聊聊 Objective-C 循环引用的检测

297次阅读  |  发布于3年以前

Objective-C 使用引用计数作为 iPhone 应用的内存管理方案,引用计数相比 GC 更适用于内存不太充裕的场景,只需要收集与对象关联的局部信息来决定是否回收对象,而 GC 为了明确可达性,需要全局的对象信息。引用计数固然有其优越性,但也正是因为缺乏对全局对象信息的把控,导致 Objective-C 无法自动销毁陷入循环引用的对象。虽然 Objective-C 通过引入弱引用技术,让开发者可以尽可能地规避这个问题,但在引用层级过深,引用路径不那么直观的情况下,即使是经验丰富的工程师,也无法百分百保证产出的代码不存在循环引用。

这时候就需要有一种检测方案,可以实时检测对象之间是否发生了循环引用,来辅助开发者及时地修正代码中存在的内存泄漏问题。要想检测出循环引用,最直观的方式是递归地获取对象强引用的其他对象,并判断检测对象是否被其路径上的对象强引用了,也就是在有向图中去找环。明确检测方式之后,接下来需要解决的是如何获取强引用链,也就是获取对象的强引用,尤其是最容易造成循环引用的 block。

Block 捕获实体引用

往期关于 Block 的文章 对 Block 的一点补充、用 Block 实现委托方法、Block技巧与底层解析

捕获区域布局初探

首先根据 block 的定义结构,可以简单地将其视为:

struct sr_block_layout {
    void *isa;
    int flags;
    int reserved;
    void (*invoke)(void *, ...);
    struct sr_block_descriptor *descriptor;
    /* Imported variables. */
};

// 标志位不一样,这个结构的实际布局也会有差别,这里简单地放在一起好阅读
struct sr_block_descriptor {
    unsigned long reserved; // Block_descriptor_1
    unsigned long size; // Block_descriptor_1
    void (*)(void *dst, void *src);  // Block_descriptor_2 BLOCK_HAS_COPY_DISPOSE
    void (*dispose)(void *); // Block_descriptor_2
    const char *signature; // Block_descriptor_3 BLOCK_HAS_SIGNATURE
    const char *layout; // Block_descriptor_3 contents depend on BLOCK_HAS_EXTENDED_LAYOUT

可以看到 block 捕获的变量都会存储在 sr_block_layout 结构体 descriptor 字段之后的内存空间中,下面我们通过 clang -rewrite-objc 重写如下代码语句 :

int i = 2;
^{
    i;
};

可以得到 :

struct __block_impl {
  void *isa;
  int Flags;
  int Reserved;
  void *FuncPtr;
};

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  int i;
  ...
};

__main_block_impl_0 结构中新增了捕获的 i 字段,即 sr_block_layout 结构体的 imported variables 部分,这种操作可以看作在 sr_block_layout 尾部定义了一个 0 长数组,可以根据实际捕获变量的大小,给捕获区域申请对应的内存空间,只不过这一操作由编译器完成 :

struct sr_block_layout {
    void *isa;
    int flags;
    int reserved;
    void (*invoke)(void *, ...);
    struct sr_block_descriptor *descriptor;
    char captured[0];
};

既然已经知道了捕获变量 i 的存放地址,那么我们就可以通过 *(int *)layout->captured 在运行时获取 i 的值。得到了捕获区域的起始地址之后,我们再来看捕获区域的布局问题,考虑以下代码块 :

int i = 2;
NSObject *o = [NSObject new];
void (^blk)(void) = ^{
    i;
    o;
};

捕获区域的布局分两部分看:顺序和大小,我们先使用老方法重写代码块 :

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;           // 24
  struct __main_block_desc_0* Desc;   // 8 指针占用内存大小和寻址长度相关,在 64 位机环境下,编译器分配空间大小为 8 字节
  int i;                              // 8
  NSObject *o;                        // 8
  ...
};

按照目前 clang 针对 64 位机的默认对齐方式(下文的字节对齐计算都基于此前提条件),可以计算出这个结构体占用的内存空间大小为 24 + 8 + 8 + 8 = 48字节,并且按照上方代码块先 i 后 o 的捕获排序方式,如果我要访问捕获的 o 对象指针变量,只需要在捕获区域起始地址上偏移 8 字节即可,我们可以借助 lldb 的 memory read (x) 命令查看这部分内存空间 :

