iOS 中 copy 的原理

程序员文章站 2022-07-15 09:34:29

...

Python实战社群

Java实战社群

长按识别下方二维码，按需求添加

iOS 中 copy 的原理

扫码关注添加客服

进Python社群▲

iOS 中 copy 的原理

扫码关注添加客服

进Java社群▲

作者丨伯阳

来源丨知识小集（zsxjtip）

iOS 中 copy 的原理

前几天在群里和朋友讨论起 copy 的各种细节，发现有些地方依然模糊不清，便查阅文档，翻看源码，以解心中之惑。

本文测试代码请点击 https://github.com/BiBoyang/BoyangBlog/tree/master/CopyTest

属性中的 copy

我们知道，属性中的 copy，其实是不保留新值的，而是将其拷贝一份，当使用不可变对象的时候，可以用它来保护封装性，确保它不会随意的变动。那么它是如何实现的呢？

在 objc-accessor.mm 中，有 property 中 copy 的实现。

这里有两个函数 objc_copyStruct 和 objc_copyCppObjectAtomic,分别对应结构体的拷贝和对象的拷贝。具体代码如下：

/**
 * 结构体拷贝
 * src：源指针
 * dest：目标指针
 * size：大小
 * atomic：是否是原子操作
 * hasStrong：可能是表示是否是strong修饰
 */
void objc_copyStruct(void *dest, const void *src, ptrdiff_t size, BOOL atomic, BOOL hasStrong __unused) {
    spinlock_t *srcLock = nil;
    spinlock_t *dstLock = nil;
    // >> 如果是原子操作，则加锁
    if (atomic) {
        srcLock = &StructLocks[src];
        dstLock = &StructLocks[dest];
        spinlock_t::lockTwo(srcLock, dstLock);
    }
    // >> 实际的拷贝操作
    memmove(dest, src, size);

    // >> 解锁
    if (atomic) {
        spinlock_t::unlockTwo(srcLock, dstLock);
    }
}

/**
 * 对象拷贝
 * src：源指针
 * dest：目标指针
 * copyHelper：对对象进行实际拷贝的函数指针，参数是src和dest
*/

void objc_copyCppObjectAtomic(void *dest, const void *src, void (*copyHelper) (void *dest, const void *source)) {
    // >> 获取源指针的对象锁
    spinlock_t *srcLock = &CppObjectLocks[src];
    // >> 获取目标指针的对象锁
    spinlock_t *dstLock = &CppObjectLocks[dest];
    // >> 对源对象和目标对象进行上锁
    spinlock_t::lockTwo(srcLock, dstLock);

    // let C++ code perform the actual copy.
    // >> 调用函数指针对应的函数，让C++进行实际的拷贝操作
    copyHelper(dest, src);
    // >> 解锁
    spinlock_t::unlockTwo(srcLock, dstLock);
}

从上述代码中，我们可以得出结论：

对结构体进行 copy，直接对结构体指针所指向的内存进行拷贝即可；
对对象进行 copy，则会传入的源指针和目标对象同时进行加锁，然后在去进行拷贝操作，所以我们可以知道，copy 操作是线程安全的。

不过这里的 copyHelper(dest, src);找不到实现方法，则有些遗憾。

深浅拷贝

浅拷贝：只创建一个新的指针，指向原指针指向的内存；
深拷贝：创建一个新的指针，并开辟新的内存空间，内容拷贝自原指针指向的内存，并指向它。

iOS 中 copy 的原理

我们分别使用 copy 和 strong，对 NSString 和 NSMutableString进行两两分配；以及对 NSArray 和 NSMutableArray 进行两两分配，可以得到一个结果。

测试的源码在这里 https://github.com/BiBoyang/BoyangBlog/blob/master/CopyTest/CopyTest/ViewController.m ，可以查看测试的代码。

通过一系列测试，我得到了一个这样的结论。

非容器对象：

可不可变对象	copy类型	深浅拷贝	返回对象是否可变
不可变对象	copy	浅拷贝	不可变
可变对象	copy	深拷贝	不可变
不可变对象	mutableCopy	深拷贝	可变
可变对象	mutableCopy	深拷贝	可变

