iOS 属性 @property 详细探究

探究系列已发布文章列表，有兴趣的同学可以翻阅一下：

第一篇 | iOS 属性 @property 详细探究

第二篇 | iOS 深入理解 Block 使用及原理

第三篇 | iOS 类别 Category 和扩展 Extension 及关联对象详解

第四篇 | iOS 常用锁 NSLock ，@synchronized 等的底层实现详解

第五篇 | iOS 全面理解 Nullability

------- 正文开始 -------

引言

@property 应该是面试过程中被问到最多的一个技术点，既能考察一个人的基础，又能挖掘一个人对技术细节的掌握度，本文着重全面，细致的介绍一下 @property 都有哪些技术点值得我们关注。

• 代码规范

声明 @property 时，注意关键词及字符间的空格。

@property (nonatomic, copy) NSString *name;

• 本质

@property 的本质其实是：ivar (实例变量) + getter + setter ；

• 常用关键词

// 存取器方法
1. getter=getterName
2. setter=setterName

// 读写权限
1. readonly
2. readwrite

// 内存管理
1. strong
2. assign
3. copy
4. weak
5. retain
6. unsafe_unretained

// 原子性
1. nonatomic
2. atomic

接下来逐个介绍一下，每个关键词的作用:

存取器方法

1. getter=getterName
2. setter=setterName:

指定获取属性对象的名字为 getterName，如果你没有使用 getter 指定getterName ，系统默认直接使用 propertyName 访问即可。通常来说，只有所指属性需要我们指定 isPropertyName 对应的 Bool 值时，才使用指定 getterName ，一般直接用 PropertyName 即可。setter=setterName: 则是用来指定设置属性所使用的的 setter 方法，即设置属性值时使用 setterName: 方法，此处 setterName 是一个方法名，因此要以":"结尾，具体示例如下：

// 指定getter访问名为`isHappy`
@property (nonatomic, assign, getter=isHappy) BOOL happy;

// 使用系统默认getter/setter方法
@property (nonatomic, assign) NSInteger age;

// 指定setter方法名为`setNickName:`
@property (nonatomic, copy, setter=setNickName:) NSString *name;

读写权限

1. readwrite
2. readonly

• readwrite：表示自动生成对应的 getter 和 setter 方法，即可读可写权限， readwrite是编译器的默认选项。
• readonly：表示只生成 getter ，不需要生成 setter ，即只可读，不可以修改。

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内存管理

1. strong // 强引用，引用计数+1
2. assign // assign是指针赋值，不对引用计数操作，对象销毁后不会自动置为nil
3. copy // copy出一个新对象，引用计数为1
4. weak // 弱引用，不对引用计数操作，对象销毁时自动置为nil
5. retain // 强引用，对象引用计数+1
6. unsafe_unretained // 弱引用，不对引用计数操作，对象销毁时不会自动置为nil

• strong

表示强引用关系，即修饰对象的引用计数会+1，通常用来修饰对象类型，可变集合及可变字符串类型。当对象引用计数为0，即不被任何对象持有，且此对象不再显示在列表中时，对象就会从内存中释放。

• assign

对象不进行 retain 操作，即不改变对象引用计数。通常用来修饰基本数据类型（ NSInteger, CGFloat, Bool, NSTimeInterval 等），内存在栈上由系统自动回收。

assign 也可以用来修饰 NSObject 类型对象，因为 assign 不会改变修饰对象的引用计数，所以当修饰对象的引用计数为0，对象销毁的时候，对象指针不会被自动清空。而此时对象指针指向的地址已被销毁，这时再访问该属性会产生野指针错误:EXC_BAD_ACCESS，因此 assign 通常用来修饰基本数据类型。

• copy

当调用修饰对象的 setter 方法时，会建立一个引用计数为 1 的新对象，即对象会在内存里拷贝一份副本，两个指针指向不同的内存地址。一般用于修饰字符串（ NSString ）和集合类( NSArray , NSDictionary )的不可变变量，Block 也是用 copy 修饰。