(lldb) po *(NSObject **)(layout->captured + 8)
0x0000000000000002
(lldb) po *(NSObject **)layout->captured
<NSObject: 0x10073f290>
(lldb) p *(int *)(layout->captured + 8)
(int) $6 = 2
(lldb) p (int *)(layout->captured + 8)
(int *) $9 = 0x0000000100740d18
(lldb) p layout->descriptor->size
(unsigned long) $11 = 44
(lldb) x/44bx layout
0x100740cf0: 0x70 0x21 0x7b 0xa6 0xff 0x7f 0x00 0x00
0x100740cf8: 0x02 0x00 0x00 0xc3 0x00 0x00 0x00 0x00
0x100740d00: 0x40 0x1d 0x00 0x00 0x01 0x00 0x00 0x00
0x100740d08: 0xb0 0x20 0x00 0x00 0x01 0x00 0x00 0x00
0x100740d10: 0x90 0xf2 0x73 0x00 0x01 0x00 0x00 0x00
0x100740d18: 0x02 0x00 0x00 0x00

和使用 clang -rewrite-objc 重写时的猜想不一样,我们可以从以上终端日志中看出以下两点 :

那么 block 到底是怎么对捕获变量进行排序,并且为其分配内存空间的呢?这就需要看 clang 是如何处理 block 捕获的外部变量了。

捕获区域布局分析

首先解决捕获变量排序的问题,根据 clang 针对这部分的排序代码,我们可以知道,在对齐字节数 (alignment) 不相等时,捕获的实体按照 alignment 降序排序 (C 结构体比较特殊,即使整体占用空间比指针变量大,也排在对象指针后面),否则按照以下类型进行排序 :

再结合 clang 对捕获变量对齐子节数计算方式 ,我们可以知道,block 捕获区域变量的对齐结果趋向于被 __attribute__ ((__packed__)) 修饰了的结构体,举个例子 :

struct foo {
    void *p;    // 8
    int i;      // 4
    char c;     // 4 实际用到的内存大小为 1
};

创建 foo 结构体需要分配的空间大小为 8 + 4 + 4 = 16,关于结构体的内存对齐方式,这里额外说几句,编译器会按照成员列表的顺序一个接一个地给每个成员分配内存,只有当存储成员需要满足正确的边界对齐要求时,成员之间才可能出现用于填充的额外内存空间,以提升计算机的访问速度(对齐标准一般和寻址长度一致),在声明结构体时,让那些对齐边界要求最严格的成员最先出现,对边界要求最弱的成员最后出现,可以最大限度地减少因边界对齐而带来的空间损失。再看以下代码块 :

struct foo {
    void *p;    // 8
    int i;      // 4
    char c;     // 1
} __attribute__ ((__packed__));

__attribute__ ((__packed__)) 编译属性告诉编译器,按照字段的实际占用子节数进行对齐,所以创建 foo 结构体需要分配的空间大小为 8 + 4 + 1 = 13。

结合以上两点,我们可以尝试分析以下 block 捕获区域的变量布局情况 :

NSObject *o1 = [NSObject new];
__weak NSObject *o2 = o1;
__block NSObject *o3 = o1;
unsigned long long j = 4;
int i = 3;
char c = 'a';
void (^blk)(void) = ^{
    i;
    c;
    o1;
    o2;
    o3;
    j;
};

首先按照 aligment 排序,可以得到排序顺序为 [o1 o2 o3] j i c,再根据 strong、block、__weak 修饰符对 o1 o2 o3 进行排序,可得到最终结果 o1[8] o3[8] o2[8] j[8] i[4] c[1]。同样的,我们使用 lldb 的 x 命令验证分析结果是否正确 :

(lldb) x/69bx layout
0x10200d940: 0x70 0x21 0x7b 0xa6 0xff 0x7f 0x00 0x00
0x10200d948: 0x02 0x00 0x00 0xc3 0x00 0x00 0x00 0x00
0x10200d950: 0xf0 0x1b 0x00 0x00 0x01 0x00 0x00 0x00
0x10200d958: 0xf8 0x20 0x00 0x00 0x01 0x00 0x00 0x00
0x10200d960: 0xa0 0xf6 0x00 0x02 0x01 0x00 0x00 0x00  // o1
0x10200d968: 0x90 0xd9 0x00 0x02 0x01 0x00 0x00 0x00  // o3
0x10200d970: 0xa0 0xf6 0x00 0x02 0x01 0x00 0x00 0x00  // o2
0x10200d978: 0x04 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00  // j
0x10200d980: 0x03 0x00 0x00 0x00 0x61                 // i c
(lldb) p o1
(NSObject *) $1 = 0x000000010200f6a0

