[PowerPC] Collect some CallLowering arguments into a struct. [NFC]
[llvm-project.git] / clang / docs / AutomaticReferenceCounting.rst
blob9d61f58ed4d17b41e2b2bb822eebdae5034dad40
1 .. FIXME: move to the stylesheet or Sphinx plugin
3 .. raw:: html
5   <style>
6     .arc-term { font-style: italic; font-weight: bold; }
7     .revision { font-style: italic; }
8     .when-revised { font-weight: bold; font-style: normal; }
10     /*
11      * Automatic numbering is described in this article:
12      * https://dev.opera.com/articles/view/automatic-numbering-with-css-counters/
13      */
14     /*
15      * Automatic numbering for the TOC.
16      * This is wrong from the semantics point of view, since it is an ordered
17      * list, but uses "ul" tag.
18      */
19     div#contents.contents.local ul {
20       counter-reset: toc-section;
21       list-style-type: none;
22     }
23     div#contents.contents.local ul li {
24       counter-increment: toc-section;
25       background: none; // Remove bullets
26     }
27     div#contents.contents.local ul li a.reference:before {
28       content: counters(toc-section, ".") " ";
29     }
31     /* Automatic numbering for the body. */
32     body {
33       counter-reset: section subsection subsubsection;
34     }
35     .section h2 {
36       counter-reset: subsection subsubsection;
37       counter-increment: section;
38     }
39     .section h2 a.toc-backref:before {
40       content: counter(section) " ";
41     }
42     .section h3 {
43       counter-reset: subsubsection;
44       counter-increment: subsection;
45     }
46     .section h3 a.toc-backref:before {
47       content: counter(section) "." counter(subsection) " ";
48     }
49     .section h4 {
50       counter-increment: subsubsection;
51     }
52     .section h4 a.toc-backref:before {
53       content: counter(section) "." counter(subsection) "." counter(subsubsection) " ";
54     }
55   </style>
57 .. role:: arc-term
58 .. role:: revision
59 .. role:: when-revised
61 ==============================================
62 Objective-C Automatic Reference Counting (ARC)
63 ==============================================
65 .. contents::
66    :local:
68 .. _arc.meta:
70 About this document
71 ===================
73 .. _arc.meta.purpose:
75 Purpose
76 -------
78 The first and primary purpose of this document is to serve as a complete
79 technical specification of Automatic Reference Counting.  Given a core
80 Objective-C compiler and runtime, it should be possible to write a compiler and
81 runtime which implements these new semantics.
83 The secondary purpose is to act as a rationale for why ARC was designed in this
84 way.  This should remain tightly focused on the technical design and should not
85 stray into marketing speculation.
87 .. _arc.meta.background:
89 Background
90 ----------
92 This document assumes a basic familiarity with C.
94 :arc-term:`Blocks` are a C language extension for creating anonymous functions.
95 Users interact with and transfer block objects using :arc-term:`block
96 pointers`, which are represented like a normal pointer.  A block may capture
97 values from local variables; when this occurs, memory must be dynamically
98 allocated.  The initial allocation is done on the stack, but the runtime
99 provides a ``Block_copy`` function which, given a block pointer, either copies
100 the underlying block object to the heap, setting its reference count to 1 and
101 returning the new block pointer, or (if the block object is already on the
102 heap) increases its reference count by 1.  The paired function is
103 ``Block_release``, which decreases the reference count by 1 and destroys the
104 object if the count reaches zero and is on the heap.
106 Objective-C is a set of language extensions, significant enough to be
107 considered a different language.  It is a strict superset of C.  The extensions
108 can also be imposed on C++, producing a language called Objective-C++.  The
109 primary feature is a single-inheritance object system; we briefly describe the
110 modern dialect.
112 Objective-C defines a new type kind, collectively called the :arc-term:`object
113 pointer types`.  This kind has two notable builtin members, ``id`` and
114 ``Class``; ``id`` is the final supertype of all object pointers.  The validity
115 of conversions between object pointer types is not checked at runtime.  Users
116 may define :arc-term:`classes`; each class is a type, and the pointer to that
117 type is an object pointer type.  A class may have a superclass; its pointer
118 type is a subtype of its superclass's pointer type.  A class has a set of
119 :arc-term:`ivars`, fields which appear on all instances of that class.  For
120 every class *T* there's an associated metaclass; it has no fields, its
121 superclass is the metaclass of *T*'s superclass, and its metaclass is a global
122 class.  Every class has a global object whose class is the class's metaclass;
123 metaclasses have no associated type, so pointers to this object have type
124 ``Class``.
126 A class declaration (``@interface``) declares a set of :arc-term:`methods`.  A
127 method has a return type, a list of argument types, and a :arc-term:`selector`:
128 a name like ``foo:bar:baz:``, where the number of colons corresponds to the
129 number of formal arguments.  A method may be an instance method, in which case
130 it can be invoked on objects of the class, or a class method, in which case it
131 can be invoked on objects of the metaclass.  A method may be invoked by
132 providing an object (called the :arc-term:`receiver`) and a list of formal
133 arguments interspersed with the selector, like so:
135 .. code-block:: objc
137   [receiver foo: fooArg bar: barArg baz: bazArg]
139 This looks in the dynamic class of the receiver for a method with this name,
140 then in that class's superclass, etc., until it finds something it can execute.
141 The receiver "expression" may also be the name of a class, in which case the
142 actual receiver is the class object for that class, or (within method
143 definitions) it may be ``super``, in which case the lookup algorithm starts
144 with the static superclass instead of the dynamic class.  The actual methods
145 dynamically found in a class are not those declared in the ``@interface``, but
146 those defined in a separate ``@implementation`` declaration; however, when
147 compiling a call, typechecking is done based on the methods declared in the
148 ``@interface``.
150 Method declarations may also be grouped into :arc-term:`protocols`, which are not
151 inherently associated with any class, but which classes may claim to follow.
152 Object pointer types may be qualified with additional protocols that the object
153 is known to support.
155 :arc-term:`Class extensions` are collections of ivars and methods, designed to
156 allow a class's ``@interface`` to be split across multiple files; however,
157 there is still a primary implementation file which must see the
158 ``@interface``\ s of all class extensions.  :arc-term:`Categories` allow
159 methods (but not ivars) to be declared *post hoc* on an arbitrary class; the
160 methods in the category's ``@implementation`` will be dynamically added to that
161 class's method tables which the category is loaded at runtime, replacing those
162 methods in case of a collision.
164 In the standard environment, objects are allocated on the heap, and their
165 lifetime is manually managed using a reference count.  This is done using two
166 instance methods which all classes are expected to implement: ``retain``
167 increases the object's reference count by 1, whereas ``release`` decreases it
168 by 1 and calls the instance method ``dealloc`` if the count reaches 0.  To
169 simplify certain operations, there is also an :arc-term:`autorelease pool`, a
170 thread-local list of objects to call ``release`` on later; an object can be
171 added to this pool by calling ``autorelease`` on it.
173 Block pointers may be converted to type ``id``; block objects are laid out in a
174 way that makes them compatible with Objective-C objects.  There is a builtin
175 class that all block objects are considered to be objects of; this class
176 implements ``retain`` by adjusting the reference count, not by calling
177 ``Block_copy``.
179 .. _arc.meta.evolution:
181 Evolution
182 ---------
184 ARC is under continual evolution, and this document must be updated as the
185 language progresses.
187 If a change increases the expressiveness of the language, for example by
188 lifting a restriction or by adding new syntax, the change will be annotated
189 with a revision marker, like so:
191   ARC applies to Objective-C pointer types, block pointer types, and
192   :when-revised:`[beginning Apple 8.0, LLVM 3.8]` :revision:`BPTRs declared
193   within` ``extern "BCPL"`` blocks.
195 For now, it is sensible to version this document by the releases of its sole
196 implementation (and its host project), clang.  "LLVM X.Y" refers to an
197 open-source release of clang from the LLVM project.  "Apple X.Y" refers to an
198 Apple-provided release of the Apple LLVM Compiler.  Other organizations that
199 prepare their own, separately-versioned clang releases and wish to maintain
200 similar information in this document should send requests to cfe-dev.
202 If a change decreases the expressiveness of the language, for example by
203 imposing a new restriction, this should be taken as an oversight in the
204 original specification and something to be avoided in all versions.  Such
205 changes are generally to be avoided.