针对 copy ，这里又牵涉到了深 copy 和浅 copy 的问题，这里做一下简单介绍，后续会有文章专门探讨这个问题:

浅 copy ：是对指针的 copy ，指针指向的内容是同一个地址，对象的引用计数+1;

深 copy ：是对内容的 copy ，会开辟新的内存空间，将内容重新 copy 一份；

• 非集合对象的 copy 与 mutableCopy

不可变对象：copy 操作为浅 copy，mutableCopy 操作为深 copy。

可变对象：copy 操作为深 copy，mutableCopy 操作也为深 copy。

• 集合类对象的 copy 与 mutableCopy

不可变对象：copy 操作为深 copy ，mutableCopy 操作为深copy。

可变对象：copy 操作为深 copy ，可变对象的 mutableCopy 也为深 copy 。

注意：当使用 copy 修饰的属性赋值时，copy 出来的是一份不可变对象。因此当对象是一个可变对象时，切记不要使用 copy 进行修饰。如果这时使用 copy 修饰，当使用 copy 出来的对象调用可变对象所特有的方法时，会因为找不到对应的方法而 Crash。

• weak

表示弱引用关系，修饰对象的引用计数不会增加，当修饰对象被销毁的时候，对象指针会自动置为 nil，防止出现野指针。weak 也用来修饰 delegate ，避免循环引用。另外 weak 只能用来修饰对象类型，且是在 ARC 下新引入的修饰词，MRC 下相当于使用 assign 。

weak的底层实现原理

weak 的底层实现是基于 Runtime 底层维护的 SideTables 的 hash 数组，里面存储的是一个 SideTable 的数据结构：

struct SideTable {
    spinlock_t slock; // 确保原子性操作的锁，虽然名字还叫 spinlock_t ，其实本质已经是 mutex_t，具体可见 objc-os 源码（ `using spinlock_t = mutex_tt;` ）

    RefcountMap refcnts; // 用来存储对象引用计数的 hash 表
    
    weak_table_t weak_table // 存储对象 weak 引用指针的 hash 表
    //...
};

• weak 功能实现核心的数据结构 weak_table_t：

/**
 * The global weak references table. Stores object ids as keys,
 * and weak_entry_t structs as their values.
 */
struct weak_table_t {
    weak_entry_t *weak_entries; // 存储 weak 对象信息的 hash 数组
    size_t    num_entries; // 数组中元素的个数
    uintptr_t mask;        // 计数辅助量
    uintptr_t max_hash_displacement; // hash 元素最大偏移值
};

• weak_entry_t也是一个hash结构：

#define WEAK_INLINE_COUNT 4
#define REFERRERS_OUT_OF_LINE 2

struct weak_entry_t {
    DisguisedPtr referent;
    union {
        // 动态数组
        struct {
            weak_referrer_t *referrers; // 弱引用该对象的对象指针的hash数组
            uintptr_t        out_of_line_ness : 2;
            uintptr_t        num_refs : PTR_MINUS_2;
            uintptr_t        mask;
            uintptr_t        max_hash_displacement;
        };
        // 定长数组，最大值为4，苹果考虑到一半弱引用的指针个数不会超过这个数，因此为了提升运行效率，一次分配一整块的连续内存空间
        struct {
            // out_of_line_ness field is low bits of inline_referrers[1]
            weak_referrer_t  inline_referrers[WEAK_INLINE_COUNT];
        };
    };

    // 判断当前是动态数组，还是定长数组
    bool out_of_line() {
        return (out_of_line_ness == REFERRERS_OUT_OF_LINE);
    }

    weak_entry_t& operator=(const weak_entry_t& other) {
        memcpy(this, &other, sizeof(other));
        return *this;
    }

    weak_entry_t(objc_object *newReferent, objc_object **newReferrer)
        : referent(newReferent)
    {
        inline_referrers[0] = newReferrer;
        for (int i = 1; i < WEAK_INLINE_COUNT; i++) {
            inline_referrers[i] = nil;
        }
    }
};

