【iOS】探索ARC的实现

ARC在编译期和运行期做了什么？

ARC (Automatic Reference Counting)是Objective-C在iOS 5.0之后提供的一种自动内存管理机制。它帮助开发者管理应用程序的内存使用，减少了因为忘记释放内存导致的内存泄漏问题，以及过早释放内存引发的程序崩溃问题。ARC工作在编译期和运行期做了以下事情：

编译期：

1. 自动插入Retain（引用计数+1）和Release（引用计数-1）、Autorelease（延迟引用计数-1）代码: 当对象被创建或引用传递时，引用计数+1；当对象不再使用时，ARC会自动插入释放内存的代码，从而使引用计数-1。如果发现在同一个对象上执行了多次“保留”与“释放”操作，那么ARC有时可以成对的移除这两个操作。
2. 检查代码，如果发现明显的所有权违规问题或者循环引用，编译器会给出警告。编译器还会为你生成合适的dealloc方法。
3. 使用ARC后，编译器会自动管理autoreleasepool，进行合理的创建和释放使内存达到稳定的状态，无需开发者手动管理。
4. ARC更新@property属性的默认语义。像强(strong)和弱(weak)引用就是这种情况。强引用会自动增加对象的引用计数，而弱引用则不会。

运行期：

1. 在运行阶段，根据对象的引用情况，自动调用release以及autorelease，以减少或延迟引用计数。引用计数为0的对象会被立即释放。
2. 通过对被引用对象的追踪，ARC能够自动破解一部分循环引用，例如：通过引入weak属性，它不会增加对象的引用计数，这样一个对象即使被另一个对象通过weak引用，也能够被正确释放。
3. 除释放对象之外，ARC还负责清空所有弱引用(weak reference)的值，阻止野指针的问题发生。

另外：ARC并不是内存管理的终极解决方案，它并不能处理所有情况。比如，如果代码中存在强循环引用，即使采用了ARC也无法自动解决。在这种情况下，开发者需要找出并打破这种循环。所以，编程者仍然需要理解引用计数和内存管理的基本原理，合理地设计代码，避免循环引用的发生。

block 是如何在 ARC 中工作的？

在ARC下，编译器会根据情况自动将栈上的block复制到堆上，比如block作为函数返回值时，这样你就不必再调用Block Copy。
需要注意的一件事是，在ARC下，NSString * __block myString这样写的话，block会对NSString对象强引用，而不是造成悬垂指针问题。如果你要和MRC保持一致，请使用__block NSString * __unsafe_unretained myString或（更好的是）使用__block NSString * __weak myString。

ARC的实现分析

__strong

自己生成并持有

	id  __strong obj0 = [[NSObject alloc] init];
    NSLog(@"%@", obj0);

我们转成汇编之后发现整个的执行过程如下：

主要经历的方法如下：

//初始化的两个方法如下：
objc_alloc_init
objc_storeStrong
//所有程序执行完之后：
objc_autoreleasePoolPop

所以我们直接来看storeStrong方法。

storeStrong

在runtime文件中找到这个函数
如下
objc_storeStrong(id *location, id obj)
{
	//用prev保留被赋值对象原来所指向的对象
    id prev = *location;
    //如果所赋的值和被赋值对象所指的对象是同一个，就直接return不进行任何操作
    if (obj == prev) {
        return;
    }
    //如果所赋的值和被赋值对象所指的对象不是同一个
    //就先objc_retain使所赋的值对象的引用计数+1（因为赋值成功之后要持有）
    objc_retain(obj);
    //改变被赋值对象所指向的对象为新的对象
    *location = obj;
    //因为prev保留了被赋值对象原来所指向的对象，所以对prev进行objc_release使原来的旧对象引用计数-1，因为现在我们的被赋值对象已经不指向它了
    objc_release(prev);
}

例子：(赋值操作时)
obj = otherObj;
//会变成如下函数调用
objc_storeStrong(&obj, otherObj);

其中做了四件事：

1. 检查输入的 obj 地址 和指针指向的地址是否相同。
2. 持有对象，引用计数 + 1 。
3. 指针指向 obj。
4. 原来指向的对象引用计数 - 1(释放对象)。

对于这里传入的NULL来说这就等同于向对象发送release消息

详细逻辑思路见上方代码中注释讲解。

SideTable散列表

内存管理主要结构代码

struct SideTable {
    spinlock_t slock; // 保证原子操作的自旋锁
    RefcountMap refcnts; // 引用计数的 hash 表
    weak_table_t weak_table; // weak 引用全局 hash 表
};

objc_retain

来学习一下objc_object的具体实现

objc_retain(id obj)
{
    if (!obj) return obj;
    if (obj->isTaggedPointer()) return obj;
    return obj->retain();
}

