

以下一些内容参考自Apple的官方文档《Transitioning to ARC Release Notes》或维基百科，后续不再一一说明。

首先要明确的是ARC并不是GC，只是把之前由程序员手工管理内存（如retain/release）的事情交给编译器来处理，即编译器为程序员在合适的时机插入一些内存管理代码。
比较例外的是weak特性，除了编译器外，还需要runtime的支持。这直接体现在OS X 10.7和iOS 5之后，才支持完整的ARC特性，包括弱引用的支持（为什么弱引用需要runtime支持？）。

利用Xcode提供的汇编功能（Product - Perform Action - Assemble “filename”），我们可以初步了解（或推测）编译器为我们添加的代码。
不过我们看到的是AT&T汇编代码，一片的数据在寄存器之间流动，不是很利于分析。
所以我们可以“在一个ARC项目中针对部分文件不采取ARC编译”，比如针对“ARCObject.m”采用ARC方式编译，而针对“nonARCObject.m”不采取ARC方式编译，用来作比较。

栈上的变量默认初始化为nil

在ARC的编译条件下，strong、weak和autoreleasing三种栈上的变量会被默认初始化为nil。

（图-1）  （图-2）

如上两张代码片段，图-1的nonARCObject是不采用ARC编译的，图-2的ARCObject则采用ARC进行编译。于是图-2的obj会被初始化为nil，图-1的则不会。

（图-3）

我们可以简单地用if-else语句再加上一些日志输出来判断是否真的初始化为nil，也可以通过汇编后的代码来观察，以便于由浅入深地探讨后续内容。

（图-4）

（图-5）

图-4是对应于图-1的汇编代码片段，从25行的“-[ARCObject testFunc]”可以看出；而图-5则对应图-2的汇编代码片段。
两者显著的差别在于图-4的L50-L51对应于“ARCObject.m:15:0”，这里的一行汇编代码“movl    $0, -16(%ebp)”目测做的是初始化obj为nil的工作，应该是将立即数0放到基址指针偏移-16的地方去。
我们可以再增加一个变量来验证下：

（图-6）

此时的汇编代码关键片段如下：

（图-7）

由此可以验证编译器为我们插入了初始化为nil的代码。

保证变量的释放，不会有内存泄露

ARC的一个主要作用就是会帮我们合理释放内存，避免内存泄露。
为了看下编译器是怎么做的，我们在既有代码上增加内存的分配：

（图-8） （图-9）

在非ARC的情况下，图-8的代码片段为obj分配了内存但没有释放，存在内存泄露。
在图-9中，虽然代码一模一样，但在ARC模式下，编译器会为我们释放obj对象。

（图-10）

（图-11）

图-10和图-11都有两次objc_msgSend的出现，对应于内存的分配和初始化：

NSObject *obj = objc_msgSend(NSObject, @selector(alloc));
objc_msgSend(obj, @selector(init));

不同的是对应于源代码的L16，即表示作用域结束的花括号，图-10是简单的return出去，而图-11多做了一次 objc_storeStrong 。
参考 Clang的ARC文档 ，objc_storeStrong的代码如下：

id objc_storeStrong ( id * object, id value) {
  value = [value retain];
  id oldValue = * object;
  * object = value;
  [oldValue release];
  return value;
}

即在retain新值的同时释放旧值。
从图-11可以推测出，在出作用域时，应该是执行了“objc_storeStrong(obj, nil)”。
我们可以对代码稍作修改进一步验证：

（图-12）

对应的汇编片段如下：

（图-13）

图-13中的关键变化有：
     对应于图-12中的L17，这里的赋值语句包含了一次 objc_retain ，这是由于默认为__strong类型，强引用产生的所有权需要对引用计数+1；
     对应于图-12中的L19，由于此时显式指定了__unsafe_unretained类型，不具有所有权，所以只是简单的指针赋值；
     对应于图-12中的L20，此时出作用域，调用了两次objc_storeStrong进行释放。

所以，对象分配、赋值产生的引用计数变化，以及出作用域时对象的释放，都得到了验证。

命名风格决定的对象所有权

在我们还没完全迁移到ARC的时候，我们拟定的编码规范 中提到了——这时候我去翻阅了下发现竟然没有！虽然我印象中很深刻地有这么一条，可能是在群里有说
在非ARC的时候我们约定，以alloc/new等词开头的方法应该返回对象的所有权，即无需加入自动释放池。
在ARC的时候，编译器就是这么做的。