可以看到,小端模式下,捕获的 o1 和 o2 指针变量值为 0x10200f6a0 ,对应内存地址为 0x10200d960 和 0x10200d970,而 o3 因为被 __block 修饰,编译器为 o3 捕获变量包装了一层 byref 结构,所以其值为 byref 结构的地址 0x102000d990 ,而不是 0x10200f6a0 ,捕获的 j 变量地址为 0x10200d978,i 变量地址为 0x10200d980,c 字符变量紧随其后。

Descriptor 的 Layout 信息

经过上述的一系列分析,捕获区域变量的布局方式已经大致摸清了,接下来回过头看下 sr_block_descriptor 结构的 layout 字段是用来干嘛的。从字面上理解,这个字段很可能保存了 block 某一部分的内存布局信息,比如捕获区域的布局信息,我们依旧使用上文的最后一个例子,看看 layout 的值 :

(lldb) p layout->descriptor->layout
(const char *) $2 = 0x0000000000000111 ""

可以看到 layout 值为空字符串,并没有展示出任何直观的布局信息,看来要想知道 layout 是怎么运作的,还需要阅读这一部分的 block 代码 和 clang 代码,我们一步步地分析这两段代码里面隐藏的信息,这里贴出其中的部分代码和注释 :

// block
// Extended layout encoding.

// Values for Block_descriptor_3->layout with BLOCK_HAS_EXTENDED_LAYOUT
// and for Block_byref_3->layout with BLOCK_BYREF_LAYOUT_EXTENDED

// If the layout field is less than 0x1000, then it is a compact encoding 
// of the form 0xXYZ: X strong pointers, then Y byref pointers, 
// then Z weak pointers.

// If the layout field is 0x1000 or greater, it points to a 
// string of layout bytes. Each byte is of the form 0xPN.
// Operator P is from the list below. Value N is a parameter for the operator.

enum {
    ...
    BLOCK_LAYOUT_NON_OBJECT_BYTES = 1,    // N bytes non-objects
    BLOCK_LAYOUT_NON_OBJECT_WORDS = 2,    // N words non-objects
    BLOCK_LAYOUT_STRONG           = 3,    // N words strong pointers
    BLOCK_LAYOUT_BYREF            = 4,    // N words byref pointers
    BLOCK_LAYOUT_WEAK             = 5,    // N words weak pointers
    ...
};

// clang 
/// InlineLayoutInstruction - This routine produce an inline instruction for the
/// block variable layout if it can. If not, it returns 0. Rules are as follow:
/// If ((uintptr_t) layout) < (1 << 12), the layout is inline. In the 64bit world,
/// an inline layout of value 0x0000000000000xyz is interpreted as follows:
/// x captured object pointers of BLOCK_LAYOUT_STRONG. Followed by
/// y captured object of BLOCK_LAYOUT_BYREF. Followed by
/// z captured object of BLOCK_LAYOUT_WEAK. If any of the above is missing, zero
/// replaces it. For example, 0x00000x00 means x BLOCK_LAYOUT_STRONG and no
/// BLOCK_LAYOUT_BYREF and no BLOCK_LAYOUT_WEAK objects are captured.

首先要解释的是 inline 这个词,Objective-C 中有一种叫做 Tagged Pointer 的技术,它让指针保存实际值,而不是保存实际值的地址,这里的 inline 也是相同的效果,即让 layout 指针保存实际的编码信息。在 inline 状态下,使用十六进制中的一位表示捕获变量的数量,所以每种类型的变量最多只能有 15 个,此时的 layout 的值以 0xXYZ 形式呈现,其中 X、Y、Z 分别表示捕获 strong、block、__weak 修饰指针变量的个数,如果其中某个类型的数量超过 15 或者捕获变量的修饰类型不为这三种任何一个时,比如捕获的变量由 __unsafe_unretained 修饰,则采用另一种编码方式,这种方式下,layout 会指向一个字符串,这个字符串的每个字节以 0xPN 的形式呈现,并以 0x00 结束,P 表示变量类型,N 表示变量个数,需要注意的是,N 为 0 表示 P 类型有一个,而不是 0 个,也就是说实际的变量个数比 N 大 1。需要注意的是,捕获 int 等基础类型,不影响 layout 的呈现方式,layout 编码中也不会有关于基础类型的信息,除非需要基础类型的编码来辅助定位对象指针类型的位置,比如捕获含有对象指针字段的结构体。举几个例子 :

unsigned long long j = 4;
int i = 3;
char c = 'a';
void (^blk)(void) = ^{
    i;
    c;
    j;
};