再接着看最后所调用的retain()方法：

objc_object::retain()
{
    assert(!isTaggedPointer());

    if (fastpath(!ISA()->hasCustomRR())) {
        return rootRetain();
    }

    return ((id(*)(objc_object *, SEL))objc_msgSend)(this, SEL_retain);
}

系统会对是否支持NONPOINTER_ISA进行不同的处理
每个OC对象都含有一个isa指针，__arm64__之前，isa仅仅是一个指针，保存着对象或类对象内存地址，在__arm64__架构之后，apple对isa进行了优化，变成了一个共用体（union）结构，同时使用位域来存储更多的信息。

union isa_t 
{
    Class cls;
    uintptr_t bits;
    struct {
         uintptr_t nonpointer        : 1;//->表示使用优化的isa指针
         uintptr_t has_assoc         : 1;//->是否包含关联对象
         uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;//->是否设置了析构函数，如果没有，释放对象更快
         uintptr_t shiftcls          : 33; // MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x1000000000 ->类的指针
         uintptr_t magic             : 6;//->固定值,用于判断是否完成初始化
         uintptr_t weakly_referenced : 1;//->对象是否被弱引用
         uintptr_t deallocating      : 1;//->对象是否正在销毁
         uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;//1->在extra_rc存储引用计数将要溢出的时候,借助Sidetable(散列表)存储引用计数,has_sidetable_rc设置成1，未溢出的时候为0
        uintptr_t extra_rc          : 19;  //->存储引用计数
    };
};

支持Nonpointer isa的处理
objc_object::rootRetain()
{
    return rootRetain(false, false);
}

ALWAYS_INLINE id 
objc_object::rootRetain(bool tryRetain, bool handleOverflow)
{
    if (isTaggedPointer()) return (id)this;

    bool sideTableLocked = false;
    bool transcribeToSideTable = false;

    isa_t oldisa;
    isa_t newisa;

    do {
        transcribeToSideTable = false;
        oldisa = LoadExclusive(&isa.bits);
        newisa = oldisa;
        if (slowpath(!newisa.nonpointer)) {
            // 2、SideTable散列表方法
            ClearExclusive(&isa.bits);
            if (!tryRetain && sideTableLocked) sidetable_unlock();
            if (tryRetain) return sidetable_tryRetain() ? (id)this : nil;
            else return sidetable_retain();
        }
        if (slowpath(tryRetain && newisa.deallocating)) {
            // 正在释放
            ClearExclusive(&isa.bits);
            if (!tryRetain && sideTableLocked) sidetable_unlock();
            return nil;
        }
        uintptr_t carry;
        newisa.bits = addc(newisa.bits, RC_ONE, 0, &carry);  // 应用计数extra_rc++
        // 如果newisa.extra_rc++ 溢出, carry==1
        if (slowpath(carry)) {
            // 溢出
            if (!handleOverflow) {
                ClearExclusive(&isa.bits); // 空操作（系统预留）
                return rootRetain_overflow(tryRetain);// 再次调用rootRetain(tryRetain,YES)
            }
            // 执行rootRetain_overflow会来到这里，就把extra_rc对应的数值（一半）存到SideTable
            if (!tryRetain && !sideTableLocked) sidetable_lock();
            sideTableLocked = true;
            transcribeToSideTable = true;
            newisa.extra_rc = RC_HALF; // 溢出了，设置为一半，保存一半到SideTable
            newisa.has_sidetable_rc = true; // 标记借用SideTable存储
        }
        // StoreExclusive保存newisa.bits到isa.bits，保存成功返回YES
        // 这里while判断一次就结束了
    } while (slowpath(!StoreExclusive(&isa.bits, oldisa.bits, newisa.bits)));

    if (slowpath(transcribeToSideTable)) {
        // 借位保存：把RC_HALF（一半）存入SideTable
        sidetable_addExtraRC_nolock(RC_HALF);
    }

    if (slowpath(!tryRetain && sideTableLocked)) sidetable_unlock();
    return (id)this;
}


不支持的处理

objc_object::rootRetain()
{
    if (isTaggedPointer()) return (id)this;
    return sidetable_retain();
}

id
objc_object::sidetable_retain()
{
#if SUPPORT_NONPOINTER_ISA
    assert(!isa.nonpointer);
#endif
    SideTable& table = SideTables()[this];
    
    table.lock();
    size_t& refcntStorage = table.refcnts[this];
    // 判断是否溢出，溢出了就是引用计数太大了，不管理了
    if (! (refcntStorage & SIDE_TABLE_RC_PINNED)) {
        // 引用计数加1，（上图可知，偏移2位，SIDE_TABLE_RC_ONE = 1<<2）
        refcntStorage += SIDE_TABLE_RC_ONE;
    }
    table.unlock();
    return (id)this;
}

可以看到不支持Nonpointer isa的处理就是直接sidetable_retain，这是由于计数都存储在sidetable中了，处理逻辑较支持Nonpointer isa的情况要简单一些。

