Swift源码解析之弱引用

序言：

各个社区有关 Objective-C weak 机制的实现分析文章有很多，然而 Swift 发布这么长时间以来，有关 ABI 的分析文章一直非常少，似乎也是很多 iOS 开发者未涉及的领域… 本文就从源码层面分析一下 Swift 是如何实现 weak 机制的。

下面话不多说了，来一起看看详细的介绍吧

准备工作

由于 Swift 源码量较大，强烈建议大家把 repo clone 下来，结合源码一起来看这篇文章。

$ git clone https://github.com/apple/swift.git

Swift 整个工程采用了 CMake 作为构建工具，如果你想用 Xcode 来打开的话需要先安装 LLVM，然后用 cmake -G 生成 Xcode 项目。

我们这里只是进行源码分析，我就直接用 Visual Studio Code 配合 C/C++ 插件了，同样支持符号跳转、查找引用。另外提醒一下大家，Swift stdlib 里 C++ 代码的类型层次比较复杂，不使用 IDE 辅助阅读起来会相当费劲。

正文

下面我们就正式进入源码分析阶段，首先我们来看一下 Swift 中的对象（class 实例）它的内存布局是怎样的。

HeapObject

我们知道 Objective-C 在 runtime 中通过 objc_object 来表示一个对象，这些类型定义了对象在内存中头部的结构。同样的，在 Swift 中也有类似的结构，那就是 HeapObject，我们来看一下它的定义：

struct HeapObject {
 /// This is always a valid pointer to a metadata object.
 HeapMetadata const *metadata;

 SWIFT_HEAPOBJECT_NON_OBJC_MEMBERS;

 HeapObject() = default;

 // Initialize a HeapObject header as appropriate for a newly-allocated object.
 constexpr HeapObject(HeapMetadata const *newMetadata) 
 : metadata(newMetadata)
 , refCounts(InlineRefCounts::Initialized)
 { }

 // Initialize a HeapObject header for an immortal object
 constexpr HeapObject(HeapMetadata const *newMetadata,
      InlineRefCounts::Immortal_t immortal)
 : metadata(newMetadata)
 , refCounts(InlineRefCounts::Immortal)
 { }

};

可以看到，HeapObject 的第一个字段是一个 HeapMetadata 对象，这个对象有着与 isa_t 类似的作用，就是用来描述对象类型的（等价于 type(of:) 取得的结果），只不过 Swift 在很多情况下并不会用到它，比如静态方法派发等等。

接下来是 SWIFT_HEAPOBJECT_NON_OBJC_MEMBERS，这是一个宏定义，展开后即：

RefCounts<InlineRefCountBits> refCounts;

这是一个相当重要东西，引用计数、弱引用、unowned 引用都与它有关，同时它也是 Swift 对象（文中后续的 Swift 对象均指引用类型，即 class 的实例）中较为复杂的一个结构。

其实说复杂也并不是很复杂，我们知道 Objective-C runtime 里就有很多 union 结构的应用，例如 isa_t 有 pointer 类型也有 nonpointer 类型，它们都占用了相同的内存空间，这样做的好处就是能更高效地使用内存，尤其是这些大量使用到的东西，可以大大减少运行期的开销。类似的技术在 JVM 里也有，就如对象头的 mark word。当然，Swift ABI 中也大量采用这种技术。

RefCounts 类型和 Side Table

上面说到 RefCounts 类型，这里我们就来看看它到底是个什么东西。

先看一下定义：

template <typename RefCountBits>
class RefCounts {
 std::atomic<RefCountBits> refCounts;

 // ...