207 .. _arc.general:
209 General
210 =======
212 Automatic Reference Counting implements automatic memory management for
213 Objective-C objects and blocks, freeing the programmer from the need to
214 explicitly insert retains and releases.  It does not provide a cycle collector;
215 users must explicitly manage the lifetime of their objects, breaking cycles
216 manually or with weak or unsafe references.
218 ARC may be explicitly enabled with the compiler flag ``-fobjc-arc``.  It may
219 also be explicitly disabled with the compiler flag ``-fno-objc-arc``.  The last
220 of these two flags appearing on the compile line "wins".
222 If ARC is enabled, ``__has_feature(objc_arc)`` will expand to 1 in the
223 preprocessor.  For more information about ``__has_feature``, see the
224 :ref:`language extensions <langext-__has_feature-__has_extension>` document.
226 .. _arc.objects:
228 Retainable object pointers
229 ==========================
231 This section describes retainable object pointers, their basic operations, and
232 the restrictions imposed on their use under ARC.  Note in particular that it
233 covers the rules for pointer *values* (patterns of bits indicating the location
234 of a pointed-to object), not pointer *objects* (locations in memory which store
235 pointer values).  The rules for objects are covered in the next section.
237 A :arc-term:`retainable object pointer` (or "retainable pointer") is a value of
238 a :arc-term:`retainable object pointer type` ("retainable type").  There are
239 three kinds of retainable object pointer types:
241 * block pointers (formed by applying the caret (``^``) declarator sigil to a
242   function type)
243 * Objective-C object pointers (``id``, ``Class``, ``NSFoo*``, etc.)
244 * typedefs marked with ``__attribute__((NSObject))``
246 Other pointer types, such as ``int*`` and ``CFStringRef``, are not subject to
247 ARC's semantics and restrictions.
249 .. admonition:: Rationale
251   We are not at liberty to require all code to be recompiled with ARC;
252   therefore, ARC must interoperate with Objective-C code which manages retains
253   and releases manually.  In general, there are three requirements in order for
254   a compiler-supported reference-count system to provide reliable
255   interoperation:
257   * The type system must reliably identify which objects are to be managed.  An
258     ``int*`` might be a pointer to a ``malloc``'ed array, or it might be an
259     interior pointer to such an array, or it might point to some field or local
260     variable.  In contrast, values of the retainable object pointer types are
261     never interior.
263   * The type system must reliably indicate how to manage objects of a type.
264     This usually means that the type must imply a procedure for incrementing
265     and decrementing retain counts.  Supporting single-ownership objects
266     requires a lot more explicit mediation in the language.
268   * There must be reliable conventions for whether and when "ownership" is
269     passed between caller and callee, for both arguments and return values.
270     Objective-C methods follow such a convention very reliably, at least for
271     system libraries on macOS, and functions always pass objects at +0.  The
272     C-based APIs for Core Foundation objects, on the other hand, have much more
273     varied transfer semantics.
275 The use of ``__attribute__((NSObject))`` typedefs is not recommended.  If it's
276 absolutely necessary to use this attribute, be very explicit about using the
277 typedef, and do not assume that it will be preserved by language features like
278 ``__typeof`` and C++ template argument substitution.
280 .. admonition:: Rationale
282   Any compiler operation which incidentally strips type "sugar" from a type
283   will yield a type without the attribute, which may result in unexpected
284   behavior.
286 .. _arc.objects.retains:
288 Retain count semantics
289 ----------------------
291 A retainable object pointer is either a :arc-term:`null pointer` or a pointer
292 to a valid object.  Furthermore, if it has block pointer type and is not
293 ``null`` then it must actually be a pointer to a block object, and if it has
294 ``Class`` type (possibly protocol-qualified) then it must actually be a pointer
295 to a class object.  Otherwise ARC does not enforce the Objective-C type system
296 as long as the implementing methods follow the signature of the static type.
297 It is undefined behavior if ARC is exposed to an invalid pointer.
299 For ARC's purposes, a valid object is one with "well-behaved" retaining
300 operations.  Specifically, the object must be laid out such that the
301 Objective-C message send machinery can successfully send it the following
302 messages:
304 * ``retain``, taking no arguments and returning a pointer to the object.
305 * ``release``, taking no arguments and returning ``void``.
306 * ``autorelease``, taking no arguments and returning a pointer to the object.
308 The behavior of these methods is constrained in the following ways.  The term
309 :arc-term:`high-level semantics` is an intentionally vague term; the intent is
310 that programmers must implement these methods in a way such that the compiler,
311 modifying code in ways it deems safe according to these constraints, will not
312 violate their requirements.  For example, if the user puts logging statements
313 in ``retain``, they should not be surprised if those statements are executed
314 more or less often depending on optimization settings.  These constraints are
315 not exhaustive of the optimization opportunities: values held in local
316 variables are subject to additional restrictions, described later in this
317 document.
319 It is undefined behavior if a computation history featuring a send of
320 ``retain`` followed by a send of ``release`` to the same object, with no
321 intervening ``release`` on that object, is not equivalent under the high-level
322 semantics to a computation history in which these sends are removed.  Note that
323 this implies that these methods may not raise exceptions.
325 It is undefined behavior if a computation history features any use whatsoever
326 of an object following the completion of a send of ``release`` that is not
327 preceded by a send of ``retain`` to the same object.
329 The behavior of ``autorelease`` must be equivalent to sending ``release`` when
330 one of the autorelease pools currently in scope is popped.  It may not throw an
331 exception.
333 When the semantics call for performing one of these operations on a retainable
334 object pointer, if that pointer is ``null`` then the effect is a no-op.
336 All of the semantics described in this document are subject to additional
337 :ref:`optimization rules <arc.optimization>` which permit the removal or
338 optimization of operations based on local knowledge of data flow.  The
339 semantics describe the high-level behaviors that the compiler implements, not
340 an exact sequence of operations that a program will be compiled into.
342 .. _arc.objects.operands:
344 Retainable object pointers as operands and arguments
345 ----------------------------------------------------
347 In general, ARC does not perform retain or release operations when simply using
348 a retainable object pointer as an operand within an expression.  This includes:
350 * loading a retainable pointer from an object with non-weak :ref:`ownership
351   <arc.ownership>`,
352 * passing a retainable pointer as an argument to a function or method, and
353 * receiving a retainable pointer as the result of a function or method call.
355 .. admonition:: Rationale
357   While this might seem uncontroversial, it is actually unsafe when multiple
358   expressions are evaluated in "parallel", as with binary operators and calls,
359   because (for example) one expression might load from an object while another
360   writes to it.  However, C and C++ already call this undefined behavior
361   because the evaluations are unsequenced, and ARC simply exploits that here to
362   avoid needing to retain arguments across a large number of calls.
364 The remainder of this section describes exceptions to these rules, how those
365 exceptions are detected, and what those exceptions imply semantically.
367 .. _arc.objects.operands.consumed:
369 Consumed parameters
370 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
372 A function or method parameter of retainable object pointer type may be marked
373 as :arc-term:`consumed`, signifying that the callee expects to take ownership
374 of a +1 retain count.  This is done by adding the ``ns_consumed`` attribute to
375 the parameter declaration, like so:
377 .. code-block:: objc
379   void foo(__attribute((ns_consumed)) id x);
380   - (void) foo: (id) __attribute((ns_consumed)) x;
382 This attribute is part of the type of the function or method, not the type of
383 the parameter.  It controls only how the argument is passed and received.
385 When passing such an argument, ARC retains the argument prior to making the
386 call.
388 When receiving such an argument, ARC releases the argument at the end of the
389 function, subject to the usual optimizations for local values.
391 .. admonition:: Rationale
393   This formalizes direct transfers of ownership from a caller to a callee.  The
394   most common scenario here is passing the ``self`` parameter to ``init``, but
395   it is useful to generalize.  Typically, local optimization will remove any
396   extra retains and releases: on the caller side the retain will be merged with
397   a +1 source, and on the callee side the release will be rolled into the
398   initialization of the parameter.
400 The implicit ``self`` parameter of a method may be marked as consumed by adding
401 ``__attribute__((ns_consumes_self))`` to the method declaration.  Methods in
402 the ``init`` :ref:`family <arc.method-families>` are treated as if they were
403 implicitly marked with this attribute.
405 It is undefined behavior if an Objective-C message send to a method with
406 ``ns_consumed`` parameters (other than self) is made with a null receiver.  It
407 is undefined behavior if the method to which an Objective-C message send
408 statically resolves to has a different set of ``ns_consumed`` parameters than
409 the method it dynamically resolves to.  It is undefined behavior if a block or
410 function call is made through a static type with a different set of
411 ``ns_consumed`` parameters than the implementation of the called block or
412 function.
