本文涉及到的CPU架构为arm64，其它架构大同小异。
源码来自苹果开源-runtime。
Objective-C中采用引用计数机制来管理内存，在MRC时代，需要我们手动retain和release，在苹果引入ARC后大部分时间我们不用再关心引用计数问题。但是为了深入Objective-C本质，引用计数究竟是怎么实现的还是值得我们去探寻的。
ISA
OC中的对象的实质其实是结构体，其中大部分对象都有isa，指向类对象（有一种神奇的存在叫做Tagged Pointer），源码中关于对象结构体objc_object定义如下：
// objc-private.h
struct objc_object {
private:
isa_t isa;
public:
id retain();
void release();
id autorelease();
... //省略了其它方法，感兴趣可以直接看源码
Tagged Pointer
除了有一种特殊的对象Tagged Pointer，这种类型的对象值就存在指针当中，存取性能高。可以用来存储少量数据的对象，例如NSNumber、NSDate、NSString。(更多Tagged Pointer知识，推荐这篇文章)。也就没有引用计数、内存释放的问题。
NONPOINTER ISA
arm64架构isa占64位，苹果为了优化性能，存储类对象地址只用了33位，剩下的位用来存储一些其它信息，比如本文讨论的引用计数。
NONPOINTER ISA存储的字段定义如下：
# if __arm64__
# define ISA_MASK 0x0000000ffffffff8ULL
# define ISA_MAGIC_MASK 0x000003f000000001ULL
# define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL
struct {
uintptr_t nonpointer : 1;
uintptr_t has_assoc : 1;
uintptr_t has_cxx_dtor : 1;
uintptr_t shiftcls : 33; // MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x1000000000
uintptr_t magic : 6;
uintptr_t weakly_referenced : 1;
uintptr_t deallocating : 1;
uintptr_t has_sidetable_rc : 1;
uintptr_t extra_rc : 19;
# define RC_ONE (1ULL<<45)
# define RC_HALF (1ULL<<18)
};
extra_rc
那引用计数存在哪里呢？秘密就在extra_rc中。
extra_rc只是存储了额外的引用计数，实际的引用计数计算公式：引用计数=extra_rc+1。
extra_rc占了19位，可以存储的最大引用计数：$2^{19}-1+1=524288$，超过它就需要进位到SideTables。SideTables是一个Hash表，根据对象地址可以找到对应的SideTable，SideTable内包含一个RefcountMap，根据对象地址取出其引用计数，类型是size_t。
它是一个unsigned long，最低两位是标志位，剩下的62位用来存储引用计数。我们可以计算出引用计数的理论最大值：$2^{62+19}=2.417851639229258e24$。
其实isa能存储的524288在日常开发已经完全够用了，为什么还要搞个Side Table？我猜测是因为历史问题，以前cpu是32位的，isa中能存储的引用计数就只有$2^{7}=128$。因此在arm64下，引用计数通常是存储在isa中的。
retain
有了前面的铺垫，我们知道引用计数怎么存储的了，那引用计数又是怎么改变的呢？通过剖析retain源码我们就可以得出结论了。
objc_object的方法全部定义在objc-object.h文件中，全是内联函数，应该是为了性能的考虑。
我们来看看retain的函数定义
inline id
objc_object::retain()
{
assert(!isTaggedPointer());
if (fastpath(!ISA()->hasCustomRR())) {
return rootRetain();
}
return ((id(*)(objc_object *, SEL))objc_msgSend)(this, SEL_retain);
}
这层比较简单，做了三件事情：
- 判断指针是不是
Tagged Pointer
- 判断是否有自定义
retain，如果有调用自定义的。
- 最后调用
rootRetain
我们来看看关键函数rootRetain的实现（为了便于阅读，代码有所删减）
ALWAYS_INLINE id
objc_object::rootRetain(bool tryRetain, bool handleOverflow)
{
isa_t oldisa;
isa_t newisa;
// 加锁，用汇编指令ldxr来保证原子性
oldisa = LoadExclusive(&isa.bits);
newisa = oldisa;
if (newisa.nonpointer = 0) {
// newisa.nonpointer = 0说明所有位数都是地址值
// 释放锁，使用汇编指令clrex
ClearExclusive(&isa.bits);
// 由于所有位数都是地址值，直接使用sidetable来存储引用计数
return sidetable_retain();
}
// 存储extra_rc++后的结果
uintptr_t carry;
// extra_rc++
newisa.bits = addc(newisa.bits, RC_ONE, 0, &carry);
if (carry == 0) {
// extra_rc++后溢出，进位到side table
newisa.extra_rc = RC_HALF;
newisa.has_sidetable_rc = true;
sidetable_addExtraRC_nolock(RC_HALF);
}
// 将newisa写入isa
StoreExclusive(&isa.bits, oldisa.bits, newisa.bits)
return (id)this;
}
有一个细节可以了解下，如何用汇编来实现原子性操作。
static ALWAYS_INLINE
uintptr_t
LoadExclusive(uintptr_t *src)
{
uintptr_t result;
// 在多核CPU下，对一个地址的访问可能引起冲突，ldxr解决了冲突，保证原子性。
asm("ldxr %x0, [%x1]"
: "=r" (result)
: "r" (src), "m" (*src));
return result;
}
release
release代码逻辑基本上就是retain反过来走一遍，有点不同的是在引用计数减到0时，会调用对象的dealloc方法。
ALWAYS_INLINE bool
objc_object::rootRelease(bool performDealloc, bool handleUnderflow)
{
isa_t oldisa;
isa_t newisa;
retry:
oldisa = LoadExclusive(&isa.bits);
newisa = oldisa;
if (newisa.nonpointer == 0) {
ClearExclusive(&isa.bits);
if (sideTableLocked) sidetable_unlock();
return sidetable_release(performDealloc);
}
uintptr_t carry;
// extra_rc--
newisa.bits = subc(newisa.bits, RC_ONE, 0, &carry);
if (carry == 0) {
// 需要从SideTable借位，或者引用计数为0
goto underflow;
}
// 存储引用计数到isa
StoreReleaseExclusive(&isa.bits,
oldisa.bits, newisa.bits)
return false;
underflow:
// 从SideTable借位
// 或引用计数为0，调用delloc
// 此处省略N多代码
// 总结一下:修改Side Table与extra_rc，
// 引用计数减为0时，调用dealloc
if (performDealloc) {
((void(*)(objc_object *, SEL))objc_msgSend)(this, SEL_dealloc);
}
return true;
}
小结
引用计数存在哪？
-
Tagged Pointer不需要引用计数
-
NONPOINTER ISA(isa的第一位为1)的引用计数优先存在isa中，大于524288了进位到Side Tables
- 非
NONPOINTER ISA引用计数存在Side Tables
retain/release的实质
- 找到引用计数存储区域，然后+1/-1
- 如果是
NONPOINTER ISA，还要处理进位/借位的情况
- release在引用计数减为0时，调用
dealloc
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参考