};

这就是 RefCounts 的内存布局，我这里省略了所有的方法和类型定义。你可以把 RefCounts 想象成一个线程安全的 wrapper，模板参数 RefCountBits 指定了真实的内部类型，在 Swift ABI 里总共有两种：

typedef RefCounts<InlineRefCountBits> InlineRefCounts;
typedef RefCounts<SideTableRefCountBits> SideTableRefCounts;

前者是用在 HeapObject 中的，而后者是用在 HeapObjectSideTableEntry（Side Table）中的，这两种类型后文我会一一讲到。

一般来讲，Swift 对象并不会用到 Side Table，一旦对象被 weak 或 unowned 引用，该对象就会分配一个 Side Table。

InlineRefCountBits

定义：

typedef RefCountBitsT<RefCountIsInline> InlineRefCountBits;

template <RefCountInlinedness refcountIsInline>
class RefCountBitsT {

 friend class RefCountBitsT<RefCountIsInline>;
 friend class RefCountBitsT<RefCountNotInline>;

 static const RefCountInlinedness Inlinedness = refcountIsInline;

 typedef typename RefCountBitsInt<refcountIsInline, sizeof(void*)>::Type
 BitsType;
 typedef typename RefCountBitsInt<refcountIsInline, sizeof(void*)>::SignedType
 SignedBitsType;
 typedef RefCountBitOffsets<sizeof(BitsType)>
 Offsets;

 BitsType bits;

 // ...

};

通过模板替换之后，InlineRefCountBits 实际上就是一个 uint64_t，相关的一堆类型就是为了通过模板元编程让代码可读性更高（或者更低，哈哈哈）。

下面我们来模拟一下对象引用计数 +1：

调用 SIL 接口 swift::swift_retain：

HeapObject *swift::swift_retain(HeapObject *object) {
 return _swift_retain(object);
}

static HeapObject *_swift_retain_(HeapObject *object) {
 SWIFT_RT_TRACK_INVOCATION(object, swift_retain);
 if (isValidPointerForNativeRetain(object))
 object->refCounts.increment(1);
 return object;
}

auto swift::_swift_retain = _swift_retain_;

调用 RefCounts 的 increment 方法：

void increment(uint32_t inc = 1) {
 // 3. 原子地读出 InlineRefCountBits 对象（即一个 uint64_t）。
 auto oldbits = refCounts.load(SWIFT_MEMORY_ORDER_CONSUME);
 RefCountBits newbits;
 do {
 newbits = oldbits;
 // 4. 调用 InlineRefCountBits 的 incrementStrongExtraRefCount 方法
 // 对这个 uint64_t 进行一系列运算。
 bool fast = newbits.incrementStrongExtraRefCount(inc);
 // 无 weak、unowned 引用时一般不会进入。
 if (SWIFT_UNLIKELY(!fast)) {
  if (oldbits.isImmortal())
  return;
  return incrementSlow(oldbits, inc);
 }
 // 5. 通过 CAS 将运算后的 uint64_t 设置回去。
 } while (!refCounts.compare_exchange_weak(oldbits, newbits,
           std::memory_order_relaxed));
}

到这里就完成了一次 retain 操作。

SideTableRefCountBits

上面是不存在 weak、unowned 引用的情况，现在我们来看看增加一个 weak 引用会怎样。

1. 调用 SIL 接口 swift::swift_weakAssign（暂时省略这块的逻辑，它属于引用者的逻辑，我们现在先分析被引用者）
2. 调用 RefCounts<InlineRefCountBits>::formWeakReference 增加一个弱引用：

template <>
HeapObjectSideTableEntry* RefCounts<InlineRefCountBits>::formWeakReference()
{
 // 分配一个 Side Table。
 auto side = allocateSideTable(true);
 if (side)
 // 增加一个弱引用。
 return side->incrementWeak();
 else
 return nullptr;
}

重点来看一下 allocateSideTable 的实现：

template <>
HeapObjectSideTableEntry* RefCounts<InlineRefCountBits>::allocateSideTable(bool failIfDeiniting)
{
 auto oldbits = refCounts.load(SWIFT_MEMORY_ORDER_CONSUME);