这里重点说一下 weak_entry_t 定长数组到动态数组的切换，首先会将原来定长数组中的内容转移到动态数组中，然后再在动态数组中插入新的元素。

而对于动态数组中元素个数大于或等于总空间的 3/4 时，会对动态数组进行总空间 * 2 的扩容

    if (entry->num_refs >= TABLE_SIZE(entry) * 3/4) {
        return grow_refs_and_insert(entry, new_referrer);
    }

每次动态数组扩容，都会将原先数组中的内容重新插入到新的数组中。

当对象的引用计数为 0 时，底层会调用 _objc_rootDealloc 方法对对象进行释放，而在 _objc_rootDealloc 方法里面会调用 rootDealloc 方法，如果对象有被 weak 引用，则会进入 object_dispose , 之后会在 objc_destructInstance 函数里面调用 obj->clearDeallocating(); 根据对象地址获取所有 weak 指针地址数组，遍历数组找到对应的值，将其值为 nil ，然后将 entry 从 weak 表中移除，最后从引用计数表中删除以废弃对象的地址为键值的记录。

备注： 此处省略了 weak 底层实现的很多细节，具体详细实现，后续会单独发文介绍。

• retain 是在 MRC 下常用的修饰词：

ARC 下已不再使用 retain ，而是使用 strong 代替。retain 同 strong 类似，用来修饰对象类型，强引用对象，其修饰对象的引用计数会 +1，不会对对象分配新的内存空间。

• unsafe_unretained 同 weak 类似：

unsafe_unretained 不会对对象的引用计数 +1，只能用来修饰对象类型，修饰的对象在被销毁时，其指针不会自动清空，指向的仍然是已销毁的对象，这时再调用该指针会产生野指针 :EXC_BAD_ACCESS 错误。

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原子性

atomic 原子性：系统会自动给生成的 getter/setter 方法进行加锁操作；

nonatomic 非原子性：系统不会给自动生成的 getter/setter 方法进行加锁操作；

设置属性函数 reallySetProperty(...) 的原子性非原子性实现如下：

    if (!atomic) {
        oldValue = *slot;
        *slot = newValue;
    } else {
        spinlock_t& slotlock = PropertyLocks[slot];
        slotlock.lock();
        oldValue = *slot;
        *slot = newValue;        
        slotlock.unlock();
    }

获取属性函数 objc_getProperty(...) 的内部实现如下：

    if (offset == 0) {
        return object_getClass(self);
    }

    // Retain release world
    id *slot = (id*) ((char*)self + offset);
    if (!atomic) return *slot;
        
    // Atomic retain release world
    spinlock_t& slotlock = PropertyLocks[slot];
    slotlock.lock();
    id value = objc_retain(*slot);
    slotlock.unlock();
    
    // for performance, we (safely) issue the autorelease OUTSIDE of the spinlock.
    return objc_autoreleaseReturnValue(value);

由此可见，对属性对象的加锁操作仅限于对象的 getter/setter 操作，如果是 getter/setter 以外的操作，该加锁并没有意义。因此 atomic 的原子性，仅能保障对象的 getter/setter 的线程安全，并不能保障多线程下对对象的其他操作安全。如一个线程在 getter/setter 操作，另一个线程进行 release 操作，可能会导致 crash。此种场景的线程安全，还需要由开发者自己进行处理。

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拓展知识

• Category 中添加属性 @property

在 Category 中添加 @property，只会生成 setter/getter 方法的声明，并不会有具体的代码实现。这是因为 Category 在运行期对象的内存布局已经确定，此时如果添加实例变量就会破坏对象的内存布局，这将会是灾难性的。因此 Category 无法添加实例变量。