这里的源字符串如果是 Tagged Pointer 类型，即 NSTaggedPointerString，会有些有趣的情况，不过并不影响结果。可以在文章末尾查看。
注意：接收 copy 结果的对象，也需要是可变的并且属性关键字是 strong，才可以进行修改，也就是可变，两个条件一个不符合则无法改变。

容器对象：

可不可变对象	copy类型	深浅拷贝	返回对象是否可变	内部元素信息	Info
不可变对象	copy	浅拷贝	不可变	内部元素是浅拷贝	集合地址不变
可变对象	copy	浅拷贝	不可变	内部元素是浅拷贝	集合地址改变看起来是深拷贝，实际不是
不可变对象	mutableCopy	浅拷贝	可变	内部元素是浅拷贝	集合地址改变看起来是深拷贝，实际不是
可变对象	mutableCopy	浅拷贝	可变	内部元素是浅拷贝	集合地址改变看起来是深拷贝，实际不是

除了不可变对象使用 copy，其他的 copy 和 mutableCopy，都是开辟了一个新的集合空间，但是内部的元素的指针还是指向源地址；
有的人将集合地址改变的拷贝称之为深拷贝，但是这个其实是非常错误的理解，深拷贝就是全层次的拷贝。

从源码中探究答案

上面的测试更多的是我们自己去一个一个的测试，更底层的实现原理，还是要看源码。

对于字符串，我们虽然因为 Foundation.framework 并未开源找不到源码，但是我们依旧可以去查阅开源的 CoreFoundation.framework 源码。因为 CoreFoundation 和 Foundation 的对象是 Toll-free bridge 的，所以，可以从 CoreFoundation 的源代码进行了解。

我们进入到这里查阅相关代码 CFString.h，里面给出了 CFStringCreateCopy 和 CFStringCreateMutableCopy 这两个方法，分别对应 copy 和 mutableCopy；以及 CFArray.c，里面给出了 CFArrayCreateCopy 和 CFArrayCreateMutableCopy 两个方法，分别对应 copy 和 mutableCopy。

CFStringCreateCopy

/**
 * >> 字符串的 copy 操作
 */
CFStringRef CFStringCreateCopy(CFAllocatorRef alloc, CFStringRef str) {
//  CF_OBJC_FUNCDISPATCHV(__kCFStringTypeID, CFStringRef, (NSString *)str, copy);

    /*
     * 如果该字符串不是可变的，并且与我们使用的分配器具有相同的分配器，
     并且这些字符是内联的，或者由该字符串拥有，或者该字符串是常量。
     然后保留而不是制作真实副本。
     */
    __CFAssertIsString(str);
    // >> 判断源字符串是否是 mutable
    if (!__CFStrIsMutable((CFStringRef)str) &&                              // If the string is not mutable
        ((alloc ? alloc : __CFGetDefaultAllocator()) == __CFGetAllocator(str)) &&       //  and it has the same allocator as the one we're using
        (__CFStrIsInline((CFStringRef)str) || __CFStrFreeContentsWhenDone((CFStringRef)str) || __CFStrIsConstant((CFStringRef)str))) {  //  and the characters are inline, or are owned by the string, or the string is constant
        // >> 使用引用计数加一来代替真正的copy,也就是这里是浅拷贝。
        if (!(kCFUseCollectableAllocator && (0))) CFRetain(str);            // Then just retain instead of making a true copy
    return str;
    }
    
    
    if (__CFStrIsEightBit((CFStringRef)str)) {
        const uint8_t *contents = (const uint8_t *)__CFStrContents((CFStringRef)str);
        return __CFStringCreateImmutableFunnel3(alloc, contents + __CFStrSkipAnyLengthByte((CFStringRef)str), __CFStrLength2((CFStringRef)str, contents), __CFStringGetEightBitStringEncoding(), false, false, false, false, false, ALLOCATORSFREEFUNC, 0);
    } else {
        const UniChar *contents = (const UniChar *)__CFStrContents((CFStringRef)str);
        return __CFStringCreateImmutableFunnel3(alloc, contents, __CFStrLength2((CFStringRef)str, contents) * sizeof(UniChar), kCFStringEncodingUnicode, false, true, false, false, false, ALLOCATORSFREEFUNC, 0);
    }
}

