如何实现 iOS 中的 Associated Object

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这一篇文章是对 FBRetainCycleDetector 中实现的关联对象机制的分析;因为追踪的需要, FBRetainCycleDetector 重新实现了关联对象,本文主要就是对其实现关联对象的方法进行分析。

文章中涉及的类主要就是 FBAssociationManager

FBAssociationManager is a tracker of object associations. For given object it can return all objects that are being retained by this object with objc_setAssociatedObject & retain policy.

FBRetainCycleDetector 在对关联对象进行追踪时,修改了底层处理关联对象的两个 C 函数,objc_setAssociatedObjectobjc_removeAssociatedObjects,在这里不会分析它是如何修改底层 C 语言函数实现的,如果想要了解相关的内容,可以阅读下面的文章。

关于如何动态修改 C 语言函数实现可以看动态修改 C 语言函数的实现这篇文章,使用的第三方框架是 fishhook

FBAssociationManager

FBAssociationManager 的类方法 + hook 调用时,fishhook 会修改 objc_setAssociatedObjectobjc_removeAssociatedObjects 方法:

+ (void)hook {
#if _INTERNAL_RCD_ENABLED
    std::lock_guard<std::mutex> l(*FB::AssociationManager::hookMutex);
    rcd_rebind_symbols((struct rcd_rebinding[2]){
        {
            "objc_setAssociatedObject",
            (void *)FB::AssociationManager::fb_objc_setAssociatedObject,
            (void **)&FB::AssociationManager::fb_orig_objc_setAssociatedObject
        },
        {
            "objc_removeAssociatedObjects",
            (void *)FB::AssociationManager::fb_objc_removeAssociatedObjects,
            (void **)&FB::AssociationManager::fb_orig_objc_removeAssociatedObjects
        }}, 2);
    FB::AssociationManager::hookTaken = true;
#endif //_INTERNAL_RCD_ENABLED
}

将它们的实现替换为 FB::AssociationManager:: fb_objc_setAssociatedObject 以及 FB::AssociationManager::fb_objc_removeAssociatedObjects 这两个 Cpp 静态方法。

上面的两个方法实现都位于 FB::AssociationManager 的命名空间中:

namespace FB { namespace AssociationManager {  
    using ObjectAssociationSet = std::unordered_set<void *>;
    using AssociationMap = std::unordered_map<id, ObjectAssociationSet *>;

    static auto _associationMap = new AssociationMap();
    static auto _associationMutex = new std::mutex;

    static std::mutex *hookMutex(new std::mutex);
    static bool hookTaken = false;

    ...
}

命名空间中有两个用于存储关联对象的数据结构:

  • AssociationMap 用于存储从对象到 ObjectAssociationSet * 指针的映射
  • ObjectAssociationSet 用于存储某对象所有关联对象的集合

其中还有几个比较重要的成员变量:

  • _associationMap 就是 AssociationMap 的实例,是一个用于存储所有关联对象的数据结构
  • _associationMutex 用于在修改关联对象时加锁,防止出现线程竞争等问题,导致不可预知的情况发生
  • hookMutex 以及 hookTaken 都是在类方法 + hook 调用时使用的,用于保证 hook 只会执行一次并保证线程安全

用于追踪关联对象的静态方法 fb_objc_setAssociatedObject 只会追踪强引用:

static void fb_objc_setAssociatedObject(id object, void *key, id value, objc_AssociationPolicy policy) {  
    {
        std::lock_guard<std::mutex> l(*_associationMutex);
        if (policy == OBJC_ASSOCIATION_RETAIN ||
            policy == OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC) {
            _threadUnsafeSetStrongAssociation(object, key, value);
        } else {
            // We can change the policy, we need to clear out the key
            _threadUnsafeResetAssociationAtKey(object, key);
        }
    }

    fb_orig_objc_setAssociatedObject(object, key, value, policy);
}

std::lock_guard<std::mutex> l(*_associationMutex)fb_objc_setAssociatedObject 过程加锁,防止死锁问题,不过 _associationMutex 会在作用域之外被释放。

通过输入的 policy 我们可以判断哪些是强引用对象,然后调用 _threadUnsafeSetStrongAssociation 追踪它们,如果不是强引用对象,通过 _threadUnsafeResetAssociationAtKeykey 对应的 value 删除,保证追踪的正确性:

void _threadUnsafeSetStrongAssociation(id object, void *key, id value) {  
    if (value) {
        auto i = _associationMap->find(object);
        ObjectAssociationSet *refs;
        if (i != _associationMap->end()) {
            refs = i->second;
        } else {
            refs = new ObjectAssociationSet;
            (*_associationMap)[object] = refs;
        }
        refs->insert(key);
    } else {
        _threadUnsafeResetAssociationAtKey(object, key);
    }
}