不支持Nonpointer isa 的处理：
去sidetable取出计数信息 执行加一操作

支持Nonpointer isa的处理：

• 首先判断是否为标签指针类型 如果是 直接返回
• 进入do-while处理逻辑

1. 先判断是否为 其一定支持Nonpointer isa的架构，但是isa没有额外信息
   如果没有额外信息 那就和不支持意义一样（判断是否有优化） 引用计数存储在sidetable中，走sidetable的引用计数+1的流程
2. 判断对象是否正在释放，如果正在释放则执行dealloc流程。
3. 有存储额外信息，包含引用计数。我们尝试对isa中的extra_rc++加一进行测试
   3.1 如果没有溢出越界的情况，我们将isa的值修改为extra_rc++之后的值
   3.2 如果有溢出 将一半的计数存储到extra_rc，另一半存储到sidetable中去 设置设置标志位位true
   

retain的总结：

如果isa可以存储额外信息，那么有extra_rc位用来存储引用计数，当引用计数满了之后 就会存储到sidetable中 。

retain的流程也是针对isa是否支持存储信息分别进行处理

当extra_rc存储溢出了，这个时候是一半(extra_rc能表示的最大值+1的一半)在extra_rc一半存储在sidetable中，这里跟release的操作是对应的(extra_rc不够减了也是去sidetable借extra_rc最大值的一半的计数)，这样设计的好处避免了频繁的去sidetable中读取计数信息—假如我们溢出了把计数全部存到sidetable中去，那么有release的时候，extra_rc也不够减了，又去借，这就大大降低了效率，比起直接操作isa。

这个优化的好处就是我们省去了频繁去sidetable中读取计数信息，从而大大提高了效率，这样的话因为平时绝大多处操作都是普通的retain和release，所以都可以得到优化，而我们如果要读取引用计数的值的话就相对麻烦一点，需要sidetable和extra_rc两者相加，但是读取引用计数值的方法使用率几乎为零，也就是调试的时候会用到而已。

objc_release

来学习一下objc_release的具体实现

objc_release(id obj)
{
    if (obj->isTaggedPointerOrNil()) return;
    return obj->release();
}

下面我们看一下真正的release方法：

// handleUnderflow 参数看似是一个 bool 类型的表示是否处理下溢出，
// 当溢出发生了的话是必须要处理的，如果 handleUnderflow 为 false，
// 那么它会借一个 rootRelease_underflow 函数，并再次调用 rootRelease 函数，
// 并把 handleUnderflow 参数传递 true。

ALWAYS_INLINE bool 
objc_object::rootRelease(bool performDealloc, bool handleUnderflow)
{   
    // 如果是 Tagged Pointer 直接返回 false，Tagged Pointer 不参与引用计数处理，它内存位于栈区，由系统处理
    if (isTaggedPointer()) return false;

    // 标记 SideTable 是否加锁了
    bool sideTableLocked = false;

    // 临时变量存放旧的 isa
    isa_t oldisa;
    // 临时变量存放字段修改后的 isa
    isa_t newisa;

 retry:
    do {
        // 以原子方式读到 &isa.bits 的数据
        oldisa = LoadExclusive(&isa.bits);
        // 把 oldisa 赋值给 newisa，此时 isa.bits/oldisa/newisa 三者是相同的
        newisa = oldisa;
        
        if (slowpath(!newisa.nonpointer)) {
            // 如果对象的 isa 只是原始指针 （Class isa/Class cls）
            
            // __arm64__ && !__arm642__ 平台下，取消 &isa.bits 的独占访问标记
            // x86_64 下什么都不需要做，对它而言上面的 LoadExclusive 也只是一个原子读取 (atomic_load)
            ClearExclusive(&isa.bits);
            
            // 如果当前对象是元类对象，则直接返回 false 
            if (rawISA()->isMetaClass()) return false;
            
            // 如果当前 SideTable 加锁了则进行解锁
            if (sideTableLocked) sidetable_unlock();
            
            // 只针对 isa 是原始 Class cls 的对象调用的 sidetable_release 函数
            return sidetable_release(performDealloc);
        }
        
        // don't check newisa.fast_rr; we already called any RR overrides
        // 不要检查 newisa.fast_rr; 我们之前已经调用过所有 RR 的重载
        
        // extra_rc-- 
        uintptr_t carry;
        newisa.bits = subc(newisa.bits, RC_ONE, 0, &carry);  // extra_rc--
        
        // 如果发生了下溢出的话，要进行处理，如果没有发生的话就是结束循环，解锁并执行 return false;
        if (slowpath(carry)) {
            // don't ClearExclusive()
            // 不执行 ClearExclusive()
            // 这里直接 goto 到 underflow 中去处理溢出
            goto underflow;
        }
        
    // 这里结束循环的方式同 rootRetain 函数，都是为了保证 isa.bits 能正确修改
    // StoreExclusive 和 StoreReleaseExclusive 的区别在于 memory_order_relaxed 和 memory_order_release
    // 可参考 https://en.cppreference.com/w/cpp/atomic/memory_order
    
    // 当 &isa.bits 与 oldisa.bits 相同时，把 newisa.bits 复制给 &isa.bits，并返回 true
    // 当 &isa.bits 与 oldisa.bits 不同时，
    // 把 oldisa.bits 复制给 &isa.bits, 并返回 false （此时会继续进行 do wehile 循环）
    } while (slowpath(!StoreReleaseExclusive(&isa.bits, oldisa.bits, newisa.bits)));
    
    // 如果未下溢出的话，不需要 goto underflow，如果 Sidetable 加锁了，
    // 则进行解锁，然后返回 false，函数执行结束
    if (slowpath(sideTableLocked)) sidetable_unlock();
    return false;

 underflow:
    // newisa.extra_rc-- underflowed: borrow from side table or deallocate
    // newisa.extra_rc-- 发生溢出时，有两种方式进行处理：
    // 1. 如果 SideTable 中有保存对象的引用计数的话可以从 SideTable 中借用
    // 2. 如果 SideTable 中没有保存对象的引用计数的话，表示对象需要执行销毁了