以上代码块没有捕获任何对象指针,所以实际的 descriptor 不包含 copy 和 dispose 字段,去除这两个字段后,再输出实际的布局信息,结果为空(0x00 表示结束),说明捕获一般基础类型变量不会计入实际的 layout 编码 :

(lldb) p/x (long)layout->descriptor->layout
(long) $0 = 0x0000000100001f67
(lldb) x/8bx layout->descriptor->layout
0x100001f67: 0x00 0x76 0x31 0x36 0x40 0x30 0x3a 0x38

接着尝试第一种 layout 方式 :

NSObject *o1 = [NSObject new];
__block NSObject *o3 = o1;
__weak NSObject *o2 = o1;
void (^blk)(void) = ^{
    o1;
    o2;
    o3;
};

以上代码块对应的 layout 值为 0x111 ,表示三种类型变量每种一个 :

(lldb) p/x (long)layout->descriptor->layout
(long) $0 = 0x0000000000000111

再尝试第二种 layout 编码方式 :

NSObject *o1 = [NSObject new];
__block NSObject *o3 = o1;
__weak NSObject *o2 = o1;
NSObject *o4 = o1;
... // 5 - 18
NSObject *o19 = o1;
void (^blk)(void) = ^{
    o1;
    o2;
    o3;
    o4;
    ... // 5 - 18
    o19;
};

以上代码块对应的 layout 值是一个地址 0x0000000100002f44 ,这个地址为编码字符串的起始地址,转换成十六进制后为 0x3f 0x30 0x40 0x50 0x00,其中 P 为 3 表示 __strong 修饰的变量,数量为 15(f) + 1 + 0 + 1 = 17 个,P 为 4 表示 __block 修饰的变量,数量为 0 + 1 = 1 个, P 为 5 表示 __weak 修饰的变量,数量为 0 + 1 = 1 个 :

(lldb) p/x (long)layout->descriptor->layout
(long) $0 = 0x0000000100002f44
(lldb) x/8bx layout->descriptor->layout
0x100002f44: 0x3f 0x30 0x40 0x50 0x00 0x76 0x31 0x36

结构体对捕获布局的影响

由于结构体字段的布局顺序在声明时就已经确定了,无法像 block 构造捕获区域一样,按照变量类型、修饰符进行调整,所以如果结构体中有类型为对象指针的字段,就需要一些额外信息来计算这些对象指针字段的偏移量,需要注意的是,被捕获结构体的内存对齐信息和未捕获时一致,以寻址长度作为对齐基准,捕获操作并不会变更对齐信息。同样地,我们先尝试捕获只有基本类型字段的结构体 :

struct S {
    char c;
    int i;
    long j;
} foo;
void (^blk)(void) = ^{
  foo;
};

然后调整 descriptor 结构,输出 layout :

(lldb) x/8bx layout->descriptor->layout
0x100001f67: 0x00 0x76 0x31 0x36 0x40 0x30 0x3a 0x38

可以看到,只有含有基本类型的结构体,同样不会影响 block 的 layout 编码信息。接下来我们给结构体新增 __strong 和 __weak 修饰的对象指针字段 :

struct S {
    char c;
    int i;
    __strong NSObject *o1;
    long j;
    __weak NSObject *o2;
} foo;
void (^blk)(void) = ^{
  foo;
};

同样分析输出 layout :

(lldb) x/8bx layout->descriptor->layout
0x100002f47: 0x20 0x30 0x20 0x50 0x00 0x76 0x31 0x36

layout 编码为0x20 0x30 0x20 0x50 0x00,其中 P 为 2 表示 word 字类型(非对象),由于字大小一般和指针一致,所以这里表示占用了 8 * (N + 1) 个字节,第一个 0x20 表示非对象指针类型占用了 8 个字节,也就是 char 类型和 int 类型字段对齐之后所占用的空间,接着 0x30 表示有一个 __strong 修饰的对象指针字段,第二个 0x20 表示非对象指针 long 类型占用了 8 个字节,最后的 0x50 表示有一个 __weak 修饰的对象指针字段。由于编码中包含了每个字段的排序和大小,我们就可以通过解析 layout 编码后的偏移量,拿到想要的对象指针值。P 还有个 byte 类型,值为 1 ,和 word 类型有相似的功能,只是表示的空间大小不同。