414 .. admonition:: Rationale
416   Consumed parameters with null receiver are a guaranteed leak.  Mismatches
417   with consumed parameters will cause over-retains or over-releases, depending
418   on the direction.  The rule about function calls is really just an
419   application of the existing C/C++ rule about calling functions through an
420   incompatible function type, but it's useful to state it explicitly.
422 .. _arc.object.operands.retained-return-values:
424 Retained return values
425 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
427 A function or method which returns a retainable object pointer type may be
428 marked as returning a retained value, signifying that the caller expects to take
429 ownership of a +1 retain count.  This is done by adding the
430 ``ns_returns_retained`` attribute to the function or method declaration, like
433 .. code-block:: objc
435   id foo(void) __attribute((ns_returns_retained));
436   - (id) foo __attribute((ns_returns_retained));
438 This attribute is part of the type of the function or method.
440 When returning from such a function or method, ARC retains the value at the
441 point of evaluation of the return statement, before leaving all local scopes.
443 When receiving a return result from such a function or method, ARC releases the
444 value at the end of the full-expression it is contained within, subject to the
445 usual optimizations for local values.
447 .. admonition:: Rationale
449   This formalizes direct transfers of ownership from a callee to a caller.  The
450   most common scenario this models is the retained return from ``init``,
451   ``alloc``, ``new``, and ``copy`` methods, but there are other cases in the
452   frameworks.  After optimization there are typically no extra retains and
453   releases required.
455 Methods in the ``alloc``, ``copy``, ``init``, ``mutableCopy``, and ``new``
456 :ref:`families <arc.method-families>` are implicitly marked
457 ``__attribute__((ns_returns_retained))``.  This may be suppressed by explicitly
458 marking the method ``__attribute__((ns_returns_not_retained))``.
460 It is undefined behavior if the method to which an Objective-C message send
461 statically resolves has different retain semantics on its result from the
462 method it dynamically resolves to.  It is undefined behavior if a block or
463 function call is made through a static type with different retain semantics on
464 its result from the implementation of the called block or function.
466 .. admonition:: Rationale
468   Mismatches with returned results will cause over-retains or over-releases,
469   depending on the direction.  Again, the rule about function calls is really
470   just an application of the existing C/C++ rule about calling functions
471   through an incompatible function type.
473 .. _arc.objects.operands.unretained-returns:
475 Unretained return values
476 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
478 A method or function which returns a retainable object type but does not return
479 a retained value must ensure that the object is still valid across the return
480 boundary.
482 When returning from such a function or method, ARC retains the value at the
483 point of evaluation of the return statement, then leaves all local scopes, and
484 then balances out the retain while ensuring that the value lives across the
485 call boundary.  In the worst case, this may involve an ``autorelease``, but
486 callers must not assume that the value is actually in the autorelease pool.
488 ARC performs no extra mandatory work on the caller side, although it may elect
489 to do something to shorten the lifetime of the returned value.
491 .. admonition:: Rationale
493   It is common in non-ARC code to not return an autoreleased value; therefore
494   the convention does not force either path.  It is convenient to not be
495   required to do unnecessary retains and autoreleases; this permits
496   optimizations such as eliding retain/autoreleases when it can be shown that
497   the original pointer will still be valid at the point of return.
499 A method or function may be marked with
500 ``__attribute__((ns_returns_autoreleased))`` to indicate that it returns a
501 pointer which is guaranteed to be valid at least as long as the innermost
502 autorelease pool.  There are no additional semantics enforced in the definition
503 of such a method; it merely enables optimizations in callers.
505 .. _arc.objects.operands.casts:
507 Bridged casts
508 ^^^^^^^^^^^^^
510 A :arc-term:`bridged cast` is a C-style cast annotated with one of three
511 keywords:
513 * ``(__bridge T) op`` casts the operand to the destination type ``T``.  If
514   ``T`` is a retainable object pointer type, then ``op`` must have a
515   non-retainable pointer type.  If ``T`` is a non-retainable pointer type,
516   then ``op`` must have a retainable object pointer type.  Otherwise the cast
517   is ill-formed.  There is no transfer of ownership, and ARC inserts no retain
518   operations.
519 * ``(__bridge_retained T) op`` casts the operand, which must have retainable
520   object pointer type, to the destination type, which must be a non-retainable
521   pointer type.  ARC retains the value, subject to the usual optimizations on
522   local values, and the recipient is responsible for balancing that +1.
523 * ``(__bridge_transfer T) op`` casts the operand, which must have
524   non-retainable pointer type, to the destination type, which must be a
525   retainable object pointer type.  ARC will release the value at the end of
526   the enclosing full-expression, subject to the usual optimizations on local
527   values.
529 These casts are required in order to transfer objects in and out of ARC
530 control; see the rationale in the section on :ref:`conversion of retainable
531 object pointers <arc.objects.restrictions.conversion>`.
533 Using a ``__bridge_retained`` or ``__bridge_transfer`` cast purely to convince
534 ARC to emit an unbalanced retain or release, respectively, is poor form.
536 .. _arc.objects.restrictions:
538 Restrictions
539 ------------
541 .. _arc.objects.restrictions.conversion:
543 Conversion of retainable object pointers
544 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
546 In general, a program which attempts to implicitly or explicitly convert a
547 value of retainable object pointer type to any non-retainable type, or
548 vice-versa, is ill-formed.  For example, an Objective-C object pointer shall
549 not be converted to ``void*``.  As an exception, cast to ``intptr_t`` is
550 allowed because such casts are not transferring ownership.  The :ref:`bridged
551 casts <arc.objects.operands.casts>` may be used to perform these conversions
552 where necessary.
554 .. admonition:: Rationale
556   We cannot ensure the correct management of the lifetime of objects if they
557   may be freely passed around as unmanaged types.  The bridged casts are
558   provided so that the programmer may explicitly describe whether the cast
559   transfers control into or out of ARC.
561 However, the following exceptions apply.
563 .. _arc.objects.restrictions.conversion.with.known.semantics:
565 Conversion to retainable object pointer type of expressions with known semantics
566 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
568 :when-revised:`[beginning Apple 4.0, LLVM 3.1]`
569 :revision:`These exceptions have been greatly expanded; they previously applied
570 only to a much-reduced subset which is difficult to categorize but which
571 included null pointers, message sends (under the given rules), and the various
572 global constants.`
574 An unbridged conversion to a retainable object pointer type from a type other
575 than a retainable object pointer type is ill-formed, as discussed above, unless
576 the operand of the cast has a syntactic form which is known retained, known
577 unretained, or known retain-agnostic.
579 An expression is :arc-term:`known retain-agnostic` if it is:
581 * an Objective-C string literal,
582 * a load from a ``const`` system global variable of :ref:`C retainable pointer
583   type <arc.misc.c-retainable>`, or
584 * a null pointer constant.
586 An expression is :arc-term:`known unretained` if it is an rvalue of :ref:`C
587 retainable pointer type <arc.misc.c-retainable>` and it is:
589 * a direct call to a function, and either that function has the
590   ``cf_returns_not_retained`` attribute or it is an :ref:`audited
591   <arc.misc.c-retainable.audit>` function that does not have the
592   ``cf_returns_retained`` attribute and does not follow the create/copy naming
593   convention,
594 * a message send, and the declared method either has the
595   ``cf_returns_not_retained`` attribute or it has neither the
596   ``cf_returns_retained`` attribute nor a :ref:`selector family
597   <arc.method-families>` that implies a retained result, or
598 * :when-revised:`[beginning LLVM 3.6]` :revision:`a load from a` ``const``
599   :revision:`non-system global variable.`
601 An expression is :arc-term:`known retained` if it is an rvalue of :ref:`C
602 retainable pointer type <arc.misc.c-retainable>` and it is:
604 * a message send, and the declared method either has the
605   ``cf_returns_retained`` attribute, or it does not have the
606   ``cf_returns_not_retained`` attribute but it does have a :ref:`selector
607   family <arc.method-families>` that implies a retained result.
609 Furthermore:
611 * a comma expression is classified according to its right-hand side,
612 * a statement expression is classified according to its result expression, if
613   it has one,
614 * an lvalue-to-rvalue conversion applied to an Objective-C property lvalue is
615   classified according to the underlying message send, and
616 * a conditional operator is classified according to its second and third
617   operands, if they agree in classification, or else the other if one is known
618   retain-agnostic.