 // 已有 Side Table 或正在析构就直接返回。
 if (oldbits.hasSideTable()) {
 return oldbits.getSideTable();
 } 
 else if (failIfDeiniting && oldbits.getIsDeiniting()) {
 return nullptr;
 }

 // 分配 Side Table 对象。
 HeapObjectSideTableEntry *side = new HeapObjectSideTableEntry(getHeapObject());

 auto newbits = InlineRefCountBits(side);

 do {
 if (oldbits.hasSideTable()) {
  // 此时可能其他线程创建了 Side Table，删除该线程分配的，然后返回。
  auto result = oldbits.getSideTable();
  delete side;
  return result;
 }
 else if (failIfDeiniting && oldbits.getIsDeiniting()) {
  return nullptr;
 }

 // 用当前的 InlineRefCountBits 初始化 Side Table。
 side->initRefCounts(oldbits);
 // 进行 CAS。
 } while (! refCounts.compare_exchange_weak(oldbits, newbits,
            std::memory_order_release,
            std::memory_order_relaxed));
 return side;
}

还记得 HeapObject 里的 RefCounts 实际上是 InlineRefCountBits 的一个 wrapper 吗？上面构造完 Side Table 以后，对象中的 InlineRefCountBits 就不是原来的引用计数了，而是一个指向 Side Table 的指针，然而由于它们实际都是 uint64_t，因此需要一个方法来区分。区分的方法我们可以来看 InlineRefCountBits 的构造函数：

LLVM_ATTRIBUTE_ALWAYS_INLINE
 RefCountBitsT(HeapObjectSideTableEntry* side)
 : bits((reinterpret_cast<BitsType>(side) >> Offsets::SideTableUnusedLowBits)
   | (BitsType(1) << Offsets::UseSlowRCShift)
   | (BitsType(1) << Offsets::SideTableMarkShift))
 {
 assert(refcountIsInline);
 }

其实还是最常见的方法，把指针地址无用的位替换成标识位。

顺便，看一下 Side Table 的结构：

class HeapObjectSideTableEntry {
 // FIXME: does object need to be atomic?
 std::atomic<HeapObject*> object;
 SideTableRefCounts refCounts;

 public:
 HeapObjectSideTableEntry(HeapObject *newObject)
 : object(newObject), refCounts()
 { }

 // ...

};

此时再增加引用计数会怎样呢？来看下之前的 RefCounts::increment 方法：

void increment(uint32_t inc = 1) {
 auto oldbits = refCounts.load(SWIFT_MEMORY_ORDER_CONSUME);
 RefCountBits newbits;
 do {
 newbits = oldbits;
 bool fast = newbits.incrementStrongExtraRefCount(inc);
 // ---> 这次进入这个分支。
 if (SWIFT_UNLIKELY(!fast)) {
  if (oldbits.isImmortal())
  return;
  return incrementSlow(oldbits, inc);
 }
 } while (!refCounts.compare_exchange_weak(oldbits, newbits,
           std::memory_order_relaxed));
}
template <typename RefCountBits>
void RefCounts<RefCountBits>::incrementSlow(RefCountBits oldbits,
           uint32_t n) {
 if (oldbits.isImmortal()) {
 return;
 }
 else if (oldbits.hasSideTable()) {
 auto side = oldbits.getSideTable();
 // ---> 然后调用到这里。
 side->incrementStrong(n);
 }
 else {
 swift::swift_abortRetainOverflow();
 }
}
void HeapObjectSideTableEntry::incrementStrong(uint32_t inc) {
 // 最终到这里，refCounts 是一个 RefCounts<SideTableRefCountBits> 对象。
 refCounts.increment(inc);
}

到这里我们就需要引出 SideTableRefCountBits 了，它与前面的 InlineRefCountBits 很像，只不过又多了一个字段，看一下定义：

class SideTableRefCountBits : public RefCountBitsT<RefCountNotInline>
{
 uint32_t weakBits;

 // ...