Byref 结构的布局

由 __block 修饰的捕获变量,会先转换成 byref 结构,再由这个结构去持有实际的捕获变量,block 只负责管理 byref 结构。

// 标志位不一样,这个结构的实际布局也会有差别,这里简单地放在一起好阅读
struct sr_block_byref {
    void *isa;
    struct sr_block_byref *forwarding;
    volatile int32_t flags; // contains ref count
    uint32_t size;
    // requires BLOCK_BYREF_HAS_COPY_DISPOSE
    void (*byref_keep)(struct sr_block_byref *dst, struct sr_block_byref *src);
    void (*byref_destroy)(struct sr_block_byref *);
    // requires BLOCK_BYREF_LAYOUT_EXTENDED
    const char *layout;
};

以上代码块就是 byref 对应的结构体。第一眼看上去,我比较困惑为什么还要有 layout 字段,虽然上文的 block 源码注释说明了 byref 和 block 结构一样,都具备两种不同的布局编码方式,但是 byref 不是只针对一个变量么,难道和 block 捕获区域一样也可以携带多个捕获变量?带着这个困惑,我们先看下以下表达式 :

__block  NSObject *o1 = [NSObject new];

使用 clang 重写之后 :

struct __Block_byref_o1_0 {
    void *__isa;
    __Block_byref_o1_0 *__forwarding;
    int __flags;
    int __size;
    void (*__Block_byref_id_object_copy)(void*, void*);
    void (*__Block_byre/* @autoreleasepool */o{ __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; e)(void*);
    NSObject *o1;
};

和 block 捕获变量一样,byref 携带的变量也是保存在结构体尾部的内存空间里,当前上下文中,可以直接通过 sr_block_byref 的 layout 字段获取 o1 对象指针值。可以看到,在包装如对象指针这类常规变量时,layout 字段并没有起到实质性的作用,那什么条件下的 layout 才表示布局编码信息呢?如果使用 layout 字段表示编码信息,那么携带的变量又是何处安放的呢?我们一个个解答。

针对第一个问题,先看以下代码块 :

__block struct S {
    NSObject *o1;
} foo;
foo.o1 = [NSObject new];
void (^blk)(void) = ^{
  foo;
};

使用 clang 重写之后 :

struct __Block_byref_foo_0 {
  void *__isa;
  __Block_byref_foo_0 *__forwarding;
  int __flags;
  int __size;
  void (*__Block_byref_id_object_copy)(void*, void*);
  void (*__Block_byref_id_object_dispose)(void*);
  struct S foo;
};

和常规类型一样,foo 结构体保存在结构体尾部,也就是原本 layout 所在的字段,重写的代码中依然看不到 layout 的踪影,接着我们试着输出 foo :

(lldb) po foo.o1
<NSObject: 0x10061f130>
(lldb) p (struct S)a_byref->layout
error: Multiple internal symbols found for 'S'
(lldb) p/x (long)a_byref->layout
(long) $3 = 0x0000000000000100
(lldb) x/56bx a_byref
0x100627c20: 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00
0x100627c28: 0x20 0x7c 0x62 0x00 0x01 0x00 0x00 0x00
0x100627c30: 0x04 0x00 0x00 0x13 0x38 0x00 0x00 0x00
0x100627c38: 0x90 0x1b 0x00 0x00 0x01 0x00 0x00 0x00
0x100627c40: 0x00 0x1c 0x00 0x00 0x01 0x00 0x00 0x00
0x100627c48: 0x00 0x01 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00
0x100627c50: 0x30 0xf1 0x61 0x00 0x01 0x00 0x00 0x00

看来事情并没有看上去的那么简单,首先重写代码中 foo 字段所在内存保存的并不是结构体,而是 0x0000000000000100,这个 100 是不是看着有点眼熟,没错,这就是 byref 的 layout 信息,根据 0xXYZ 编码规则,这个值表示有 1 个 __strong 修饰的对象指针。接着针对第二个问题,携带的对象指针变量存在哪,我们把视线往下移动 8 个字节,这不就是 foo.o1 对象指针的值么。总结下,在存在 layout 的情况下,byref 使用 8 个字节保存 layout 编码信息,并紧跟着在 layout 字段后存储捕获的变量。

以上是 byref 的第一种 layout 编码方式,我们再尝试第二种 :

__block struct S {
    char c;
    NSObject *o1;
    __weak NSObject *o3;
} foo;
foo.o1 = [NSObject new];
void (^blk)(void) = ^{
  foo;
};