620 If the cast operand is known retained, the conversion is treated as a
621 ``__bridge_transfer`` cast.  If the cast operand is known unretained or known
622 retain-agnostic, the conversion is treated as a ``__bridge`` cast.
624 .. admonition:: Rationale
626   Bridging casts are annoying.  Absent the ability to completely automate the
627   management of CF objects, however, we are left with relatively poor attempts
628   to reduce the need for a glut of explicit bridges.  Hence these rules.
630   We've so far consciously refrained from implicitly turning retained CF
631   results from function calls into ``__bridge_transfer`` casts.  The worry is
632   that some code patterns  ---  for example, creating a CF value, assigning it
633   to an ObjC-typed local, and then calling ``CFRelease`` when done  ---  are a
634   bit too likely to be accidentally accepted, leading to mysterious behavior.
636   For loads from ``const`` global variables of :ref:`C retainable pointer type
637   <arc.misc.c-retainable>`, it is reasonable to assume that global system
638   constants were initialitzed with true constants (e.g. string literals), but
639   user constants might have been initialized with something dynamically
640   allocated, using a global initializer.
642 .. _arc.objects.restrictions.conversion-exception-contextual:
644 Conversion from retainable object pointer type in certain contexts
645 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
647 :when-revised:`[beginning Apple 4.0, LLVM 3.1]`
649 If an expression of retainable object pointer type is explicitly cast to a
650 :ref:`C retainable pointer type <arc.misc.c-retainable>`, the program is
651 ill-formed as discussed above unless the result is immediately used:
653 * to initialize a parameter in an Objective-C message send where the parameter
654   is not marked with the ``cf_consumed`` attribute, or
655 * to initialize a parameter in a direct call to an
656   :ref:`audited <arc.misc.c-retainable.audit>` function where the parameter is
657   not marked with the ``cf_consumed`` attribute.
659 .. admonition:: Rationale
661   Consumed parameters are left out because ARC would naturally balance them
662   with a retain, which was judged too treacherous.  This is in part because
663   several of the most common consuming functions are in the ``Release`` family,
664   and it would be quite unfortunate for explicit releases to be silently
665   balanced out in this way.
667 .. _arc.ownership:
669 Ownership qualification
670 =======================
672 This section describes the behavior of *objects* of retainable object pointer
673 type; that is, locations in memory which store retainable object pointers.
675 A type is a :arc-term:`retainable object owner type` if it is a retainable
676 object pointer type or an array type whose element type is a retainable object
677 owner type.
679 An :arc-term:`ownership qualifier` is a type qualifier which applies only to
680 retainable object owner types.  An array type is ownership-qualified according
681 to its element type, and adding an ownership qualifier to an array type so
682 qualifies its element type.
684 A program is ill-formed if it attempts to apply an ownership qualifier to a
685 type which is already ownership-qualified, even if it is the same qualifier.
686 There is a single exception to this rule: an ownership qualifier may be applied
687 to a substituted template type parameter, which overrides the ownership
688 qualifier provided by the template argument.
690 When forming a function type, the result type is adjusted so that any
691 top-level ownership qualifier is deleted.
693 Except as described under the :ref:`inference rules <arc.ownership.inference>`,
694 a program is ill-formed if it attempts to form a pointer or reference type to a
695 retainable object owner type which lacks an ownership qualifier.
697 .. admonition:: Rationale
699   These rules, together with the inference rules, ensure that all objects and
700   lvalues of retainable object pointer type have an ownership qualifier.  The
701   ability to override an ownership qualifier during template substitution is
702   required to counteract the :ref:`inference of __strong for template type
703   arguments <arc.ownership.inference.template.arguments>`.  Ownership qualifiers
704   on return types are dropped because they serve no purpose there except to
705   cause spurious problems with overloading and templates.
707 There are four ownership qualifiers:
709 * ``__autoreleasing``
710 * ``__strong``
711 * ``__unsafe_unretained``
712 * ``__weak``
714 A type is :arc-term:`nontrivially ownership-qualified` if it is qualified with
715 ``__autoreleasing``, ``__strong``, or ``__weak``.
717 .. _arc.ownership.spelling:
719 Spelling
720 --------
722 The names of the ownership qualifiers are reserved for the implementation.  A
723 program may not assume that they are or are not implemented with macros, or
724 what those macros expand to.
726 An ownership qualifier may be written anywhere that any other type qualifier
727 may be written.
729 If an ownership qualifier appears in the *declaration-specifiers*, the
730 following rules apply:
732 * if the type specifier is a retainable object owner type, the qualifier
733   initially applies to that type;
735 * otherwise, if the outermost non-array declarator is a pointer
736   or block pointer declarator, the qualifier initially applies to
737   that type;
739 * otherwise the program is ill-formed.
741 * If the qualifier is so applied at a position in the declaration
742   where the next-innermost declarator is a function declarator, and
743   there is an block declarator within that function declarator, then
744   the qualifier applies instead to that block declarator and this rule
745   is considered afresh beginning from the new position.
747 If an ownership qualifier appears on the declarator name, or on the declared
748 object, it is applied to the innermost pointer or block-pointer type.
750 If an ownership qualifier appears anywhere else in a declarator, it applies to
751 the type there.
753 .. admonition:: Rationale
755   Ownership qualifiers are like ``const`` and ``volatile`` in the sense
756   that they may sensibly apply at multiple distinct positions within a
757   declarator.  However, unlike those qualifiers, there are many
758   situations where they are not meaningful, and so we make an effort
759   to "move" the qualifier to a place where it will be meaningful.  The
760   general goal is to allow the programmer to write, say, ``__strong``
761   before the entire declaration and have it apply in the leftmost
762   sensible place.
764 .. _arc.ownership.spelling.property:
766 Property declarations
767 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
769 A property of retainable object pointer type may have ownership.  If the
770 property's type is ownership-qualified, then the property has that ownership.
771 If the property has one of the following modifiers, then the property has the
772 corresponding ownership.  A property is ill-formed if it has conflicting
773 sources of ownership, or if it has redundant ownership modifiers, or if it has
774 ``__autoreleasing`` ownership.
776 * ``assign`` implies ``__unsafe_unretained`` ownership.
777 * ``copy`` implies ``__strong`` ownership, as well as the usual behavior of
778   copy semantics on the setter.
779 * ``retain`` implies ``__strong`` ownership.
780 * ``strong`` implies ``__strong`` ownership.
781 * ``unsafe_unretained`` implies ``__unsafe_unretained`` ownership.
782 * ``weak`` implies ``__weak`` ownership.
784 With the exception of ``weak``, these modifiers are available in non-ARC
785 modes.
787 A property's specified ownership is preserved in its metadata, but otherwise
788 the meaning is purely conventional unless the property is synthesized.  If a
789 property is synthesized, then the :arc-term:`associated instance variable` is
790 the instance variable which is named, possibly implicitly, by the
791 ``@synthesize`` declaration.  If the associated instance variable already
792 exists, then its ownership qualification must equal the ownership of the
793 property; otherwise, the instance variable is created with that ownership
794 qualification.
796 A property of retainable object pointer type which is synthesized without a
797 source of ownership has the ownership of its associated instance variable, if it
798 already exists; otherwise, :when-revised:`[beginning Apple 3.1, LLVM 3.1]`
799 :revision:`its ownership is implicitly` ``strong``.  Prior to this revision, it
800 was ill-formed to synthesize such a property.
802 .. admonition:: Rationale
804   Using ``strong`` by default is safe and consistent with the generic ARC rule
805   about :ref:`inferring ownership <arc.ownership.inference.variables>`.  It is,
806   unfortunately, inconsistent with the non-ARC rule which states that such
807   properties are implicitly ``assign``.  However, that rule is clearly
808   untenable in ARC, since it leads to default-unsafe code.  The main merit to
809   banning the properties is to avoid confusion with non-ARC practice, which did
810   not ultimately strike us as sufficient to justify requiring extra syntax and
811   (more importantly) forcing novices to understand ownership rules just to
812   declare a property when the default is so reasonable.  Changing the rule away
813   from non-ARC practice was acceptable because we had conservatively banned the
814   synthesis in order to give ourselves exactly this leeway.