_threadUnsafeSetStrongAssociation 会以 object 作为键,查找或者创建一个 ObjectAssociationSet * 集合,将新的 key 插入到集合中,当然,如果 value == nil 或者上面 fb_objc_setAssociatedObject 方法中传入的 policy 是非 retain 的就会调用 _threadUnsafeResetAssociationAtKey 重置 ObjectAssociationSet 中的关联对象:

void _threadUnsafeResetAssociationAtKey(id object, void *key) {  
    auto i = _associationMap->find(object);

    if (i == _associationMap->end()) {
        return;
    }

    auto *refs = i->second;
    auto j = refs->find(key);
    if (j != refs->end()) {
        refs->erase(j);
    }
}

同样在查找到对应的 ObjectAssociationSet 之后会擦除 key 对应的值,_threadUnsafeRemoveAssociations 的实现与这个方法也差不多,相较于 reset 方法移除某一个对象的所有关联对象,该方法仅仅移除了某一个 key 对应的值。

void _threadUnsafeRemoveAssociations(id object) {  
    if (_associationMap->size() == 0 ){
        return;
    }

    auto i = _associationMap->find(object);
    if (i == _associationMap->end()) {
        return;
    }

    auto *refs = i->second;
    delete refs;
    _associationMap->erase(i);
}

调用 _threadUnsafeRemoveAssociations 的方法 fb_objc_removeAssociatedObjects 的实现也很简单,利用了上面的方法,并在执行结束后,使用原 obj_removeAssociatedObjects 方法对应的函数指针 fb_orig_objc_removeAssociatedObjects 移除关联对象:

static void fb_objc_removeAssociatedObjects(id object) {  
    {
        std::lock_guard<std::mutex> l(*_associationMutex);
        _threadUnsafeRemoveAssociations(object);
    }

    fb_orig_objc_removeAssociatedObjects(object);
}

FBObjectiveCGraphElement 获取关联对象

因为在获取某一个对象持有的所有强引用时,不可避免地需要获取其强引用的关联对象;因此我们也就需要使用 FBAssociationManager 提供的 + associationsForObject: 接口获取所有强引用关联对象:

- (NSSet *)allRetainedObjects {
    NSArray *retainedObjectsNotWrapped = [FBAssociationManager associationsForObject:_object];
    NSMutableSet *retainedObjects = [NSMutableSet new];

    for (id obj in retainedObjectsNotWrapped) {
        FBObjectiveCGraphElement *element = FBWrapObjectGraphElementWithContext(self, obj, _configuration, @[@"__associated_object"]);
        if (element) {
            [retainedObjects addObject:element];
        }
    }

    return retainedObjects;
}

这个接口调用我们在上一节中介绍的 _associationMap,最后得到某一个对象的所有关联对象的强引用:

+ (NSArray *)associationsForObject:(id)object {
    return FB::AssociationManager::associations(object);
}

NSArray *associations(id object) {  
    std::lock_guard<std::mutex> l(*_associationMutex);
    if (_associationMap->size() == 0 ){
        return nil;
    }

    auto i = _associationMap->find(object);
    if (i == _associationMap->end()) {
        return nil;
    }

    auto *refs = i->second;

    NSMutableArray *array = [NSMutableArray array];
    for (auto &key: *refs) {
        id value = objc_getAssociatedObject(object, key);
        if (value) {
            [array addObject:value];
        }
    }

    return array;
}

这部分的代码没什么好解释的,遍历所有的 key,检测是否真的存在关联对象,然后加入可变数组,最后返回。

总结

FBRetainCycleDetector 为了追踪某一 NSObject 对关联对象的引用,重新实现了关联对象模块,不过其实现与 ObjC 运行时中对关联对象的实现其实所差无几,如果对运行时中的关联对象实现原理有兴趣的话,可以看关联对象 AssociatedObject 完全解析这篇文章,它介绍了底层运行时中的关联对象的实现。

这是 FBRetainCycleDetector 系列文章中的第三篇,第四篇也是最后一篇文章会介绍 FBRetainCycleDetector 是如何获取 block 持有的强引用的,这也是我觉得整个框架中实现最精彩的一部分。

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