    // abandon newisa to undo the decrement
    newisa = oldisa;

    if (slowpath(newisa.has_sidetable_rc)) {
        // 如果 newisa.has_sidetable_rc 为 true，表示在 SideTable 中有保存对象的引用计数
        if (!handleUnderflow) {
            ClearExclusive(&isa.bits);
            
            // 如果 handleUnderflow 为 false，则调用 rootRelease_underflow，“递归” 调用 rootRelease 处理溢出
            return rootRelease_underflow(performDealloc);
        }

        // Transfer retain count from side table to inline storage.
        // 将 retain count 从 SideTable 中转移到 isa.extra_rc 中保存。

        if (!sideTableLocked) {
            // 如果 SideTable 未加锁
            
            // 同上，清除独占标记
            ClearExclusive(&isa.bits);
            
            // 给 SideTable 加锁
            sidetable_lock();
            // 并把加锁标记置为 true
            sideTableLocked = true;
            
            // Need to start over to avoid a race against the nonpointer -> raw pointer transition.
            
            // 回到 retry
            goto retry;
        }

        // Try to remove some retain counts from the side table.
        // 尝试从 SideTable 中移除一些引用计数。
        
        // 是从 SideTable 借一些引用计数出来，borrowed 是借到的值，可能是 0，也可能是 RC_HALF
        // refcnts 中保存的引用计数是 RC_HALF 的整数倍，
        // 每次 retain 溢出时都是往 refcnts 中转移 RC_HALF，
        // 剩下的 RC_HALF 放在 extra_rc 字段中
        size_t borrowed = sidetable_subExtraRC_nolock(RC_HALF);

        // To avoid races, has_sidetable_rc must remain set even if the side table count is now zero.
        // 为了避免竞态，即使 SideTable 计数现在为零，也必须保持 has_sidetable_rc 之前的设置。
        
        if (borrowed > 0) {
            // borrowed 表示从 SideTable 借到引用计数了
            
            // Side table retain count decreased.
            // SideTable 引用计数 减少。
            // Try to add them to the inline count.
            // 尝试将借来的引用计数增加到 extra_rc 中。
            
            // 赋值。（包含减 1 的操作）
            newisa.extra_rc = borrowed - 1;  // redo the original decrement too
            
            // 原子保存修改后的 isa.bits
            bool stored = StoreReleaseExclusive(&isa.bits, 
                                                oldisa.bits, newisa.bits);
            if (!stored) {
                // 如果失败的话
                
                // Inline update failed. 
                // extra_rc 更新失败。
                
                // Try it again right now. 
                // This prevents livelock on LL/SC architectures where the side
                // table access itself may have dropped the reservation.
                // 立即进行重试。
                // 这样可以防止在 LL/SC体系结构上发生 livelock，在这种情况下 SideTable 访问本身可能已取消预留。
                // 活锁可参考: https://www.zhihu.com/question/20566246
                
                isa_t oldisa2 = LoadExclusive(&isa.bits);
                isa_t newisa2 = oldisa2;
                
                if (newisa2.nonpointer) {
                    uintptr_t overflow;
                    // 把借来的引用计数增加到 extra_rc 中
                    newisa2.bits = 
                        addc(newisa2.bits, RC_ONE * (borrowed-1), 0, &overflow);
                    if (!overflow) {
                        // 如果还是失败的话，下面 goto retry 再重来
                        stored = StoreReleaseExclusive(&isa.bits, oldisa2.bits, 
                                                       newisa2.bits);
                    }
                }
            }

            if (!stored) {
                // 如果还是失败了。
                // Inline update failed.
                // Put the retains back in the side table.
                // 把从 SideTable 借来的引用计数还放回到 SideTable 中去。
                
                sidetable_addExtraRC_nolock(borrowed);
                
                // 然后直接 goto retry; 进行全盘重试
                goto retry;
            }

            // Decrement successful after borrowing from side table.
            // 减去从 SideTable 借来的引用计数成功。
            
            // This decrement cannot be the deallocating decrement
            // - the side table lock and has_sidetable_rc bit
            // ensure that if everyone else tried to -release while we worked, 
            // the last one would block.
            
            // 解锁
            sidetable_unlock();
            // 返回 false 
            return false;
        }
        else {
            // SideTable 是空的，执行 dealloc 分支
            // Side table is empty after all. Fall-through to the dealloc path.
        }
    }

    // Really deallocate.
    // 执行销毁。

    if (slowpath(newisa.deallocating)) {
        // 如果对象已经被标记了正在执行释放...
        // 这里又进行释放，明显是发生了过度释放...
        