816 Applying ``__attribute__((NSObject))`` to a property not of retainable object
817 pointer type has the same behavior it does outside of ARC: it requires the
818 property type to be some sort of pointer and permits the use of modifiers other
819 than ``assign``.  These modifiers only affect the synthesized getter and
820 setter; direct accesses to the ivar (even if synthesized) still have primitive
821 semantics, and the value in the ivar will not be automatically released during
822 deallocation.
824 .. _arc.ownership.semantics:
826 Semantics
827 ---------
829 There are five :arc-term:`managed operations` which may be performed on an
830 object of retainable object pointer type.  Each qualifier specifies different
831 semantics for each of these operations.  It is still undefined behavior to
832 access an object outside of its lifetime.
834 A load or store with "primitive semantics" has the same semantics as the
835 respective operation would have on an ``void*`` lvalue with the same alignment
836 and non-ownership qualification.
838 :arc-term:`Reading` occurs when performing a lvalue-to-rvalue conversion on an
839 object lvalue.
841 * For ``__weak`` objects, the current pointee is retained and then released at
842   the end of the current full-expression.  This must execute atomically with
843   respect to assignments and to the final release of the pointee.
844 * For all other objects, the lvalue is loaded with primitive semantics.
846 :arc-term:`Assignment` occurs when evaluating an assignment operator.  The
847 semantics vary based on the qualification:
849 * For ``__strong`` objects, the new pointee is first retained; second, the
850   lvalue is loaded with primitive semantics; third, the new pointee is stored
851   into the lvalue with primitive semantics; and finally, the old pointee is
852   released.  This is not performed atomically; external synchronization must be
853   used to make this safe in the face of concurrent loads and stores.
854 * For ``__weak`` objects, the lvalue is updated to point to the new pointee,
855   unless the new pointee is an object currently undergoing deallocation, in
856   which case the lvalue is updated to a null pointer.  This must execute
857   atomically with respect to other assignments to the object, to reads from the
858   object, and to the final release of the new pointee.
859 * For ``__unsafe_unretained`` objects, the new pointee is stored into the
860   lvalue using primitive semantics.
861 * For ``__autoreleasing`` objects, the new pointee is retained, autoreleased,
862   and stored into the lvalue using primitive semantics.
864 :arc-term:`Initialization` occurs when an object's lifetime begins, which
865 depends on its storage duration.  Initialization proceeds in two stages:
867 #. First, a null pointer is stored into the lvalue using primitive semantics.
868    This step is skipped if the object is ``__unsafe_unretained``.
869 #. Second, if the object has an initializer, that expression is evaluated and
870    then assigned into the object using the usual assignment semantics.
872 :arc-term:`Destruction` occurs when an object's lifetime ends.  In all cases it
873 is semantically equivalent to assigning a null pointer to the object, with the
874 proviso that of course the object cannot be legally read after the object's
875 lifetime ends.
877 :arc-term:`Moving` occurs in specific situations where an lvalue is "moved
878 from", meaning that its current pointee will be used but the object may be left
879 in a different (but still valid) state.  This arises with ``__block`` variables
880 and rvalue references in C++.  For ``__strong`` lvalues, moving is equivalent
881 to loading the lvalue with primitive semantics, writing a null pointer to it
882 with primitive semantics, and then releasing the result of the load at the end
883 of the current full-expression.  For all other lvalues, moving is equivalent to
884 reading the object.
886 .. _arc.ownership.restrictions:
888 Restrictions
889 ------------
891 .. _arc.ownership.restrictions.weak:
893 Weak-unavailable types
894 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
896 It is explicitly permitted for Objective-C classes to not support ``__weak``
897 references.  It is undefined behavior to perform an operation with weak
898 assignment semantics with a pointer to an Objective-C object whose class does
899 not support ``__weak`` references.
901 .. admonition:: Rationale
903   Historically, it has been possible for a class to provide its own
904   reference-count implementation by overriding ``retain``, ``release``, etc.
905   However, weak references to an object require coordination with its class's
906   reference-count implementation because, among other things, weak loads and
907   stores must be atomic with respect to the final release.  Therefore, existing
908   custom reference-count implementations will generally not support weak
909   references without additional effort.  This is unavoidable without breaking
910   binary compatibility.
912 A class may indicate that it does not support weak references by providing the
913 ``objc_arc_weak_reference_unavailable`` attribute on the class's interface declaration.  A
914 retainable object pointer type is **weak-unavailable** if
915 is a pointer to an (optionally protocol-qualified) Objective-C class ``T`` where
916 ``T`` or one of its superclasses has the ``objc_arc_weak_reference_unavailable``
917 attribute.  A program is ill-formed if it applies the ``__weak`` ownership
918 qualifier to a weak-unavailable type or if the value operand of a weak
919 assignment operation has a weak-unavailable type.
921 .. _arc.ownership.restrictions.autoreleasing:
923 Storage duration of ``__autoreleasing`` objects
924 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
926 A program is ill-formed if it declares an ``__autoreleasing`` object of
927 non-automatic storage duration.  A program is ill-formed if it captures an
928 ``__autoreleasing`` object in a block or, unless by reference, in a C++11
929 lambda.
931 .. admonition:: Rationale
933   Autorelease pools are tied to the current thread and scope by their nature.
934   While it is possible to have temporary objects whose instance variables are
935   filled with autoreleased objects, there is no way that ARC can provide any
936   sort of safety guarantee there.
938 It is undefined behavior if a non-null pointer is assigned to an
939 ``__autoreleasing`` object while an autorelease pool is in scope and then that
940 object is read after the autorelease pool's scope is left.
942 .. _arc.ownership.restrictions.conversion.indirect:
944 Conversion of pointers to ownership-qualified types
945 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
947 A program is ill-formed if an expression of type ``T*`` is converted,
948 explicitly or implicitly, to the type ``U*``, where ``T`` and ``U`` have
949 different ownership qualification, unless:
951 * ``T`` is qualified with ``__strong``, ``__autoreleasing``, or
952   ``__unsafe_unretained``, and ``U`` is qualified with both ``const`` and
953   ``__unsafe_unretained``; or
954 * either ``T`` or ``U`` is ``cv void``, where ``cv`` is an optional sequence
955   of non-ownership qualifiers; or
956 * the conversion is requested with a ``reinterpret_cast`` in Objective-C++; or
957 * the conversion is a well-formed :ref:`pass-by-writeback
958   <arc.ownership.restrictions.pass_by_writeback>`.
960 The analogous rule applies to ``T&`` and ``U&`` in Objective-C++.
962 .. admonition:: Rationale
964   These rules provide a reasonable level of type-safety for indirect pointers,
965   as long as the underlying memory is not deallocated.  The conversion to
966   ``const __unsafe_unretained`` is permitted because the semantics of reads are
967   equivalent across all these ownership semantics, and that's a very useful and
968   common pattern.  The interconversion with ``void*`` is useful for allocating
969   memory or otherwise escaping the type system, but use it carefully.
970   ``reinterpret_cast`` is considered to be an obvious enough sign of taking
971   responsibility for any problems.
973 It is undefined behavior to access an ownership-qualified object through an
974 lvalue of a differently-qualified type, except that any non-``__weak`` object
975 may be read through an ``__unsafe_unretained`` lvalue.
977 It is undefined behavior if the storage of a ``__strong`` or ``__weak``
978 object is not properly initialized before the first managed operation
979 is performed on the object, or if the storage of such an object is freed
980 or reused before the object has been properly deinitialized.  Storage for
981 a ``__strong`` or ``__weak`` object may be properly initialized by filling
982 it with the representation of a null pointer, e.g. by acquiring the memory
983 with ``calloc`` or using ``bzero`` to zero it out.  A ``__strong`` or
984 ``__weak`` object may be properly deinitialized by assigning a null pointer
985 into it.  A ``__strong`` object may also be properly initialized
986 by copying into it (e.g. with ``memcpy``) the representation of a
987 different ``__strong`` object whose storage has been properly initialized;
988 doing this properly deinitializes the source object and causes its storage
989 to no longer be properly initialized.  A ``__weak`` object may not be
990 representation-copied in this way.