使用 clang 重写代码之后 :

struct __Block_byref_foo_0 {
  void *__isa;
__Block_byref_foo_0 *__forwarding;
 int __flags;
 int __size;
 void (*__Block_byref_id_object_copy)(void*, void*/* @autoreleasepool */c{ __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; _byref
struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int flags=0) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};

emmmm …,上面代码并不是粘贴错误,貌似 Rewriter 并不能很好地处理这种情况,看来又需要我们直接去看对应内存地址中的值了 :

(lldb) x/72bx a_byref
0x100755140: 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00
0x100755148: 0x40 0x51 0x75 0x00 0x01 0x00 0x00 0x00
0x100755150: 0x04 0x00 0x00 0x13 0x48 0x00 0x00 0x00
0x100755158: 0x10 0x1b 0x00 0x00 0x01 0x00 0x00 0x00
0x100755160: 0xa0 0x1b 0x00 0x00 0x01 0x00 0x00 0x00
0x100755168: 0x8d 0x3e 0x00 0x00 0x01 0x00 0x00 0x00
0x100755170: 0x00 0x5f 0x6b 0x65 0x79 0x00 0x00 0x00
0x100755178: 0xd0 0x6e 0x75 0x00 0x01 0x00 0x00 0x00
0x100755180: 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00
(lldb) x/8bx a_byref->layout
0x100003e8d: 0x20 0x30 0x50 0x00 0x53 0x52 0x4c 0x61

地址 0x100755168 中保存了 layout 编码字符串的地址 0x0000000100003e8d ,将此字符串转换成十六进制后为 0x20 0x30 0x50 0x00 ,这些值的含义在结构体对捕获布局的影响一节中已经描述过,这里就不重复说明了。

强引用对象的获取

目前我们已经知道了 block / byref 如何布局捕获区域内存,以及如何获取关键的布局信息,接下来我们就可以尝试获取 block 强引用的对象了,这里我把强引用的对象分成两部分 :

只要获取这两部分强引用的对象,任务就算完成了,由于上文已经将整个原理脉络理清了,所以编写出可用的代码并不困难。这两部分都涉及到布局编码,我们先根据 layout 的编码方式,解析出捕获变量的类型和数量 :

SRCapturedLayoutInfo *info = [SRCapturedLayoutInfo new];

if ((uintptr_t)layout < (1 << 12)) {
    uintptr_t inlineLayout = (uintptr_t)layout;
    [info addItemWithType:SR_BLOCK_LAYOUT_STRONG count:(inlineLayout & 0xf00) >> 8];
    [info addItemWithType:SR_BLOCK_LAYOUT_BYREF count:(inlineLayout & 0xf0) >> 4];
    [info addItemWithType:SR_BLOCK_LAYOUT_WEAK count:inlineLayout & 0xf];
} else {
    while (layout && *layout != '\x00') {
        unsigned int type = (*layout & 0xf0) >> 4;
        unsigned int count = (*layout & 0xf) + 1;

        [info addItemWithType:type count:count];
        layout++;
    }
}

然后遍历 block 的布局编码信息,根据变量类型和数量,计算出对象指针地址偏移,然后获取对应的对象指针值 :

- (NSHashTable *)strongReferencesForBlockLayout:(void *)iLayout {
    if (!iLayout) return nil;

    struct sr_block_layout *aLayout = (struct sr_block_layout *)iLayout;
    const char *extenedLayout = sr_block_extended_layout(aLayout);
    _blockLayoutInfo = [SRCapturedLayoutInfo infoForLayoutEncode:extenedLayout];

    NSHashTable *references = [NSHashTable weakObjectsHashTable];
    uintptr_t *begin = (uintptr_t *)aLayout->captured;
    for (SRLayoutItem *item in _blockLayoutInfo.layoutItems) {
        switch (item.type) {
            case SR_BLOCK_LAYOUT_STRONG: {
                NSHashTable *objects = [item objectsForBeginAddress:begin];
                SRAddObjectsFromHashTable(references, objects);
                begin += item.count;
            } break;
            case SR_BLOCK_LAYOUT_BYREF: {
                for (int i = 0; i < item.count; i++, begin++) {
                    struct sr_block_byref *aByref = *(struct sr_block_byref **)begin;
                    NSHashTable *objects = [self strongReferenceForBlockByref:aByref];
                    SRAddObjectsFromHashTable(references, objects);
                }
            } break;
            case SR_BLOCK_LAYOUT_NON_OBJECT_BYTES: {
                begin = (uintptr_t *)((uintptr_t)begin + item.count);
            } break;
            default: {
                begin += item.count;
            } break;
        }
    }

    return references;
}

block 布局区域中的 byref 结构需要进行额外的处理,如果 byref 直接携带 __strong 修饰的变量,则不需要关心 layout 编码,直接从结构尾部获取指针变量值即可,否则需要和处理 block 布局区域一样,先得到布局信息,然后遍历这些布局信息,计算偏移量,获取强引用对象地址 :

