Objective-C 源码（五） Associated Objects 的实现原理
原文链接：http://blog.leichunfeng.com/blog/2015/06/26/objective-c-associated-objects-implementation-principle/
我们知道，在 Objective-C 中可以通过 Category 给一个现有的类添加属性，但是却不能添加实例变量，这似乎成为了 Objective-C 的一个明显短板。然而值得庆幸的是，我们可以通过 Associated Objects 来弥补这一不足。
在阅读本文的过程中，读者需要着重关注以下三个问题：
关联对象被存储在什么地方，是不是存放在被关联对象本身的内存中？
关联对象的五种关联策略有什么区别，有什么坑？
关联对象的生命周期是怎样的，什么时候被释放，什么时候被移除？
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：
OBJC_EXPORT void objc_setAssociatedObject(id object, const void *key, id value, objc_AssociationPolicy policy)
OBJC_EXPORT id objc_getAssociatedObject(id object, const void *key)
OBJC_EXPORT void objc_removeAssociatedObjects(id object)
这三个函数的命名很容易看懂：
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。
推荐使用第三种，好用，省代码量。
关联策略
关联策略 等价属性 说明OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN @property (assign) or 弱引用关联对象
@property (unsafe_unretained)
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
原子性问题不在这里讨论，下面主要讨论前三种形式：
实现原理
代码Github原文链接：https://github.com/leichunfeng/AssociatedObjects
从测试代码中可以看出：
关联对象的释放时机与被移除的时机并不总是一致的，比如上面的 self.associatedObject_assign 所指向的对象在 ViewController 出现后就被释放了，但是 self.associatedObject_assign 仍然有值，还是保存的原对象的地址。如果之后再使用 self.associatedObject_assign 就会造成 Crash ，所以我们在使用弱引用的关联对象时要非常小心；
一个对象的所有关联对象是在这个对象被释放时调用的 _object_remove_assocations 函数中被移除的。
打开 objc-references.mm，找到 objc_setAssociatedObject 函数最终调用的函数；
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 objc-references.mm 的 objc_getAssociatedObject 函数最终调用了的函数：
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;
}
objc_removeAssociatedObjects
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 。
总结
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 。