};

小结一下

不知道上面的内容大家看晕了没有，反正我一开始分析的时候费了点时间。

上面我们讲了两种 RefCounts，一种是 inline 的，用在 HeapObject 中，它其实是一个 uint64_t，可以当引用计数也可以当 Side Table 的指针。

Side Table 是一种类名为 HeapObjectSideTableEntry 的结构，里面也有 RefCounts 成员，是内部是 SideTableRefCountBits，其实就是原来的 uint64_t 加上一个存储弱引用数的 uint32_t。

WeakReference

上面说的都是被引用的对象所涉及的逻辑，而引用者这边的逻辑就稍微简单一些了，主要就是通过 WeakReference 这个类来实现的，比较简单，我们简单过一下就行。

Swift 中的 weak 变量经过 silgen 之后都会变成 swift::swift_weakAssign 调用，然后派发给 WeakReference::nativeAssign：

void nativeAssign(HeapObject *newObject) {
 if (newObject) {
 assert(objectUsesNativeSwiftReferenceCounting(newObject) &&
   "weak assign native with non-native new object");
 }

 // 让被引用者构造 Side Table。
 auto newSide =
 newObject ? newObject->refCounts.formWeakReference() : nullptr;
 auto newBits = WeakReferenceBits(newSide);

 // 喜闻乐见的 CAS。
 auto oldBits = nativeValue.load(std::memory_order_relaxed);
 nativeValue.store(newBits, std::memory_order_relaxed);

 assert(oldBits.isNativeOrNull() &&
   "weak assign native with non-native old object");
 // 销毁原来对象的弱引用。
 destroyOldNativeBits(oldBits);
}

弱引用的访问就更简单了：

HeapObject *nativeLoadStrongFromBits(WeakReferenceBits bits) {
 auto side = bits.getNativeOrNull();
 return side ? side->tryRetain() : nullptr;
}

到这里大家发现一个问题没有，被引用对象释放了为什么还能直接访问 Side Table？其实 Swift ABI 中 Side Table 的生命周期与对象是分离的，当强引用计数为 0 时，只有 HeapObject 被释放了。

只有所有的 weak 引用者都被释放了或相关变量被置 nil 后，Side Table 才能得以释放，相见：

void HeapObjectSideTableEntry::decrementWeak() {
 // FIXME: assertions
 // FIXME: optimize barriers
 bool cleanup = refCounts.decrementWeakShouldCleanUp();
 if (!cleanup)
 return;

 // Weak ref count is now zero. Delete the side table entry.
 // FREED -> DEAD
 assert(refCounts.getUnownedCount() == 0);
 delete this;
}

所以即便使用了弱引用，也不能保证相关内存全部被释放，因为只要 weak 变量不被显式置 nil，Side Table 就会存在。而 ABI 中也有可以提升的地方，那就是如果访问弱引用变量时发现被引用对象已经释放，就将自己的弱引用销毁掉，避免之后重复无意义的 CAS 操作。当然 ABI 不做这个优化，我们也可以在 Swift 代码里做。:)

总结

以上就是 Swift 弱引用机制实现方式的一个简单的分析，可见思路与 Objective-C runtime 还是很类似的，都采用与对象匹配的 Side Table 来维护引用计数。不同的地方就是 Objective-C 对象在内存布局中没有 Side Table 指针，而是通过一个全局的 StripedMap 来维护对象和 Side Table 之间的关系，效率没有 Swift 这么高。另外 Objective-C runtime 在对象释放时会将所有的 __weak 变量都 zero-out，而 Swift 并没有。

总的来说，Swift 的实现方式会稍微简单一些（虽然代码更复杂，Swift 团队追求更高的抽象）。第一次分析 Swift ABI，本文仅供参考，如果存在错误，欢迎大家勘正。感谢！

好了，以上就是这篇文章的全部内容了，希望本文的内容对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值，如果有疑问大家可以留言交流，谢谢大家对猪先飞的支持。