992 These requirements are followed automatically for objects whose
993 initialization and deinitialization are under the control of ARC:
995 * objects of static, automatic, and temporary storage duration
996 * instance variables of Objective-C objects
997 * elements of arrays where the array object's initialization and
998   deinitialization are under the control of ARC
999 * fields of Objective-C struct types where the struct object's
1000   initialization and deinitialization are under the control of ARC
1001 * non-static data members of Objective-C++ non-union class types
1002 * Objective-C++ objects and arrays of dynamic storage duration created
1003   with the ``new`` or ``new[]`` operators and destroyed with the
1004   corresponding ``delete`` or ``delete[]`` operator
1006 They are not followed automatically for these objects:
1008 * objects of dynamic storage duration created in other memory, such as
1009   that returned by ``malloc``
1010 * union members
1012 .. admonition:: Rationale
1014   ARC must perform special operations when initializing an object and
1015   when destroying it.  In many common situations, ARC knows when an
1016   object is created and when it is destroyed and can ensure that these
1017   operations are performed correctly.  Otherwise, however, ARC requires
1018   programmer cooperation to establish its initialization invariants
1019   because it is infeasible for ARC to dynamically infer whether they
1020   are intact.  For example, there is no syntactic difference in C between
1021   an assignment that is intended by the programmer to initialize a variable
1022   and one that is intended to replace the existing value stored there,
1023   but ARC must perform one operation or the other.  ARC chooses to always
1024   assume that objects are initialized (except when it is in charge of
1025   initializing them) because the only workable alternative would be to
1026   ban all code patterns that could potentially be used to access
1027   uninitialized memory, and that would be too limiting.  In practice,
1028   this is rarely a problem because programmers do not generally need to
1029   work with objects for which the requirements are not handled
1030   automatically.
1032 Note that dynamically-allocated Objective-C++ arrays of
1033 nontrivially-ownership-qualified type are not ABI-compatible with non-ARC
1034 code because the non-ARC code will consider the element type to be POD.
1035 Such arrays that are ``new[]``'d in ARC translation units cannot be
1036 ``delete[]``'d in non-ARC translation units and vice-versa.
1038 .. _arc.ownership.restrictions.pass_by_writeback:
1040 Passing to an out parameter by writeback
1041 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1043 If the argument passed to a parameter of type ``T __autoreleasing *`` has type
1044 ``U oq *``, where ``oq`` is an ownership qualifier, then the argument is a
1045 candidate for :arc-term:`pass-by-writeback`` if:
1047 * ``oq`` is ``__strong`` or ``__weak``, and
1048 * it would be legal to initialize a ``T __strong *`` with a ``U __strong *``.
1050 For purposes of overload resolution, an implicit conversion sequence requiring
1051 a pass-by-writeback is always worse than an implicit conversion sequence not
1052 requiring a pass-by-writeback.
1054 The pass-by-writeback is ill-formed if the argument expression does not have a
1055 legal form:
1057 * ``&var``, where ``var`` is a scalar variable of automatic storage duration
1058   with retainable object pointer type
1059 * a conditional expression where the second and third operands are both legal
1060   forms
1061 * a cast whose operand is a legal form
1062 * a null pointer constant
1064 .. admonition:: Rationale
1066   The restriction in the form of the argument serves two purposes.  First, it
1067   makes it impossible to pass the address of an array to the argument, which
1068   serves to protect against an otherwise serious risk of mis-inferring an
1069   "array" argument as an out-parameter.  Second, it makes it much less likely
1070   that the user will see confusing aliasing problems due to the implementation,
1071   below, where their store to the writeback temporary is not immediately seen
1072   in the original argument variable.
1074 A pass-by-writeback is evaluated as follows:
1076 #. The argument is evaluated to yield a pointer ``p`` of type ``U oq *``.
1077 #. If ``p`` is a null pointer, then a null pointer is passed as the argument,
1078    and no further work is required for the pass-by-writeback.
1079 #. Otherwise, a temporary of type ``T __autoreleasing`` is created and
1080    initialized to a null pointer.
1081 #. If the parameter is not an Objective-C method parameter marked ``out``,
1082    then ``*p`` is read, and the result is written into the temporary with
1083    primitive semantics.
1084 #. The address of the temporary is passed as the argument to the actual call.
1085 #. After the call completes, the temporary is loaded with primitive
1086    semantics, and that value is assigned into ``*p``.
1088 .. admonition:: Rationale
1090   This is all admittedly convoluted.  In an ideal world, we would see that a
1091   local variable is being passed to an out-parameter and retroactively modify
1092   its type to be ``__autoreleasing`` rather than ``__strong``.  This would be
1093   remarkably difficult and not always well-founded under the C type system.
1094   However, it was judged unacceptably invasive to require programmers to write
1095   ``__autoreleasing`` on all the variables they intend to use for
1096   out-parameters.  This was the least bad solution.
1098 .. _arc.ownership.restrictions.records:
1100 Ownership-qualified fields of structs and unions
1101 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1103 A program is ill-formed if it declares a member of a C struct or union to have
1104 a nontrivially ownership-qualified type.
1106 .. admonition:: Rationale
1108   The resulting type would be non-POD in the C++ sense, but C does not give us
1109   very good language tools for managing the lifetime of aggregates, so it is
1110   more convenient to simply forbid them.  It is still possible to manage this
1111   with a ``void*`` or an ``__unsafe_unretained`` object.
1113 This restriction does not apply in Objective-C++.  However, nontrivally
1114 ownership-qualified types are considered non-POD: in C++11 terms, they are not
1115 trivially default constructible, copy constructible, move constructible, copy
1116 assignable, move assignable, or destructible.  It is a violation of C++'s One
1117 Definition Rule to use a class outside of ARC that, under ARC, would have a
1118 nontrivially ownership-qualified member.
1120 .. admonition:: Rationale
1122   Unlike in C, we can express all the necessary ARC semantics for
1123   ownership-qualified subobjects as suboperations of the (default) special
1124   member functions for the class.  These functions then become non-trivial.
1125   This has the non-obvious result that the class will have a non-trivial copy
1126   constructor and non-trivial destructor; if this would not normally be true
1127   outside of ARC, objects of the type will be passed and returned in an
1128   ABI-incompatible manner.
1130 .. _arc.ownership.inference:
1132 Ownership inference
1133 -------------------
1135 .. _arc.ownership.inference.variables:
1137 Objects
1138 ^^^^^^^
1140 If an object is declared with retainable object owner type, but without an
1141 explicit ownership qualifier, its type is implicitly adjusted to have
1142 ``__strong`` qualification.
1144 As a special case, if the object's base type is ``Class`` (possibly
1145 protocol-qualified), the type is adjusted to have ``__unsafe_unretained``
1146 qualification instead.
1148 .. _arc.ownership.inference.indirect_parameters:
1150 Indirect parameters
1151 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1153 If a function or method parameter has type ``T*``, where ``T`` is an
1154 ownership-unqualified retainable object pointer type, then:
1156 * if ``T`` is ``const``-qualified or ``Class``, then it is implicitly
1157   qualified with ``__unsafe_unretained``;
1158 * otherwise, it is implicitly qualified with ``__autoreleasing``.
1160 .. admonition:: Rationale
1162   ``__autoreleasing`` exists mostly for this case, the Cocoa convention for
1163   out-parameters.  Since a pointer to ``const`` is obviously not an
1164   out-parameter, we instead use a type more useful for passing arrays.  If the
1165   user instead intends to pass in a *mutable* array, inferring
1166   ``__autoreleasing`` is the wrong thing to do; this directs some of the
1167   caution in the following rules about writeback.
1169 Such a type written anywhere else would be ill-formed by the general rule
1170 requiring ownership qualifiers.
1172 This rule does not apply in Objective-C++ if a parameter's type is dependent in
1173 a template pattern and is only *instantiated* to a type which would be a
1174 pointer to an unqualified retainable object pointer type.  Such code is still
1175 ill-formed.
1177 .. admonition:: Rationale
1179   The convention is very unlikely to be intentional in template code.
1181 .. _arc.ownership.inference.template.arguments:
1183 Template arguments
1184 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1186 If a template argument for a template type parameter is an retainable object
1187 owner type that does not have an explicit ownership qualifier, it is adjusted
1188 to have ``__strong`` qualification.  This adjustment occurs regardless of
1189 whether the template argument was deduced or explicitly specified.
1191 .. admonition:: Rationale
1193   ``__strong`` is a useful default for containers (e.g., ``std::vector<id>``),
1194   which would otherwise require explicit qualification.  Moreover, unqualified
1195   retainable object pointer types are unlikely to be useful within templates,
1196   since they generally need to have a qualifier applied to the before being
1197   used.
1199 .. _arc.method-families:
1201 Method families
1202 ===============
1204 An Objective-C method may fall into a :arc-term:`method family`, which is a
1205 conventional set of behaviors ascribed to it by the Cocoa conventions.