- (NSHashTable *)strongReferenceForBlockByref:(void *)iByref {
    if (!iByref) return nil;

    struct sr_block_byref *aByref = (struct sr_block_byref *)iByref;
    NSHashTable *references = [NSHashTable weakObjectsHashTable];
    int32_t flag = aByref->flags & SR_BLOCK_BYREF_LAYOUT_MASK;

    switch (flag) {
        case SR_BLOCK_BYREF_LAYOUT_STRONG: {
            void **begin = sr_block_byref_captured(aByref);
            id object = (__bridge id _Nonnull)(*(void **)begin);
            if (object) [references addObject:object];
        } break;
        case SR_BLOCK_BYREF_LAYOUT_EXTENDED: {
            const char *layout = sr_block_byref_extended_layout(aByref);
            SRCapturedLayoutInfo *info = [SRCapturedLayoutInfo infoForLayoutEncode:layout];
            [_blockByrefLayoutInfos addObject:info];

            uintptr_t *begin = (uintptr_t *)sr_block_byref_captured(aByref) + 1;
            for (SRLayoutItem *item in info.layoutItems) {
                switch (item.type) {
                    case SR_BLOCK_LAYOUT_NON_OBJECT_BYTES: {
                        begin = (uintptr_t *)((uintptr_t)begin + item.count);
                    } break;
                    case SR_BLOCK_LAYOUT_STRONG: {
                        NSHashTable *objects = [item objectsForBeginAddress:begin];
                        SRAddObjectsFromHashTable(references, objects);
                        begin += item.count;
                    } break;
                    default: {
                        begin += item.count;
                    } break;
                }
            }
        } break;
        default: break;
    }

    return references;
}

完整代码我放到了 BlockStrongReferenceObject,代码并没有进行过很严格的测试,可能存在一些未处理的边界条件,需要尝试 / 讨论的同学可自取。

另一种强引用对象获取方式

上文通过将 block 的布局编码信息转化为对应字段的偏移量来获取强引用对象,这一节介绍另外一种比较取巧的方式,也是目前检测循环引用工具获取 block 强引用对象的常用方式,比如 facebook 的 FBRetainCycleDetector 。根据这块功能对应的源码,此方式大致原理如下 :

struct S {
    NSObject *o1;
    NSObject *o2;
};
struct S s = {
    .o2 = [NSObject new]
};
void **fake = (void **)&s;
// fake[1] 和 s.o2 是一样的

关于这种方案,我们需要明确下面几个点。

首先这种方案也需要在明确 block 内存布局的情况下才能够实施,因为 block ,或者说 block 结构体,实际执行内存对齐时,并没有按照寻址大小也就是 8 字节对齐,假设 block 捕获区域的对齐方式变成了这样 :

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;           // 24
  struct __main_block_desc_0* Desc;   // 8 指针占用内存大小和寻址长度相关,在 64 位机环境下,编译器分配空间大小为 8 字节
  int i;                              // 4    FakedByref 8
  NSObject *o1;                       // 8    FakedByref 8 [这里上个 FakedByref 后 4 个子节和当前 FakedByref 前 4 字节覆盖 o1 对象指针的 8 字节,导致 miss ]
  char c;                             // 1
  NSObject *o2;                       // 8
}

那么使用 fake 的方案就会失效,因为这种方案的前提是 block 内存对齐基准基于寻址长度,即指针大小。不过 block 对捕获的变量按照类型和尺寸进行了排序,__strong 修饰的对象指针都在前面,本来我们只需要这种类型的变量,并不关心其他类型,所以即使后面的对齐方式不满足 fake 条件也没关系,另外捕获结构体的对齐基准是基于寻址长度的,即使结构体有其他类型,也满足 fake 条件 :

