Objective-C 弱引用容器实现方案总结

在 OC 中 Foundation 框架中的常用容器类（NSSet，NSDictionary，NSArray）及其可变子类在加入元素时，均会对元素进行强引用。有的时候（比如持有多个 Delegate 对象时），希望有对应的弱引用容器使用。

实现思路

根据加入元素这个操作，很容易发现实现方案从容器本身、加入对象这个行为、对象本身三个方向入手。

容器本身支持弱引用对象

1.Foundation 框架支持弱引用的容器类

• NSHashTable：对应 NSMutebleSet
• NSMapTable：对应 NSMutebleDictionary
• NSPointerArray：对应 NSMutebleArray

本身都是可变的，没有不可变父类。其共同点是 addObject 方法参数声明为 nullable 即不用判断是否为 nil 来避免崩溃，且都拥有初始化方法 - (instancetype)initWithOptions:(NSPointerFunctionsOptions)options 而参数 options 代表其所支持的放入对象的指针管理选项。根据苹果官方文档显示，这些枚举值被分为三类。

• Memory Options（内存语义管理选项）

  NSPointerFunctionsStrongMemory // 和 strong 一样，默认
  NSPointerFunctionsOpaqueMemory // 在指针去除时不做任何动作
  NSPointerFunctionsMallocMemory // 去除时调用 free() , 加入时calloc()
  NSPointerFunctionsMachVirtualMemory //使用可执行文件的虚拟内存
  NSPointerFunctionsWeakMemory //和 weak 一样         
  

• Personaility Options(对象处理选项-如何进行哈希算法，判定等同性，描述)

  NSPointerFunctionsObjectPersonality //使用 NSObject 的 hash、isEqual、description，默认
  NSPointerFunctionsOpaquePersonality //使用偏移后指针，进行 hash 和直接比较等同性
  NSPointerFunctionsObjectPointerPersonality //和上一个相同，多了 description 方法	  
  NSPointerFunctionsCStringPersonality //使用 C 字符串的 hash 和 strcmp 比较，%s 作为 decription
  NSPointerFunctionsStructPersonality // 使用内存的 hash 和 memcmp 
  NSPointerFunctionsIntegerPersonality //使用偏移量作为 hash 和等同性判断
  

• Copy Options（对象拷贝选项）

  NSPointerFunctionsCopyIn//通过 NSCopying 方法，复制后存入
  

另外，文档还强调，每种类别的选项互斥，只能每种类别选择一个。

当然，这三种容器还提供了快捷实例化类方法，含有 weakObjects 字样。

其中 NSPointerArray 稍微和其他两个有点特殊。

1. 不支持 OC 的轻量级泛型（未被声明为 ）
2. 猜测和 1 有关，addPointer 方法（相当于 NSMuteableArray 的 addObject 方法）参数类型是 void* 指针，所以需要(__bridge void *）转换

这个方案应该是最简单的了，毕竟是苹果 Foundation 框架里封装的高级对象。但是其缺点是性能相比对应强引用容器在性能上有所欠缺，根据 Objc.io 文章中的测试结果，NSHashTable 的 addObject 和 NSPointerArray 的 addPointer 性能差距尤其严重，使用时需要注意。

2.用 CFFoundation 框架里对应容器类自定义内存管理选项在初始化时，使用 CFFoundation 里的容器类实现后转成 Foundation 对象

以 NSMutableSet 为例，可以增加一个新的分类，自定义一个实例化方法

+ (instancetype)cdz_weakSet{
    CFSetCallBacks callbacks = {0, NULL, NULL, CFCopyDescription, CFEqual, CFHash};
    return (NSMutableSet *)CFBridgingRelease(CFSetCreateMutable(0, 0, &callbacks));
}

建立容器类的步骤

1.生成 CallBacks 结构体

结构体中的对象其实就是一些描述容器的选项

同样以 CFSetCallBacks 为例，其结构体定义如下

typedef struct {
    CFIndex				version;
    CFSetRetainCallBack			retain;
    CFSetReleaseCallBack		release;
    CFSetCopyDescriptionCallBack	copyDescription;
    CFSetEqualCallBack			equal;
    CFSetHashCallBack			hash;
} CFSetCallBacks;

version 暂时不管它，看下剩下变量类型名字，是否感觉比较熟悉

其实和之前 NSPointerFunctionsOptions 类似，还是分三种，retain 和 release 是内存管理，equal 和 hash 和是对象处理，copyDescription 是复制处理。

所以我们就需要改变 retain 和 release 就好。类型是 xxxCallBack 那么说明应该这个类型是一个 block，而去当这些操作执行执行对应的 block。文档对 retain 和 release 这两个 block 的描述也是这样说的。那么如果要实现引用计数增减，就应该在这两个 block 里实现，所以我猜测 Foundation 框架里的容器类 retain，应该就在这个两个 block 里实现。那么我们只需要 block 值为 NULL，在 retain 和 release 操作里，就不会引用计数的变化，从而不持有对象。