1207 A method is in a certain method family if:
1209 * it has a ``objc_method_family`` attribute placing it in that family; or if
1210   not that,
1211 * it does not have an ``objc_method_family`` attribute placing it in a
1212   different or no family, and
1213 * its selector falls into the corresponding selector family, and
1214 * its signature obeys the added restrictions of the method family.
1216 A selector is in a certain selector family if, ignoring any leading
1217 underscores, the first component of the selector either consists entirely of
1218 the name of the method family or it begins with that name followed by a
1219 character other than a lowercase letter.  For example, ``_perform:with:`` and
1220 ``performWith:`` would fall into the ``perform`` family (if we recognized one),
1221 but ``performing:with`` would not.
1223 The families and their added restrictions are:
1225 * ``alloc`` methods must return a retainable object pointer type.
1226 * ``copy`` methods must return a retainable object pointer type.
1227 * ``mutableCopy`` methods must return a retainable object pointer type.
1228 * ``new`` methods must return a retainable object pointer type.
1229 * ``init`` methods must be instance methods and must return an Objective-C
1230   pointer type.  Additionally, a program is ill-formed if it declares or
1231   contains a call to an ``init`` method whose return type is neither ``id`` nor
1232   a pointer to a super-class or sub-class of the declaring class (if the method
1233   was declared on a class) or the static receiver type of the call (if it was
1234   declared on a protocol).
1236   .. admonition:: Rationale
1238     There are a fair number of existing methods with ``init``-like selectors
1239     which nonetheless don't follow the ``init`` conventions.  Typically these
1240     are either accidental naming collisions or helper methods called during
1241     initialization.  Because of the peculiar retain/release behavior of
1242     ``init`` methods, it's very important not to treat these methods as
1243     ``init`` methods if they aren't meant to be.  It was felt that implicitly
1244     defining these methods out of the family based on the exact relationship
1245     between the return type and the declaring class would be much too subtle
1246     and fragile.  Therefore we identify a small number of legitimate-seeming
1247     return types and call everything else an error.  This serves the secondary
1248     purpose of encouraging programmers not to accidentally give methods names
1249     in the ``init`` family.
1251     Note that a method with an ``init``-family selector which returns a
1252     non-Objective-C type (e.g. ``void``) is perfectly well-formed; it simply
1253     isn't in the ``init`` family.
1255 A program is ill-formed if a method's declarations, implementations, and
1256 overrides do not all have the same method family.
1258 .. _arc.family.attribute:
1260 Explicit method family control
1261 ------------------------------
1263 A method may be annotated with the ``objc_method_family`` attribute to
1264 precisely control which method family it belongs to.  If a method in an
1265 ``@implementation`` does not have this attribute, but there is a method
1266 declared in the corresponding ``@interface`` that does, then the attribute is
1267 copied to the declaration in the ``@implementation``.  The attribute is
1268 available outside of ARC, and may be tested for with the preprocessor query
1269 ``__has_attribute(objc_method_family)``.
1271 The attribute is spelled
1272 ``__attribute__((objc_method_family(`` *family* ``)))``.  If *family* is
1273 ``none``, the method has no family, even if it would otherwise be considered to
1274 have one based on its selector and type.  Otherwise, *family* must be one of
1275 ``alloc``, ``copy``, ``init``, ``mutableCopy``, or ``new``, in which case the
1276 method is considered to belong to the corresponding family regardless of its
1277 selector.  It is an error if a method that is explicitly added to a family in
1278 this way does not meet the requirements of the family other than the selector
1279 naming convention.
1281 .. admonition:: Rationale
1283   The rules codified in this document describe the standard conventions of
1284   Objective-C.  However, as these conventions have not heretofore been enforced
1285   by an unforgiving mechanical system, they are only imperfectly kept,
1286   especially as they haven't always even been precisely defined.  While it is
1287   possible to define low-level ownership semantics with attributes like
1288   ``ns_returns_retained``, this attribute allows the user to communicate
1289   semantic intent, which is of use both to ARC (which, e.g., treats calls to
1290   ``init`` specially) and the static analyzer.
1292 .. _arc.family.semantics:
1294 Semantics of method families
1295 ----------------------------
1297 A method's membership in a method family may imply non-standard semantics for
1298 its parameters and return type.
1300 Methods in the ``alloc``, ``copy``, ``mutableCopy``, and ``new`` families ---
1301 that is, methods in all the currently-defined families except ``init`` ---
1302 implicitly :ref:`return a retained object
1303 <arc.object.operands.retained-return-values>` as if they were annotated with
1304 the ``ns_returns_retained`` attribute.  This can be overridden by annotating
1305 the method with either of the ``ns_returns_autoreleased`` or
1306 ``ns_returns_not_retained`` attributes.
1308 Properties also follow same naming rules as methods.  This means that those in
1309 the ``alloc``, ``copy``, ``mutableCopy``, and ``new`` families provide access
1310 to :ref:`retained objects <arc.object.operands.retained-return-values>`.  This
1311 can be overridden by annotating the property with ``ns_returns_not_retained``
1312 attribute.
1314 .. _arc.family.semantics.init:
1316 Semantics of ``init``
1317 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1319 Methods in the ``init`` family implicitly :ref:`consume
1320 <arc.objects.operands.consumed>` their ``self`` parameter and :ref:`return a
1321 retained object <arc.object.operands.retained-return-values>`.  Neither of
1322 these properties can be altered through attributes.
1324 A call to an ``init`` method with a receiver that is either ``self`` (possibly
1325 parenthesized or casted) or ``super`` is called a :arc-term:`delegate init
1326 call`.  It is an error for a delegate init call to be made except from an
1327 ``init`` method, and excluding blocks within such methods.
1329 As an exception to the :ref:`usual rule <arc.misc.self>`, the variable ``self``
1330 is mutable in an ``init`` method and has the usual semantics for a ``__strong``
1331 variable.  However, it is undefined behavior and the program is ill-formed, no
1332 diagnostic required, if an ``init`` method attempts to use the previous value
1333 of ``self`` after the completion of a delegate init call.  It is conventional,
1334 but not required, for an ``init`` method to return ``self``.
1336 It is undefined behavior for a program to cause two or more calls to ``init``
1337 methods on the same object, except that each ``init`` method invocation may
1338 perform at most one delegate init call.
1340 .. _arc.family.semantics.result_type:
1342 Related result types
1343 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1345 Certain methods are candidates to have :arc-term:`related result types`:
1347 * class methods in the ``alloc`` and ``new`` method families
1348 * instance methods in the ``init`` family
1349 * the instance method ``self``
1350 * outside of ARC, the instance methods ``retain`` and ``autorelease``
1352 If the formal result type of such a method is ``id`` or protocol-qualified
1353 ``id``, or a type equal to the declaring class or a superclass, then it is said
1354 to have a related result type.  In this case, when invoked in an explicit
1355 message send, it is assumed to return a type related to the type of the
1356 receiver:
1358 * if it is a class method, and the receiver is a class name ``T``, the message
1359   send expression has type ``T*``; otherwise
1360 * if it is an instance method, and the receiver has type ``T``, the message
1361   send expression has type ``T``; otherwise
1362 * the message send expression has the normal result type of the method.
1364 This is a new rule of the Objective-C language and applies outside of ARC.
1366 .. admonition:: Rationale
1368   ARC's automatic code emission is more prone than most code to signature
1369   errors, i.e. errors where a call was emitted against one method signature,
1370   but the implementing method has an incompatible signature.  Having more
1371   precise type information helps drastically lower this risk, as well as
1372   catching a number of latent bugs.
1374 .. _arc.optimization:
1376 Optimization
1377 ============
1379 Within this section, the word :arc-term:`function` will be used to
1380 refer to any structured unit of code, be it a C function, an
1381 Objective-C method, or a block.
1383 This specification describes ARC as performing specific ``retain`` and
1384 ``release`` operations on retainable object pointers at specific
1385 points during the execution of a program.  These operations make up a
1386 non-contiguous subsequence of the computation history of the program.
1387 The portion of this sequence for a particular retainable object
1388 pointer for which a specific function execution is directly
1389 responsible is the :arc-term:`formal local retain history` of the
1390 object pointer.  The corresponding actual sequence executed is the
1391 `dynamic local retain history`.