（图-14）

在非ARC的情况下，这两个函数的汇编代码是一样的，但在ARC的情况下则不然：

（图-15）

（图-16）

如图-15，“testObj”方法在为obj分配内存并初始化后，调用了一次objc_retain对引用计数+1，在出作用域时调用objc_storeStrong释放了一次，最后调用 objc_autoreleaseReturnValue 将对象加入自动释放池。所以对于返回出去的testObj，外部默认是没有所有权的。

而对于图-16，即“newTestObj”方法，最后并没有调用objc_autoreleaseReturnValue，因为编译器根据方法名前缀“new”判断出此时返回的对象，外部应该拥有所有权。

那么，是否返回对象所有权有什么区别呢？

（图-17）

如图-17，分别调用“testObj”和“newTestObj”，对应的汇编片段如下：

（图-18）

对于图-17中的L15，编译器增加了objc_retainAutoreleasedReturnValue，然后立即调用objc_release进行释放。
而对于图-17中的L17，编译器直接调用objc_release进行释放。
这可以根据方法名来进行决策。

自动释放池

上面讨论了__strong（默认）和__unsafe_unretained，接着先讨论__autoreleasing，再讨论__weak。

（图-19）

（图-20）

可以看出，对于__autoreleasing变量，编译器会自动调用 objc_autorelease ，将对象添加到最内层的自动释放池中。
而如果添加了@autorelease_pool代码块，编译器还会增加一对调用，分别是 objc_autoreleasePoolPush 和 objc_autoreleasePoolPop ，前者创建一个新的自动释放池作为当前自动释放池，而后者将之前注册的对象一一释放，并将上一层自动释放池设为当前释放池。

弱引用

由于ARC并不是GC，所以没办法检测出循环引用并消除，所以提供了__weak弱引用机制来解决这个问题。
__weak通常用于两个互相引用的对象的其中一方，比如delegate。
另外，使用__weak访问对象时会将对象加入到自动释放池中，避免因为没有强引用被立即释放，导致后续代码逻辑出错。

（图-21）

（图-22）

这里出现了 objc_initWeak 和 objc_destroyWeak 两个调用，代码实现分别如下：

id objc_initWeak ( id * object, id value) {
  * object = nil ;
  return objc_storeWeak(object, value);
}

void objc_destroyWeak ( id * object) {
  objc_storeWeak(object, nil );
}

objc_storeWeak 的函数原型为“id objc_storeWeak(id *object, id value);”，它的作用是：
     当value为nil时，或者object指向的对象开始析构时，object会被置为nil，并且从weak table中移除；
     当value不为nil时，object会被注册到weak table中。

这里可以插一下上次我和子通讨论的break retain-cycle的问题，跟__weak、retain-cycle和dealloc都有关。

析构

以图-21中的L16为例，考虑到可能有多个__weak指针指向obj对象，在obj对象析构时需要将这些__weak指针全部置为nil，那么weak table将维护着以obj对象地址为key的表项，该项的值应该是一个数组，维护着多个指向obj对象的__weak指针。
当obj对象被销毁时，以obj对象地址为key去weak table寻找对应的表项进行操作并移除。 

之前和慕华讨论过在ARC模式下，不需要在dealloc中释放成员变量。当时有个点是runtime在何时为我们释放成员变量，根据Clang的文档（ ARC下的dealloc ）可以得知成员变量的销毁是在dealloc之后。
当然，这并不意味着不需要写“dealloc”方法。

如果我们在dealloc方法中设置断点进行调试，那么我们会发现有个方法名叫“.cxx_destruct”， 这里 有篇文章对其进行探究。

参考 Apple的开源文件 ，当一个对象的引用计数变为0时，会调用dealloc，接着是_objc_rootDealloc - object_dispose - objc_destructInstance - objc_clear_deallocating，在最后一个调用中清理weak table。

关于block

我之前有分享过一个主题叫《 iOS中block实现的探究 》，其中谈到根据内存位置区分，block可以分为三种，分别是_NSConcreteGlobalStack、_NSConcreteStackBlock和_NSConcreteMallocBlock，对应着全局、栈和堆三种不同的内存位置。

在非ARC的情况下，我们在传递block对象时需要使用Block_copy进行拷贝，而不能只是使用strong属性做强引用，因为当栈展开后，指向的block对象就不在了，我们需要提前将其拷贝到堆上。

而在ARC下，编译器自动为我们做了处理：

（图-23）

（图-24）

可以看到在进行赋值时，由于默认是__strong类型，所以编译器调用了 objc_retainBlock 。
这个方法的作用是，如果block对象在栈上则将其拷贝到堆上；如果block对象已经在堆上，则做retain操作。

考虑到现在默认是__strong类型的变量赋值，所以block中如果引用外部变量都是强引用，但是否需要全部采用弱引用呢？ 这里 可以供参考。