那如何给 Category 实现类似实例变量功能呢？简单列举两种方式，此处暂时不做具体详解，后续会有文章单独介绍：

1. 使用临时全局变量代替成员变量，并在属性的 setter/getter 函数中进行存取值操作；
2. 通过 Runtime 添加关联对象实现成员变量，并在属性的 setter/getter 函数中进行存取值操作，其关键调用有两个：

objc_setAssociatedObject(id _Nonnull object, const void * _Nonnull key, id _Nullable value, objc_AssociationPolicy policy) // 设置关联对象值调用

objc_getAssociatedObject(id _Nonnull object, const void * _Nonnull key) // 获取关联对象值调用

• Protocol 中添加属性 @property

在 protocol 中添加属性 @property，其实就是声明该属性的 setter/getter 方法，在实现该 protocol 时，并没有生成对应的成员变量，此时有动态实现和自动实现两种方式：

1. 动态实现，需要在实现类中添加 protocol 中声明属性对应的 setter/getter 方法，并声明一个私有成员变量用来进行存取操作。备注： 实现类如果没有实现对应的 setter/getter 方法，在调用 protocol 属性的 setter/getter 方法时会因为方法找不到而 Crash；
2. 自动实现，可以通过 @synthesize propertyName; 告诉编译器自动添加对应的 setter/getter 方法，并生成对应的成员变量；

• @synthesize 作用

@synthesize 的作用是告诉编译器，自动创建属性的 setter/getter 方法，同时生成成员变量，并且可以给属性指定别名。如：

@synthesize name = nickName;

• @dynamic 作用

@dynamic 作用是告诉编译器，无需自动创建属性的 setter/getter 方法，这个时候就需要我们手动实现相应的 setter/getter，否则，在使用到相应属性的 setter/getter 方法时，会因找不到方法而 Crash。

• null 相关的一些关键词

1. nullable : 可以为空
2. nonnull : 不可以为空
3. null_unspecified : 未知类型
4. null_resettable : get不能为空，set可以为空
5. __nullable : 可以为 Null 或 nil
6. __nonnull : 不可以为空

• Swift下的 unowned 与 weak 区别：

1. Swift下 weak 的使用同 Objective-C 下 weak 的使用相同。
2. unowned 无主引用标记对象，即使它的原引用已经被释放，它仍然会保持对已释放对象的引用，它不是 Optional ，也不会被置为 nil 。当我们试图访问这样的 unowned 引用时，程序会发生错误。而 weak 在引用的对象被释放后，标记为 weak 的对象将会自动置为 nil 。

Define a capture in a closure as an unowned reference when the closure and the instance it captures will always refer to each other, and will always be deallocated at the same time.

Conversely, define a capture as a weak reference when the captured reference may become nil at some point in the future. Weak references are always of an optional type, and automatically become nil when the instance they reference is deallocated. This enables you to check for their existence within the closure’s body.

NOTE:

If the captured reference will never become nil, it should always be captured as an unowned reference, rather than a weak reference.

根据苹果官方文档的建议，如果捕获的引用永远不会变为 nil ，我们应该使用 unowned，否则应该使用 weak 。

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总结

@property 延展相关的技术点有很多，如：copy 相关的 NSCopying 协议，weak 底层详细的实现原理，如何保障对象的多线程安全。还有很多技术点跟 Runtime 、Runloop 有关，后续文章会陆续介绍。

知识点完整说下来就是一整套系统的协同运转，各个环节紧密相扣，最终才成为我们现在看到的样子。本文及以后的文章都会尽可能的收缩一下单篇文章探讨的范围，以期能够让话题更加紧密。

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参考资料：

The Objective-C Programming Language

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关于技术组

iOS 技术组主要用来学习、分享日常开发中使用到的技术，一起保持学习，保持进步。文章仓库在这里：https://github.com/minhechen/iOSTechTeam
微信公众号：iOS技术组，欢迎联系交流，感谢阅读。