从上面代码我们可以得到几条信息：

CFStringCreateCopy 函数，返回的字符串是否返回新的对象，要看源字符串是 immutable 还是 mutable 的；
如果源字符串是 mutable 的，会开辟一片新的内存，生成一个新的 immutable 对象返回，创建使用 __CFStringCreateImmutableFunnel3 方法，这个是深拷贝；
如果源字符串是 immutable 的，且是内联的、string 所持有或者是常量，那么只对源 CFStringRef 对象引用计数加一，这个是浅拷贝。

CFStringCreateMutableCopy

/*
 * >>>> 字符串的 copy 操作
 */
CFMutableStringRef  CFStringCreateMutableCopy(CFAllocatorRef alloc, CFIndex maxLength, CFStringRef string) {
    CFMutableStringRef newString;

    //  CF_OBJC_FUNCDISPATCHV(__kCFStringTypeID, CFMutableStringRef, (NSString *)string, mutableCopy);

    __CFAssertIsString(string);

    newString = CFStringCreateMutable(alloc, maxLength);
    // 将源对象的内容，放到新创建的newString中
    __CFStringReplace(newString, CFRangeMake(0, 0), string);

    return newString;
}

在这里，可以知道，在 CFStringCreateMutableCopy 函数里，不再需要判断源对象是否是 mutable，直接创建一个新的对象，然后将源内容拷贝一份放到新的对象里，这里也就是深拷贝。

CFArrayCreateCopy

CFArrayRef CFArrayCreateCopy(CFAllocatorRef allocator, CFArrayRef array) {
    return __CFArrayCreateCopy0(allocator, array);
}

CF_PRIVATE CFArrayRef __CFArrayCreateCopy0(CFAllocatorRef allocator, CFArrayRef array) {
    
    CFArrayRef result;
    // >>>> CFArrayCallBacks变量，用于存放数组元素的回调
    const CFArrayCallBacks *cb;
    
    // >>>> 存放数组元素的结构体指针
    struct __CFArrayBucket *buckets;
    CFAllocatorRef bucketsAllocator;
    void* bucketsBase;
    
    // >>>> 获取源数组元素的总个数
    CFIndex numValues = CFArrayGetCount(array);
    CFIndex idx;
    if (CF_IS_OBJC(CFArrayGetTypeID(), array)) {
    cb = &kCFTypeArrayCallBacks;
    } else {
    cb = __CFArrayGetCallBacks(array);
        }
    
    // >>>> 初始化以一个不可变数组
    result = __CFArrayInit(allocator, __kCFArrayImmutable, numValues, cb);
    cb = __CFArrayGetCallBacks(result); // GC: use the new array's callbacks so we don't leak.
    buckets = __CFArrayGetBucketsPtr(result);
    bucketsAllocator = isStrongMemory(result) ? allocator : kCFAllocatorNull;
    bucketsBase = CF_IS_COLLECTABLE_ALLOCATOR(bucketsAllocator) ? (void *)auto_zone_base_pointer(objc_collectableZone(), buckets) : NULL;
    for (idx = 0; idx < numValues; idx++) {
    const void *value = CFArrayGetValueAtIndex(array, idx);
    if (NULL != cb->retain) {
        value = (void *)INVOKE_CALLBACK2(cb->retain, allocator, value);
    }
    __CFAssignWithWriteBarrier((void **)&buckets->_item, (void *)value);
    buckets++;
    }
    
    // >>>> //设定数组的长度count
    __CFArraySetCount(result, numValues);
    return result;
}

CFArrayCreateMutableCopy

CFMutableArrayRef CFArrayCreateMutableCopy(CFAllocatorRef allocator, CFIndex capacity, CFArrayRef array) {
    return __CFArrayCreateMutableCopy0(allocator, capacity, array);
}

