深入理解Toll-Free Bridging

前言

Toll-Free Bridging 本身不是什么新技术,那为什么还要写这篇博客呢?

原因是今天和一个同事讨论到相关问题的时候,发现理解并不够深入,于是仔细研究了下,整理成了这篇博客。

本文的Github地址: LeoMobileDeveloper 1

Toll-Free Bridging是什么?

摘自文档:

There are a number of data types in the Core Foundation framework and the Foundation framework that can be used interchangeably。在Core Foundation中Foundation中,有一些类型是可以交换使用的。

比如,NSString和CFStringRef就可以交替使用:

NSString as CFStringRef

NSString * str = @"hello world";
NSLog(@"%ld",CFStringGetLength((__bridge CFStringRef)(str)));

CFStringRef as NSString

CFStringRef cf_str = CFStringCreateWithCString(kCFAllocatorDefault, "hello world", kCFStringEncodingUTF8);
NSLog(@"%zd",[(__bridge NSString *)cf_str length]);
CFRelease(cf_str);

生命周期

Foundation对象是可以通过ARC进行管理的,而Core Foundation则需要调用CFRetain,CFRelease等方法手动管理生命周期。那么bridge的时候生命周期是如何移交的呢?

我们需要告诉编译器如何管理生命周期。通过以下三个关键字来控制:

__bridge

进行OC指针和CF指针之间的转换,不涉及对象所有权转换。

那么,什么叫做对象的所有权转换呢?再理解之前记住两点:

• Foundation对象是由ARC管理的(这里不考虑MRC的情况),你不需要手动retain和release。

• Core Foundation的指针是需要手动管理生命周期。

举例:OC -> CF,所有权在Foundation,不需要手动管理

NSString * str = [NSString stringWithFormat:@"%ld",random()];
CFStringRef cf_str = (__bridge CFStringRef)str;
NSLog(@"%ld",(long)CFStringGetLength(cf_str));

举例:CF -> OC,所有权在CF,需要手动管理内存

CFStringRef cf_str = CFStringCreateWithFormat (NULL, NULL, CFSTR("%d"), rand());
NSString * str = (__bridge NSString *)cf_str;
NSLog(@"%ld",(long)str.length);

//这一行很有必要,不然会内存泄漏
CFRelease(cf_str);

__bridge_retained

将一个OC指针转换为一个CF指针,同时移交所有权,意味着你需要手动调用CFRelease来释放这个指针。这个关键字等价于CFBridgingRetain函数。

举例

NSString * str = [NSString stringWithFormat:@"%ld",random()];
CFStringRef cf_str = (__bridge_retained CFStringRef)str;
NSLog(@"%ld",(long)CFStringGetLength(cf_str));
CFRelease(cf_str);

__bridge_transfer

将一个CF指针转换为OC指针,同时移交所有权,ARC负责管理这个OC指针的生命周期。这个关键字等价于CFBridgingRelease

举例

CFStringRef cf_str = CFStringCreateWithFormat(NULL, NULL, CFSTR("%d"), rand());
NSString * str = (__bridge_transfer  NSString *)cf_str;
NSLog(@"%ld",(long)str.length);

小结

总结一句话,所有权在Foundation,则不需要手动管理内存;所有权在CF,需要调用CFRetain/CFRelease来管理内存。

原理

Foundation和CF是如何实现这种toll-free bridge的呢?

首先,我们查看CFString.h的头文件,找到CFStringRef的定义:

typedef const struct CF_BRIDGED_TYPE(NSString) __CFString * CFStringRef;

可以看到,CFStringRef就是一个常量的结构体__CFString的指针,那么这个宏定义CF_BRIDGED_TYPE又是什么呢?

在CFBase.h头文件中,我们找到了这个宏定义的答案:

#if __has_attribute(objc_bridge)
    && __has_feature(objc_bridge_id)
    && __has_feature(objc_bridge_id_on_typedefs)

#define CF_BRIDGED_TYPE(T)  __attribute__((objc_bridge(T)))
#else
#define CF_BRIDGED_TYPE(T)
#endif

__has_attribute是Clang Attribute的表达式:表示编译器满足某种条件。

比如这里就是判断满足可以进行TFB(toll-free bridging)的编译条件,如果满足的话,那么用__attribute__((objc_bridge(NSString )))去声明这个结构体,表示CFStringRef和NSString满足toll-free bridging。

NSString * str = [NSString stringWithFormat:@"%ld",random()];
//正常编译
CFStringRef cf_str = (__bridge_retained CFStringRef)str;
//编译器warning
CFStringRef cf_arry = (__bridge_retained CFArrayRef)str;

class cluster

NSString等支持TFB的都是采用class cluster的设计模式来实现的,

Class clusters group a number of private concrete subclasses under a public abstract superclass. The grouping of classes in this way simplifies the publicly visible architecture of an object-oriented framework without reducing its functional richness. Class clusters are based on the Abstract Factory design pattern.