        // 清除独占标记
        ClearExclusive(&isa.bits);
        
        // 如果 SideTable 加锁了则进行解锁
        if (sideTableLocked) sidetable_unlock();
        // 调用 overrelease_error，crash 报错...
        // 对象在销毁的过程中过度释放；中断 objc_overrelease_during_dealloc_error 进行调试
        return overrelease_error();
        // does not actually return
    }
    
    // 把对象的 isa 的 deallocating 置为 true。isa 的又一个字段被设置了，越来的越多的字段被发现设置位置了。 
    newisa.deallocating = true;
    
    // 设置 &isa.bits，如果失败，则 goto retry;
    if (!StoreExclusive(&isa.bits, oldisa.bits, newisa.bits)) goto retry;

    // 如果加锁了，则进行解锁。
    if (slowpath(sideTableLocked)) sidetable_unlock();

    // 这个函数以当前的水平实在是看不懂呀...
    __c11_atomic_thread_fence(__ATOMIC_ACQUIRE);

    if (performDealloc) {
        // 如果 performDealloc 为 true，则以消息发送的方式调用 dealloc 
        ((void(*)(objc_object *, SEL))objc_msgSend)(this, @selector(dealloc));
    }
    
    return true;
}
}

sidetable_release

// return uintptr_t instead of bool so that the various raw-isa -release paths all return zero in eax
// 返回 uintptr_t 而不是 bool，以便各种 raw-isa -release路径在 eax 中都返回零

uintptr_t
objc_object::sidetable_release(bool performDealloc)
{
// 如果当前平台支持 isa 优化
#if SUPPORT_NONPOINTER_ISA
    // 如果 isa 是优化的 isa 则直接执行断言，
    // sidetable_release 函数只能在对象的 isa 是原始 isa 时调用（Class cls）
    ASSERT(!isa.nonpointer);
#endif
    
    // 从全局的 SideTalbes 中找到 this 所处的 SideTable
    SideTable& table = SideTables()[this];
    
    // 临时变量，标记是否需要执行 dealloc
    bool do_dealloc = false;
    
    // 加锁
    table.lock();
    
    // it 的类型是: std::pair, size_t>>, bool>
    // try_emplace 处理两种情况：
    // 1. 如果 this 在 refcnts 中还不存在，则给 this 在 buckets 中找一个 BucketT，
    //    KeyT 放 this， ValueT 放 SIDE_TABLE_DEALLOCATING，然后使用这个 BucketT 构建一个 iterator，
    //    然后用这个 iterator 和 true 构造一个 std::pair 返回。
    // 2. 如果 this 在 refcnts 中已经存在了，则用 this 对应的 BucketT 构建一个 iterator,
    //    然后用这个 iterator 和 false 构造一个 std::pair 返回。
    auto it = table.refcnts.try_emplace(this, SIDE_TABLE_DEALLOCATING);
    
    // refcnt 是引用计数值的引用。
    // it.first 是 DenseMapIterator，它的操作符 -> 被重写了返回的是 DenseMpaIterator 的 Ptr 成员变量，
    // 然后 Ptr 的类型是 BucketT 指针,
    // 然后这里的 ->second 其实就是 BucketT->second，其实就是 size_t，正是保存的对象的引用计数数据。
    auto &refcnt = it.first->second;
    
    if (it.second) {
        // 如果 it.second 为 true，表示 this 第一次放进 refcnts 中，且 BucketT.second 已经被置为 SIDE_TABLE_DEALLOCATING，
        // 标记为需要执行 dealloc
        do_dealloc = true;
    } else if (refcnt < SIDE_TABLE_DEALLOCATING) {
        // SIDE_TABLE_WEAKLY_REFERENCED may be set. Don't change it.
        // 如果 refcnt < SIDE_TABLE_DEALLOCATING，那可能的情况就是 SIDE_TABLE_WEAKLY_REFERENCED 或者为 0
        // 标记为需要执行 dealloc
        do_dealloc = true;
        
        // 与 SIDE_TABLE_DEALLOCATING 执行或操作，表示把 refcnt 标记为 DEALLOCATING
        refcnt |= SIDE_TABLE_DEALLOCATING;
    } else if (! (refcnt & SIDE_TABLE_RC_PINNED)) {
        // refcnt & SIDE_TABLE_RC_PINNED 值为 false 的话表示，
        // rcfcnts 中保存的 this 对应的 BucketT 的 size_t 还没有溢出，还可正常进行操作存储 this 的引用计数
        // refcnt 减去 SIDE_TABLE_RC_ONE
        refcnt -= SIDE_TABLE_RC_ONE;
    }
    
    // 解锁
    table.unlock();
    
    if (do_dealloc  &&  performDealloc) {
        // 如果 do_dealloc 被标记为需要 dealloc 并且入参 performDealloc 为 true，
        // 则以 objc_msgSend 消息发送的方式调用对象的 dealloc 方法
        ((void(*)(objc_object *, SEL))objc_msgSend)(this, @selector(dealloc));
    }
    
    return do_dealloc;
}

在上面的代码当中有两个宏定义：

现在release也很好理解了：

1. 依旧是判断是否为taggedPointer，如果是，直接返回false，不需要dealloc
2. 判断是否有优化 如果没有 就直接操作散列表，使引用计数-1
3. 判断是引用计数为否为0 如果是0则执行dealloc流程
4. 若isa有优化，则对象的isa位存储的引用计数减一，且通过carry判断是否向下溢出了 结果为负数（下图有点问题 应该是判断是有向下溢出），如果是，如果到-1 就放弃newisa改为old,并将散列表中一半引用计数取出来，然后将这一半引用计数减一在存到isa的extra_rc
5. 如果sidetable的引用计数为0，对象进行dealloc流程