CF_PRIVATE CFMutableArrayRef __CFArrayCreateMutableCopy0(CFAllocatorRef allocator, CFIndex capacity, CFArrayRef array) {
    CFMutableArrayRef result;
    const CFArrayCallBacks *cb;
    CFIndex idx, numValues = CFArrayGetCount(array);
    UInt32 flags;
    if (CF_IS_OBJC(CFArrayGetTypeID(), array)) {
    cb = &kCFTypeArrayCallBacks;
    }
    else {
    cb = __CFArrayGetCallBacks(array);
    }
    // 将标记设置为双端队列
    flags = __kCFArrayDeque;
    // 创建新的不可变数组
    result = (CFMutableArrayRef)__CFArrayInit(allocator, flags, capacity, cb);
    // 设置数组的容量
    if (0 == capacity) _CFArraySetCapacity(result, numValues);
    
    for (idx = 0; idx < numValues; idx++) {
        const void *value = CFArrayGetValueAtIndex(array, idx);
        // 将元素对象添加到新的数组列表中
        CFArrayAppendValue(result, value);
    }
    return result;
}

从上面两份代码，我们可以可以：
1. immutable 和 mutable 数组的拷贝，都是会调用 __CFArrayInit 函数去创建一个新的对象；
2. 内部元素实际上还都是指向源数组；
3. 不可变数组的 copy 没有体现在代码中，个人猜测可能是实现过于简单，所以也就没有在这里实现。

其他的容器，类似 CFDictionary、CFSet 等，也是类似的结果。

真正的深拷贝

可以发现，其实如果严格按照深拷贝的定义，集合的 copy 和 mutableCopy 其实都是浅拷贝。那么该如何实现真正的深拷贝呢？有两个办法：

一. 使用对象的序列化拷贝：

//数组内对象是指针复制
NSArray *deepCopyArray = [[NSArray alloc] initWithArray:array];
//真正意义上的深复制，数组内对象是对象复制
NSArray *trueDeepCopyArray = [NSKeyedUnarchiver unarchiveObjectWithData:[NSKeyedArchiver archivedDataWithRootObject:array]];

二. 自己实现 copy 协议

也就是 NSCopying,NSMutableCopying。

特殊情况

在测试的时候，发现如果这个字符串是 isTaggedPointerString ，则有个特殊情况，不过貌似也没什么用处。

可不可变对象	copy类型	深浅拷贝	接收对象关键字	返回对象是否可变
不可变对象	copy	浅拷贝		不可变
可变对象	copy	深拷贝		不可变
不可变对象	mutableCopy	深拷贝	strong	可变
不可变对象	mutableCopy	浅拷贝	copy	不可变
可变对象	mutableCopy	深拷贝	strong	可变
可变对象	mutableCopy	深拷贝	copy	不可变

参考

[1]https://opensource.apple.com/source/CF/CF-1151.16/
[2]https://opensource.apple.com/tarballs/CF/
[3]https://developer.apple.com/library/archive/documentation/Cocoa/Conceptual/Collections/Articles/Copying.html#//apple_ref/doc/uid/TP40010162-SW3
[4]https://en.wikipedia.org/wiki/Object_copying#Deep_copy
[5]https://*.com/questions/184710/what-is-the-difference-between-a-deep-copy-and-a-shallow-copy

iOS 中 copy 的原理

程序员专栏 扫码关注填加客服 长按识别下方二维码进群

有个程序员老公有多爽？？？

碉堡了！一款专门为程序员的编程字体！

iOS 中 copy 的原理 助你进大厂，这些知识你是必须知道的。

iOS 中 copy 的原理

在看点这里好文分享给更多人↓↓

相关标签：指针字符串编程语言 ios 列表

上一篇：禁止生成pyc

下一篇：第六弹：爬取的bytes数据转字符串，老是报错，怎么办？

iOS 中 copy 的原理

属性中的 copy

深浅拷贝

从源码中探究答案

CFStringCreateCopy

CFStringCreateMutableCopy

CFArrayCreateCopy

CFArrayCreateMutableCopy

真正的深拷贝

特殊情况

参考

举例讲解设计模式中的原型模式在iOS应用开发中的作用

实例讲解iOS应用开发中UIPickerView滚动选择栏的用法

iOS App设计模式开发中对interpreter解释器模式的运用

iOS App中实现播放音效和音乐功能的简单示例

详解iOS App设计模式开发中对于享元模式的运用

iOS App设计模式开发中对建造者模式的运用实例

iOS中NSPredicate谓词的使用

iOS 12+ 中检测网络访问的方法

iOS中的实时远程配置全纪录

IOS中的webView加载HTML