简单来说,Class cluster采用一个公开的抽象的基类提供对外接口,封装了具体的子类实现。

举个例子:

NSString * str1 = @"1234";
NSString * str2 = [NSString stringWithFormat:@"%ld",random()];
NSLog(@"%@", object_getClass(str1));
NSLog(@"%@", object_getClass(str2));

输出

__NSCFConstantString
__NSCFString

可以看到,NSString只是一个抽象的基类,实际内存中存在的对象是子类的对象。

CoreFundation -> Foundation

CF的对象能够bridge到Foundation指针的原因:Foundation的相关类采用class cluster的设计模式,比如NSString实际是子类__NSCFString实现,而__NSCFString则是用CFString来实现的。

测试代码,

CFStringRef cf_str = CFStringCreateWithFormat (NULL, NULL, CFSTR("%d"), rand());

lldb中打印其isa

(lldb) po object_getClass((id)cf_str)
NSTaggedPointerString

到这里就不难看出为什么这个CFStringRef可以当作NSString来使用了,因为它的内存模型中有isa,通过isa就可以走Objective C对象运行时那一套东西。

Foundation -> CoreFundation

Foundation的对象能够bridge CF到指针的原因:NSString的运行时实际创建的是__NSCFString等子类,子类的length等方法实现实际是把self作为参数传递给CF方法。

验证:子类实际调用的是CF方法,并且传入self为指针

测试代码

运行测试代码,打印出字符串的地址和值:

0x1c00369e0 1804289383

由于Core Foundation是开源的,翻翻CFString.m的源码,找到[NSString length]对应调用的CF函数:

/* This one is for NSCFString; it does not ObjC dispatch or assertion check
*/
CFIndex _CFStringGetLength2(CFStringRef str) {
    return __CFStrLength(str);
}

然后,设置两个符号断点

(lldb) breakpoint set -n "-[__NSCFString length]"
Breakpoint 4: where = CoreFoundation`-[__NSCFString length], address = 0x0000000184d6146c
(lldb) breakpoint set -n "_CFStringGetLength2"
Breakpoint 5: where = CoreFoundation`_CFStringGetLength2, address = 0x0000000184d59898

继续运行代码,在第二个断点处检查寄存器状态,发现地址和值都和NSString的一样

//要用真机调试
(lldb) p/x $x0
(unsigned long) $3 = 0x00000001c00369e0
(lldb) po $x0
1804289383

我们确认了NSString length最后的实现会是调用_CFStringGetLength2,然后把self作为参数传递进来。

小知识:x0表示第一个通用寄存器,用来传递函数的第一个参数的,更多的汇编细节,参考我的这篇文章《iOS汇编精讲》

CFStringGetLength

CFStringGetLength和_CFStringGetLength2的方法实现几乎一样,只是多了两个宏定义

/* This one is for CF
*/
CFIndex CFStringGetLength(CFStringRef str) {
    CF_OBJC_FUNCDISPATCHV(__kCFStringTypeID, CFIndex, (NSString *)str, length);

    __CFAssertIsString(str);
    return __CFStrLength(str);
}

/* This one is for NSCFString; it does not ObjC dispatch or assertion check
*/
CFIndex _CFStringGetLength2(CFStringRef str) {
    return __CFStrLength(str);
}

宏定义CF_OBJC_FUNCDISPATCHV会对str的类型进行检查,

• 如果不是__kCFStringTypeID(字符串类型),那么就直接向str发送消息length,走Runtime那一套逻辑。

• 如果是__kCFStringTypeID,那么直接调用__CFStrLength

比如定义一个类,实现了length方法:

@interface MYClass:NSObject

- (NSInteger)length;

@end

@implementation MYClass

- (NSInteger)length{
    return 10;
}

@end

然后,这些代码并不会crash

NSString * str = (NSString *)[[MYClass alloc] init];
NSLog(@"%ld",(long)CFStringGetLength((__bridge CFStringRef)str));

如果把MyClass替换成NSObject,会报错

Terminating app due to uncaught exception ‘NSInvalidArgumentException’, reason: ‘-[NSObject length]: unrecognized selector sent to instance 0x1c40084d0’

参考

[1]https://github.com/LeoMobileDeveloper/Blogs

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