2.使用 CreatMutable 生成可变容器

这时传入之前的自定义 callBacks，也可以传入 capacity 之类的（默认为 0 就好），转换为 Foundation 对象

3.在对象销毁时移除出容器或置 nil

如果不这么做，在对象销毁后容器里的元素会变成野指针引发 Crash。详见 再谈 Objective-C 弱引用容器的实现-关联对象实现weak 补充说明。

加入容器时不引用

方式很简单，在 addObject 后调用一次 release 减少引用计数。

release 方法有两种

1. 将分类 .m 文件将编译选项切换为 MRC（在 Build Phases 中的 Compile Sources 中加入编译标记 -fno-objc-arc），直接使用 [object release]
2. 在 ARC 中，使用 CFFoundation 的 release 方法 CFRelease

例子中使用第二种，在分类中新增一个方法

- (void)mrc_weakAddObject:(NSObject *)object{
    [self addObject:object];
    CFRelease((__bridge CFTypeRef)(object));
}

注意！！

在使用这种方法后，这个容器将变得极其不安全，必须搭配一整套 API 来操作容器，包括 add/remove/objectOfxxx，而不搭配使用的话，将可能将引用计数变得混乱，甚至导致崩溃。

而最起码的，在容器会被销毁时，需要搭配一个特殊的 removeAllObjects 去将引用计数进行修正。否则因为在 addObject 时没有增加引用计数，则在容器销毁时，容器内部的对象的引用计数已经将至 0，对象被销毁（而不是置 nil），内存被回收（标记为可用）。此时当容器在销毁时，会遍历容器里所有对象并对他们发送 release 消息，代表不再持有该对象（引用计数减 1），会向一个已被销毁的对象发送消息，导致崩溃。

这也是 MRC 时代遇见比较多的过度释放（over release）问题。

可以在 Xcode 开启 NSZombie（释放时转变为 NSZombie 并记录收到的消息）或 Address Sanitizer（XCode 7 以上）调试选项进行追踪过渡释放。

同时，同 CoreFoundation 方法一样，需要在对象摧毁时移除出容器或置 nil。详见 再谈 Objective-C 弱引用容器的实现-关联对象实现 weak 补充说明。

笔者不推荐这种方式实现，因为在使用时必须十分小心，而团队维护也容易不小心和系统 API 混合使用。

使对象变得可被弱引用

思路就是用一个别的对象 A 持有这个原来元素的弱引用，在容器类存入对象 A。抛砖引玉，提供两种方法

1.使用 NSValue

使用 NSValue 的 valueWithNonretainedObject 转化为 NSValue 对象存入容器。

这个方法会弱引用这个 object。

取的时候用 value 的 nonretainedObjectValue 属性

NSValue *weakObject = [NSValue valueWithNonretainedObject:object];
weakObject.nonretainedObjectValue;

2.使用 block

先对 object 加上 weak 修饰符，再包在 block 中就可以了。

使用时可搭配以下简便方法

typedef id(^CDZWeakObjectBlock)();
CDZWeakObjectBlock blockOfObjcet (id object) {
    __weak id weakObjcet = object;
    return ^{
        return weakObjcet;
    };
}

id objectOfBlock (CDZWeakObjectBlock block) {
    if (block) {
        return block();
    }
    else {
        return nil;
    }
}

当然也可以实现自定义对象进行持有，而缺点就是，没办法使用容器的泛型进行约束和警告，差异值被抹去了。

最终方案

自己实现一个容器类，哈哈

这里提供自己浅显的思路，参考系统 API，容器类关心下面这几个点

• 容器里对象的内存管理
• Hash 算法，等同性算法，描述
• 可拷贝
• 对象类型，泛型支持

总结

Foundation 中的弱引用容器类 NSHashTable/NSMaptable/NSPointerArray

• 使用简单，功能强大，高层级封装
• 性能有差距

CFFoundation 实现容器

• 实现稍复杂
• 需要自己处理置 nil 行为

操作容器时实现引用计数修正

• 使用简单
• 实现繁琐（几乎都要实现对应的），需要了解 MRC，注意管理引用计数，和系统 API 混用时容易出问题

使用新对象持有弱引用对象

• 低耦合，按需选择
• 失去容器类泛型修饰

最后

所有方案的代码可在 Demo 中找到

如果您觉得有帮助,不妨给个 star 鼓励一下,欢迎关注&交流

参考链接

• NSHashTable & NSMapTable
• The Foundation Collection Classes
• NSValue
• NSArray of weak references (__unsafe_unretained) to objects under ARC
• Apple Developer Document - NSPointerFunctionsOptions
• Apple Developer Document - CFSetCallBacks