面试题：深入探究Objective-C关联对象的实现原理及优化

Question

详细阐述Objective-C关联对象（Associated Object）的底层实现原理，包括但不限于runtime如何存储和管理关联对象。基于其实现原理，思考在大型项目中，如何对关联对象的使用进行优化，以提高程序的性能和稳定性？

Answer 1

Objective - C关联对象底层实现原理

1. 存储结构
   • 在Objective - C中，关联对象是通过objc_object结构体中的一个isa指针指向类的元数据，类的元数据中包含了关联对象的信息。关联对象实际上是存储在一个全局的哈希表（AssociationsManager管理的AssociationsHashMap）中。
   • 这个哈希表的键是对象的内存地址（也就是对象的isa指针指向的地址），值是另一个哈希表（ObjectAssociationMap），在ObjectAssociationMap中，键是关联对象的key（通常是一个NSString或void*类型），值是关联对象的Association结构体，Association结构体中包含了关联对象以及关联策略等信息。
2. 关联策略
   • 关联对象有几种关联策略，如OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN（弱引用）、OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC（非原子性强引用）、OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC（非原子性拷贝）、OBJC_ASSOCIATION_RETAIN（原子性强引用）、OBJC_ASSOCIATION_COPY（原子性拷贝）。这些策略决定了关联对象的生命周期管理。例如，OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN类似属性的assign，不会增加对象的引用计数，适用于避免循环引用的场景；而OBJC_ASSOCIATION_RETAIN会增加对象的引用计数，确保关联对象在主对象存在期间不会被释放。
3. runtime操作
   • 当使用objc_setAssociatedObject函数设置关联对象时，runtime首先会获取当前对象的关联对象哈希表（如果不存在则创建）。然后根据传入的key和value以及关联策略，在哈希表中插入或更新相应的关联对象。
   • 当使用objc_getAssociatedObject函数获取关联对象时，runtime会根据对象的内存地址找到对应的关联对象哈希表，再根据传入的key从哈希表中查找并返回关联对象。
   • 当对象被释放时，runtime会遍历其关联对象哈希表，根据关联策略释放相应的关联对象。例如，如果是强引用策略，会释放关联对象；如果是弱引用策略，不会对关联对象做任何操作。

大型项目中关联对象使用的优化

1. 减少不必要的关联对象
   • 在大型项目中，仔细评估是否真的需要使用关联对象。如果可以通过其他方式（如继承、组合等）来实现相同的功能，优先选择这些方式。因为关联对象的存储和管理会增加内存开销和runtime操作的成本。例如，对于一些简单的属性添加需求，可以通过子类化来添加属性，而不是使用关联对象。
2. 合理选择关联策略
   • 根据业务场景选择合适的关联策略。如果存在循环引用的风险，优先选择OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN策略。例如，在视图控制器和其关联的视图之间，如果视图控制器持有视图的强引用，视图又通过关联对象持有视图控制器，就可能产生循环引用，此时视图对视图控制器的关联可以使用OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN。如果需要确保关联对象在主对象存在期间一直存在，选择OBJC_ASSOCIATION_RETAIN或OBJC_ASSOCIATION_COPY策略，但要注意避免过度引用导致内存泄漏。
3. 集中管理关联对象
   • 可以创建一个工具类或模块来集中管理关联对象的设置和获取。这样可以减少代码中分散的关联对象操作，提高代码的可维护性。同时，在这个集中管理模块中，可以添加一些日志记录或性能监控代码，便于排查问题和优化性能。例如，记录每次设置和获取关联对象的时间，找出性能瓶颈。
4. 延迟设置关联对象
   • 如果关联对象的创建和设置成本较高，可以考虑延迟设置。只有在真正需要使用关联对象时才进行设置，而不是在对象初始化时就设置好。这样可以避免在程序启动或对象初始化时不必要的性能开销。例如，对于一些只有在特定用户操作后才会用到的关联对象，可以在用户触发相应操作时再进行设置。