其实和retain一样 不过release操作变成-1 并且需要注意从sidetable中的一半减一放入

retainCount

如果对象的isa是非指针的话，引用计数同时在 extra_rc 字段和 SideTable 中保存，要求它们的和。如果对象的isa是原始isa的话，对象的引用计数数据只保存在 SideTable 中。

1. 当对象的isa经过优化，首先获取isa位域extra_rc中的引用计数，默认会+1（防止你没持有就要打印），uintptr_t rc = 1 + bits.extra_rc；然后获取散列表的引用计数表中的引用计数，两者相加得到对象的最终的引用计数
2. 当对象的isa没有经过优化，则直接获取散列表的引用计数表中的引用计数，返回。
3. 当我们alloc一个对象时，然后调用retainCount函数，得到对象的引用计数为1。这是因为在底层rootRetainCount方法中，引用计数默认+1了，这里只有对引用计数的读取操作，是没有写入操作的，简单来说就是：为了防止alloc创建的对象被释放（引用计数为0会被释放），所以在编译阶段，程序底层默认进行了+1操作。实际上在extra_rc中的引用计数仍然为0（因为extra_rc中存放的引用计数值是除该对象本身之外的引用计数数量）

所以 通过alloc或者new这样赋值来新建一个对象 ARC MRC环境下都是1 这个1是底层默认的返回值加一 没有调用retain 其他强引用 才会调用objc_retain来持有

从runtime源码中找到retainCount供大家参考：

inline uintptr_t 
objc_object::rootRetainCount()
{
    // 如果是 Tagged Pointer 的话，获取它的引用计数则直接返回 (uintptr_t)this
    if (isTaggedPointer()) return (uintptr_t)this;
    
    // 加锁
    sidetable_lock();
    
    // 以原子方式加载 &isa.bits 数据
    isa_t bits = LoadExclusive(&isa.bits);
    // 如果是 __arm64__ && !__arm64e__ 平台下，要清除独占标记
    ClearExclusive(&isa.bits);
    
    if (bits.nonpointer) {
        // 如果对象的 isa 是非指针的话，引用计数同时在 extra_rc 字段和 SideTable 中保存，要求它们的和
        // 这里加 1， 是因为 extra_rc 存储的是对象本身之外的引用计数的数量（这个加1操作也就是为什么我们新alloc等初始化一个对象之后，打印它的引用计数值为1）
        uintptr_t rc = 1 + bits.extra_rc;
        
        // 如果 has_sidetable_rc 位为 1，则表示在 SideTable 中也保存有对象的引用计数数据
        if (bits.has_sidetable_rc) {
            // 找到对象的在 SideTable 中的引用计数并增加到 rc 中
            rc += sidetable_getExtraRC_nolock();
        }
        // 解锁
        sidetable_unlock();
        // 返回 rc
        return rc;
    }

    sidetable_unlock();
    // 如果对象的 isa 是原始 isa 的话，对象的引用计数数据只保存在 SideTable 中
    return sidetable_retainCount();
}

isa如果优化过，即支持Nonpointer isa，则在sidetable中查找引用计数的函数如下：

size_t 
objc_object::sidetable_getExtraRC_nolock()
{
    // 此函数只限定 isa 是非指针的对象调用
    ASSERT(isa.nonpointer);
    
    // 从全局的 SideTables 中找到 this 所处的 SideTable
    SideTable& table = SideTables()[this];
    // 查找对象的引用计数
    RefcountMap::iterator it = table.refcnts.find(this);
    // 如果未找到，返回 0
    if (it == table.refcnts.end()) return 0;
    // 如果找到了做一次右移操作，后两位是预留的标记位
    else return it->second >> SIDE_TABLE_RC_SHIFT;
}

不支持Nonpointer isa的话，在sidetable中查找引用计数的函数如下：

uintptr_t
objc_object::sidetable_retainCount()
{
    // 找到 this 所在的 SideTable
    SideTable& table = SideTables()[this];

    // refcnt_result 初始为 1，因为 SideTable 中存储的是对象本身之外的引用计数的数量
    size_t refcnt_result = 1;
    
    // 加锁
    table.lock();
    
    // 在 refcnts 中查找对象的引用计数
    RefcountMap::iterator it = table.refcnts.find(this);
    if (it != table.refcnts.end()) {
        // this is valid for SIDE_TABLE_RC_PINNED too
        // 这也对 SIDE_TABLE_RC_PINNED 有效
        
        // 移位并增加到 refcnt_result
        refcnt_result += it->second >> SIDE_TABLE_RC_SHIFT;
    }
    
    // 解锁
    table.unlock();
    return refcnt_result;
}

retainCount相关流程图如下：

在学完了release和retain之后，我们浅浅地总结一下： 在我们alloc初始化完一个对象的过程中，系统在编译阶段，程序底层默认对对象进行了引用计数+1操作，但是这个1不会出现在sidetable中，也不会出现在extra_rc中，因为sidetable和extra_rc当中存放的都是该对象本身之外的引用计数的数量，所以初始状态sidetable和extra_rc中的值都是0，然后我们后续进行的retain和release操作都是针对sidetable和extra_rc中的引用计数进行+1或-1。

