Swift 引用计数实现

ARC

内存管理与所有权的概念紧密相关。所有权会决定哪些代码会造成对象被销毁[1]。

自动引用计数（ARC）属于Swift的所有权系统，它规定了一组用于管理和转让所有权的约定。

可以指向对象的变量别名叫做引用。Swift引用具有两个强度级别：强和弱。此外，弱引用包含无主引用和弱引用。

Swift内存管理的本质是：如果一个对象被强引用指向，Swift会保留它，否则将其释放。剩下的只是实现细节。

理解Strong, Weak 和 Unowned 将深入研究如何在编译器级别实现ARC，以及每个Swift对象在销毁之前要经历的步骤

ARC机制在Swift Runtime库中声明。它包含了诸如运行时类型系统之类的核心功能，例如：动态转换，泛型和协议一致性注册[3]。

Swift Runtime 使用HeapObject结构体表示每个动态分配的对象。它包含构成Swift对象的所有数据：引用计数和类型元数据。

HeapObject中每个Swift对象都有三个引用计数：每种引用都有一个。在SIL生成阶段，swiftc编译器会在适当的地方插入swift_retain和swift_release函数。这是通过拦截HeapObject的初始化和销毁来完成的。

如果您是Objective-C老程序员，并且想知道autorelease在哪里，可以告诉你：纯Swift对象没有这个东西。

Side Tables介绍

Side tables是实现Swift弱引用的核心。

大多数情况，对象没有任何“弱”引用，因此为每个对象中的弱引用计数保留存储空间是浪费的。此信息存储在外部的 side table中，只有在确实需要时才会分配。

弱引用变量不是直接指向对象，而是指向side table，而side table又指向对象。这解决了两个问题：为弱引用计数节省内存，直到对象真正需要它才创建；允许安全地将弱引用归零，因为它不会直接指向对象，并且不再是竟态条件的主体。

当两个线程竞争同一资源时，如果对资源的访问顺序敏感，就称存在竞态条件。

Side table只包含一个引用计数和一个对象的指针。它们在Swift Runtime 中声明如下（C ++ 代码）[5]：

classHeapObjectSideTableEntry{

std::atomic<HeapObject*> object;

SideTableRefCounts refCounts;

// Operations to increment and decrement reference counts

}

Swift对象生命周期

swift 对象生命周期.png

在Live状态时，对象处于活动状态。其引用计数被初始化为 strong：1， unown：1和 weak：1（side table从+1开始）。一旦有弱引用指向对象，便会创建side table。弱引用指向side table而不是对象。

一旦强引用计数达到零，则对象从Live状态进入Deiniting状态。处于Deiniting状态表示deinit正在进行中。在这一点上，强引用操作无效。如果存在关联的side table，通过弱引用访问将返回nil。通过unowned访问将触发断言失败。通过新的unowned引用仍然可以存储。从此状态开始，可能选择两条分支：

快速判断如果没有weak，unowned的引用和side table。该对象将转换为Dead状态，并立即从内存中删除。
否则，对象将变为Deinited状态。
在Deinited状态下，deinit已经执行完成，该对象还有未完成的unown引用（至少是初始值：1）。此时，通过强和弱引用进行存储和读取无法发生。Unowned引用存储也不会发生。通过Unown读取会触发断言错误。该对象可以从此处进入两条分支：
如果没有弱引用，则可以立即释放该对象。它过渡到Dead状态。
否则，仍然有一个side table要移除，并且对象进入Freed状态。
在Freed状态之前，对象已完全释放，但它的 side table仍处于活动状态。在此阶段，弱引用计数将置0，并且 side table会被销毁。对象将转换为最终状态。

除指向对象的指针外，在Dead状态下对象已被全部销毁。指向“HeapObject”的指针也从堆中释放出来，在内存中找不到该对象的任何痕迹。

引用计数不变量

在对象的生命周期中，保持以下不变量：

当强引用计数变为零时，对象将被deinited。无主引用访问会引发断言错误，弱引用访问会返回nil。
无主引用第一次创建会造成强引用计数+1，在对象的deinit完成后，递减。
弱引用第一次创建会造成无主引用计数+1。当对象从内存释放后，递减。
总结
自动引用计数并不是什么神奇的东西，我们对它越了解，我们的代码就越不容易出现内存管理错误。这里是要记住的几个关键点：

弱引用指针指向side table。无主和强引用指针指向对象。
自动引用计数是在编译器级别实现的。swiftc编译器会在适当的时候插入swift_retain 和swift_release。
Swift对象不会立即销毁。它们在生命周期中经历了五个阶段：live -> deiniting -> deinited -> freed -> dead

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