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;           // 24
  struct __main_block_desc_0* Desc;   // 8 指针占用内存大小和寻址长度相关,在 64 位机环境下,编译器分配空间大小为 8 字节
  NSObject *o1;                       // 8    FakedByref 8
  NSObject *o2;                       // 8    FakedByref 8
  int i;                              // 4    FakedByref 8
  char c;                             // 1        
}

可以看到,通过以上代码块的排序,让 o1 和 o2 都被 FakedByref 结构覆盖到了,而 i, c 变量本身就不会在 dispose 函数中访问,所以怎么设置都不会影响到策略的生效。

第二点是为什么要用扩展的 byref 结构,而不是随便整个重写了 release 的类过来,这是因为当 block 捕获了 __block 修饰的指针变量时,会将这个指针变量包装成 byref 结构,而 dispose 函数会对这个 byref 结构执行 Blockobject_dispose 操作,这个函数有两个形参,一个是对象指针,一个是 flag ,当 flag 指明对象指针为 byref 类型,而实际传入的实参不是,就会出现问题,所以这里必须用扩展的 byref 结构。

第三点是这种方式无法处理 __block 修饰对象指针的情况。

不过这种方式贵在简洁,无需考虑内部每种变量类型具体的布局方式,就可以满足大部分需要获取 block 强引用对象的场景。

对象成员变量强引用

对象强引用成员变量的获取相对来说直接些,因为每个对象对应的类中都有其成员变量的布局信息,并且 runtime 有现成的接口,只需要分析出编码格式,然后按顺序和成员变量匹配即可。获取编码信息的接口有两个, class_getIvarLayout 函数返回描述 strong ivar 数量和索引信的编码信息,相对的 class_getWeakIvarLayout 函数返回描述 weak ivar 的编码信息,这里基于前者进行分析。

class_getIvarLayout 返回值是一个 uint8 指针,指向一个字符串,uint8 在 16 进制下占用 2 位,所以编码以 2 位为一组,组内首位描述非 strong ivar 个数,次位为 strong ivar 个数,最后一组如果 strong ivar 个数为 0,则忽略,且 layout 以 0x00 结尾。下面举几个例子 :

// 0x0100
@interface A : NSObject {
    __strong NSObject *s1;
}
@end

起始非 strong ivar 个数为 0,并且接着一个 strong ivar ,得出编码为 0x01 。

// 0x0100
@interface A : NSObject {
    __strong NSObject *s1;
    __weak NSObject *w1;
}
@end

起始非 strong ivar 个数为 0,并且接着一个 strong ivar ,得出编码为 0x01,接着有个 weak ivar,但是后面没有 strong ivar 了,所以忽略。

// 0x011100
@interface A : NSObject {
    __strong NSObject *s1;
    __weak NSObject *w1;
    __strong NSObject *s2;
}
@end

起始非 strong ivar 个数为 0,并且接着一个 strong ivar ,得出编码为 0x01,接着有个 weak ivar,并且后面紧接着一个 strong ivar ,得出编码 0x11 ,合并得到 0x0111 。

// 0x211100
@interface A : NSObject {
    int i1;
    void *p1;
    __strong NSObject *s1;
    __weak NSObject *w1;
    __strong NSObject *s2;
}
@end

起始非 strong ivar 个数为 2,并且紧接着一个 strong ivar,得出编码 0x21,接着有个 weak ivar,后面紧接着一个 strong ivar ,得出编码 0x11 ,合并得到 0x2111 。

了解了成员变量的编码格式,剩下的就是如何解码并依次和成员变量进行匹配了,FBRetainCycleDetector 已经实现了这部分功能 ,主要原理如下 :

小结

以上是我认为检测循环引用两个比较关键的点,特别是获取 block 捕获的强引用对象环节,block ABI 中并没有详细说明捕获区域布局信息,需要自己结合 block 源码以及 clang 生成 block 的 CodeGen 逻辑去推测实际的布局信息,所以得出的结论不一定正确,也欢迎感兴趣的同学和我交流。

参考

[1] Circle - a cycle collector for Objective-C ARC https://github.com/mikeash/Circle/blob/master/Circle/CircleIVarLayout.m [2]FBRetainCycleDetector https://github.com/facebook/FBRetainCycleDetector [3]Automatic memory leak detection on iOS https://code.fb.com/ios/automatic-memory-leak-detection-on-ios/ [4]Objective-C Class Ivar Layout 探索 https://blog.sunnyxx.com/2015/09/13/class-ivar-layout/

Copyright© 2013-2020

All Rights Reserved 京ICP备2023019179号-8