非自己生成并持有

	id __strong obj = [NSMutableArray array];
    NSLog(@"%@", obj);

我们发现出现了objc_retainAutoreleasedReturnValue这个方法

接着我们就探究其原理：

先看一个例子：

	@autoreleasepool {
       __autoreleasing NSObject *obj = [NSObject new];
    }
	该代码对应的伪代码是：
	// 获取哨兵POOL_SENTINEL
    void * atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();
    {
        __autoreleasing NSObject *obj = [NSObject new];
    }
    // 就是release哨兵之后的autorelease对象。
    objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);

autorelease调用栈如下：

- [NSObject autorelease]
└── id objc_object::rootAutorelease()
    └─ id objc_object::rootAutorelease2()
       └─ static id AutoreleasePoolPage::autorelease(id obj)
          └─ static id AutoreleasePoolPage::autoreleaseFast(id obj)
             ├─ id *add(id obj)
             ├─ static id *autoreleaseFullPage(id obj, AutoreleasePoolPage *page)
             │  ├─ AutoreleasePoolPage(AutoreleasePoolPage *newParent)
             │  └─ id *add(id obj)
             └─ static id *autoreleaseNoPage(id obj)
                ├─ AutoreleasePoolPage(AutoreleasePoolPage *newParent)
                └─ id *add(id obj)

一个autorelease对象在什么时刻释放？
答案是：

1. 手动指定Autoreleasepool：当前Autoreleasepool作用域大括号结束时释放；
2. 不手动指定：autorelease对象会被添加到最近一次创建的autoreleasepool中，并在当前的runloop迭代结束时候释放。

例如： 主Runloop对Autoreleasepool管理的流程：
Runloop中，检测到触摸事件，创建事件，创建Autoreleasepool，autorelease对象加入pool中，事件完成，Runloop运行循环将要结束，释放Autoreleasepool，向pool中对象发送release消息，Runloop休眠。

autorelease 进行的非持有方法的优化(自动添加到自动释放池)：

1. alloc/new/copy/mutableCopy—持有对象方法会自动添加到自动释放池
2. 其他类方法返回的对象，如下面的createObject就会自动添加到自动释放池

@implementation ObjectTest
+ (instancetype)createObject {
    return [self new];
}

接着我们来看这两个方法本尊：

id objc_autoreleaseReturnValue(id obj)
{
    // prepareOptimizedReturn判断是否可以TSL优化，可以则标记，YES--就不需要调用 objc_autorelease()，优化性能
    if (prepareOptimizedReturn(ReturnAtPlus1)) return obj;

    return objc_autorelease(obj);
}
id objc_retainAutoreleasedReturnValue(id obj)
{
  // 如果之前 objc_autoreleaseReturnValue() 存入的标志位为 ReturnAtPlus1，则直接返回对象，无需调用 objc_retain()，优化性能
    if (acceptOptimizedReturn() == ReturnAtPlus1) return obj;
    return objc_retain(obj);
}

然后是这两个方法中if判断的条件调用的函数：

static ALWAYS_INLINE bool 
prepareOptimizedReturn(ReturnDisposition disposition)
{
	//获取返回标记
    assert(getReturnDisposition() == ReturnAtPlus0);

    if (callerAcceptsOptimizedReturn(__builtin_return_address(0))) {
        if (disposition) setReturnDisposition(disposition);
        return true;
    }

    return false;
}

static ALWAYS_INLINE ReturnDisposition 
acceptOptimizedReturn()
{
    ReturnDisposition disposition = getReturnDisposition();
    setReturnDisposition(ReturnAtPlus0);  // reset to the unoptimized state
    return disposition;
}

TLS 全称为 Thread Local Storage，是每个线程专有的键值存储：

/*在某个线程上的函数调用栈上相邻两个函数对 TLS 进行了存取，这中间肯定不会有别的程序『插手』。
所以 getReturnDisposition() 和 setReturnDisposition() 的实现比较简单，不需要判断考虑是针对哪个对象的 Disposition 进行存取，因为当前线程上下文中只处理唯一的对象，保证不会乱掉。 */

static ALWAYS_INLINE void 
setReturnDisposition(ReturnDisposition disposition)
{
    tls_set_direct(RETURN_DISPOSITION_KEY, (void*)(uintptr_t)disposition);
}

callerAcceptsOptimizedReturn(__builtin_return_address(0))函数在不同架构的 CPU 上实现也是不一样的。 主要作用：

__builtin_return_address(0)获取当前函数返回地址，传入 callerAcceptsOptimizedReturn 判断调用方是否紧接着调用了 objc_retainAutoreleasedReturnValue
当判断调用方紧接着调用了 objc_retainAutoreleasedReturnValue 或者 objc_unsafeClaimAutoreleasedReturnValue
直接返回当前对象地址,而不执行retain与autorelease操作.

其作用就是得到函数的返回地址，0–表示返回当前函数的返回地址，1–表示返回当前函数的调用方的返回地址；

ARC 会视情况在调用方法时可能会添加 retain ，在方法内部返回时可能会添加 autorelease ，经过优化后很可能会抵消。

1、持有、无引用：

- (void)test {
    [BBObject new];
}

编译器编译后的伪代码：

- (void)test {
    objc_release([BBObject new]) ;
}

2、持有、局部变量引用 __strong：

- (void)test {
    __strong BBObject * obj = [BBObject new];
}

编译器编译后的伪代码：

- (void)test {
    id temp = [BBObject new];
    objc_storeStrong(&temp,nil);//相当于tmp指向对象执行release
}

3、持有、外部变量引用：

- (void)test {
    self.obj = [BBObject new];
}

编译器编译后的伪代码：

- (void)test{
    id temp = [BBObject new];
    [self setObj:temp];//setter方法执行objc_storeStrong
    objc_release(temp);
}
- (void)setObj:(id aObj) {
    objc_storeStrong(&_obj, aObj);
}

4、不持有、无引用：

- (void)test {
    [BBObject createObj];
}

编译器编译后的伪代码：

+ (instancetype) createObj {
    id tmp = [self new];
    return objc_autoreleaseReturnValue(tmp); // 系统可能会调用[tmp autorelease] 
}
- (void)test { 
    objc_unsafeClaimAutoreleasedReturnValue([BBObject createObj]); 
}

5、不持有、局部变量引用：

- (void)test {
    BBObject * obj1 = [BBObject createObj];
}

编译器编译后的伪代码：

+ (instancetype) createObj {
    id tmp = [self new];
    return objc_autoreleaseReturnValue(tmp); // 系统可能会调用[tmp autorelease] 
}
- (void)test {
    id obj1 = objc_retainAutoreleasedReturnValue([BBObject createObj]);  
    objc_storeStrong(& obj1,nil); 
}

发现obj1指向的对象不会加入autoreleasepool

6、不持有、外部变量引用：

+ (instancetype) createObj {
    id tmp = [self new];
    return objc_autoreleaseReturnValue(tmp); // 系统可能会调用[tmp autorelease] 
}
- (void)test {
    self.obj = [BBObject createObj];
}

编译后的伪代码：

- (void)test {
    id temp = _objc_retainAutoreleasedReturnValue([Foo createFoo]); 
    [self setObj:temp]; // setter方法执行objc_storeStrong
    objc_release(temp);
}

总结非自己生成并持有

• objc_autoreleasedReturnValue会检验调用者是否会对该对象执行retain操作，如果会的话就不执行autorelease，直接设置标志符ReturnAtPlus1
• objc_retainAutoreleaseReturnValue在检验到标志符后，也不retain了（后面retain操作），直接返回对象本身，同样，如果检测到标识符显示后面没有retain操作，那么就走一遍retain使其引用计数加1

所以array这样的赋值新建一个对象，ARC环境下引用计数的1是底层默认的返回值加一 没有调用retain 其他强引用,才会调用objc_retain来使引用计数加一。objc_retain是retainAutoreleaseReturnValue调用的。

一个问题：为什么要传入（NSError **）这种类型的参数

这是一个二级指针（指向指针的指针），将一个基本类型的变量通过函数参数传入函数内，在函数内如何改变都不会影响到外部变量的值，那如果我们要在函数内部改变外部变量的值，就应该将指针的值传入函数，然后函数中根据指针去找到指向的内存进行修改。

如果函数参数本身是一个对象，我们传入一个对象，对象本身就是一个地址（但是一个一级指针）。

如以下例子：

#import <Foundation/Foundation.h>
#import "StrongTest.h"

void test(StrongTest *obj) {
    obj.name = @"3G Group";
    //重新初始化obj,也就是改变参数obj的值（因为划分新的内存，对象的地址会变，而obj就是对象在内存中的地址）
    obj = [[StrongTest alloc] init];
    obj.name = @"iOS Club";
}

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        
        StrongTest *obj = [[StrongTest alloc] init];
        obj.name = @"Xi You";
        
        test(obj);
        NSLog(@"obj.name = %@", obj.name);
    }
    return 0;
}

可以看到我们最后的打印结果中，并没有打印新初始化的对象的字符串。

这是因为我们使用alloc init后系统会在内存中新开辟一块存储空间存储一个新的对象，然后将函数中的obj存储的指针值改为这个新的内存地址，而函数外的obj并没有发生改变，还是指向原来的这个对象的地址

如果想在函数中改变函数外的对象，就需要用到二级指针，即指向指针的指针。

例子如下：

#import <Foundation/Foundation.h>
#import "StrongTest.h"

void test(StrongTest **obj) {
    (*obj).name = @"3G Group";
    
    *obj = [[StrongTest alloc] init];
    (*obj).name = @"iOS Club";
}

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        
        StrongTest *obj = [[StrongTest alloc] init];
        obj.name = @"Xi You";
        
        test(&obj);
        NSLog(@"obj.name = %@", obj.name);
    }
    return 0;
}

可以看到打印的结果就是我们新初始化后的对象中的字符串。

所以，所以对于NSError **，我们可以在外面新建一个NSError，当函数有错误时，新建一个NSError对象并存储到我们新建的这个NSError对象中。我们就可以通过判断NSError是否为nil来看函数运行是否出错。