1393 However, under certain circumstances, ARC is permitted to re-order and
1394 eliminate operations in a manner which may alter the overall
1395 computation history beyond what is permitted by the general "as if"
1396 rule of C/C++ and the :ref:`restrictions <arc.objects.retains>` on
1397 the implementation of ``retain`` and ``release``.
1399 .. admonition:: Rationale
1401   Specifically, ARC is sometimes permitted to optimize ``release``
1402   operations in ways which might cause an object to be deallocated
1403   before it would otherwise be.  Without this, it would be almost
1404   impossible to eliminate any ``retain``/``release`` pairs.  For
1405   example, consider the following code:
1407   .. code-block:: objc
1409     id x = _ivar;
1410     [x foo];
1412   If we were not permitted in any event to shorten the lifetime of the
1413   object in ``x``, then we would not be able to eliminate this retain
1414   and release unless we could prove that the message send could not
1415   modify ``_ivar`` (or deallocate ``self``).  Since message sends are
1416   opaque to the optimizer, this is not possible, and so ARC's hands
1417   would be almost completely tied.
1419 ARC makes no guarantees about the execution of a computation history
1420 which contains undefined behavior.  In particular, ARC makes no
1421 guarantees in the presence of race conditions.
1423 ARC may assume that any retainable object pointers it receives or
1424 generates are instantaneously valid from that point until a point
1425 which, by the concurrency model of the host language, happens-after
1426 the generation of the pointer and happens-before a release of that
1427 object (possibly via an aliasing pointer or indirectly due to
1428 destruction of a different object).
1430 .. admonition:: Rationale
1432   There is very little point in trying to guarantee correctness in the
1433   presence of race conditions.  ARC does not have a stack-scanning
1434   garbage collector, and guaranteeing the atomicity of every load and
1435   store operation would be prohibitive and preclude a vast amount of
1436   optimization.
1438 ARC may assume that non-ARC code engages in sensible balancing
1439 behavior and does not rely on exact or minimum retain count values
1440 except as guaranteed by ``__strong`` object invariants or +1 transfer
1441 conventions.  For example, if an object is provably double-retained
1442 and double-released, ARC may eliminate the inner retain and release;
1443 it does not need to guard against code which performs an unbalanced
1444 release followed by a "balancing" retain.
1446 .. _arc.optimization.liveness:
1448 Object liveness
1449 ---------------
1451 ARC may not allow a retainable object ``X`` to be deallocated at a
1452 time ``T`` in a computation history if:
1454 * ``X`` is the value stored in a ``__strong`` object ``S`` with
1455   :ref:`precise lifetime semantics <arc.optimization.precise>`, or
1457 * ``X`` is the value stored in a ``__strong`` object ``S`` with
1458   imprecise lifetime semantics and, at some point after ``T`` but
1459   before the next store to ``S``, the computation history features a
1460   load from ``S`` and in some way depends on the value loaded, or
1462 * ``X`` is a value described as being released at the end of the
1463   current full-expression and, at some point after ``T`` but before
1464   the end of the full-expression, the computation history depends
1465   on that value.
1467 .. admonition:: Rationale
1469   The intent of the second rule is to say that objects held in normal
1470   ``__strong`` local variables may be released as soon as the value in
1471   the variable is no longer being used: either the variable stops
1472   being used completely or a new value is stored in the variable.
1474   The intent of the third rule is to say that return values may be
1475   released after they've been used.
1477 A computation history depends on a pointer value ``P`` if it:
1479 * performs a pointer comparison with ``P``,
1480 * loads from ``P``,
1481 * stores to ``P``,
1482 * depends on a pointer value ``Q`` derived via pointer arithmetic
1483   from ``P`` (including an instance-variable or field access), or
1484 * depends on a pointer value ``Q`` loaded from ``P``.
1486 Dependency applies only to values derived directly or indirectly from
1487 a particular expression result and does not occur merely because a
1488 separate pointer value dynamically aliases ``P``.  Furthermore, this
1489 dependency is not carried by values that are stored to objects.
1491 .. admonition:: Rationale
1493   The restrictions on dependency are intended to make this analysis
1494   feasible by an optimizer with only incomplete information about a
1495   program.  Essentially, dependence is carried to "obvious" uses of a
1496   pointer.  Merely passing a pointer argument to a function does not
1497   itself cause dependence, but since generally the optimizer will not
1498   be able to prove that the function doesn't depend on that parameter,
1499   it will be forced to conservatively assume it does.
1501   Dependency propagates to values loaded from a pointer because those
1502   values might be invalidated by deallocating the object.  For
1503   example, given the code ``__strong id x = p->ivar;``, ARC must not
1504   move the release of ``p`` to between the load of ``p->ivar`` and the
1505   retain of that value for storing into ``x``.
1507   Dependency does not propagate through stores of dependent pointer
1508   values because doing so would allow dependency to outlive the
1509   full-expression which produced the original value.  For example, the
1510   address of an instance variable could be written to some global
1511   location and then freely accessed during the lifetime of the local,
1512   or a function could return an inner pointer of an object and store
1513   it to a local.  These cases would be potentially impossible to
1514   reason about and so would basically prevent any optimizations based
1515   on imprecise lifetime.  There are also uncommon enough to make it
1516   reasonable to require the precise-lifetime annotation if someone
1517   really wants to rely on them.
1519   Dependency does propagate through return values of pointer type.
1520   The compelling source of need for this rule is a property accessor
1521   which returns an un-autoreleased result; the calling function must
1522   have the chance to operate on the value, e.g. to retain it, before
1523   ARC releases the original pointer.  Note again, however, that
1524   dependence does not survive a store, so ARC does not guarantee the
1525   continued validity of the return value past the end of the
1526   full-expression.
1528 .. _arc.optimization.object_lifetime:
1530 No object lifetime extension
1531 ----------------------------
1533 If, in the formal computation history of the program, an object ``X``
1534 has been deallocated by the time of an observable side-effect, then
1535 ARC must cause ``X`` to be deallocated by no later than the occurrence
1536 of that side-effect, except as influenced by the re-ordering of the
1537 destruction of objects.
1539 .. admonition:: Rationale
1541   This rule is intended to prohibit ARC from observably extending the
1542   lifetime of a retainable object, other than as specified in this
1543   document.  Together with the rule limiting the transformation of
1544   releases, this rule requires ARC to eliminate retains and release
1545   only in pairs.
1547   ARC's power to reorder the destruction of objects is critical to its
1548   ability to do any optimization, for essentially the same reason that
1549   it must retain the power to decrease the lifetime of an object.
1550   Unfortunately, while it's generally poor style for the destruction
1551   of objects to have arbitrary side-effects, it's certainly possible.
1552   Hence the caveat.
1554 .. _arc.optimization.precise:
1556 Precise lifetime semantics
1557 --------------------------
1559 In general, ARC maintains an invariant that a retainable object pointer held in
1560 a ``__strong`` object will be retained for the full formal lifetime of the
1561 object.  Objects subject to this invariant have :arc-term:`precise lifetime
1562 semantics`.
1564 By default, local variables of automatic storage duration do not have precise
1565 lifetime semantics.  Such objects are simply strong references which hold
1566 values of retainable object pointer type, and these values are still fully
1567 subject to the optimizations on values under local control.
1569 .. admonition:: Rationale
1571   Applying these precise-lifetime semantics strictly would be prohibitive.
1572   Many useful optimizations that might theoretically decrease the lifetime of
1573   an object would be rendered impossible.  Essentially, it promises too much.
1575 A local variable of retainable object owner type and automatic storage duration
1576 may be annotated with the ``objc_precise_lifetime`` attribute to indicate that
1577 it should be considered to be an object with precise lifetime semantics.
1579 .. admonition:: Rationale
1581   Nonetheless, it is sometimes useful to be able to force an object to be
1582   released at a precise time, even if that object does not appear to be used.
1583   This is likely to be uncommon enough that the syntactic weight of explicitly
1584   requesting these semantics will not be burdensome, and may even make the code
1585   clearer.
1587 .. _arc.misc:
1589 Miscellaneous
1590 =============
1592 .. _arc.misc.special_methods:
1594 Special methods
1595 ---------------
1597 .. _arc.misc.special_methods.retain:
1599 Memory management methods
1600 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1602 A program is ill-formed if it contains a method definition, message send, or
1603 ``@selector`` expression for any of the following selectors:
1605 * ``autorelease``
1606 * ``release``
1607 * ``retain``
1608 * ``retainCount``
1610 .. admonition:: Rationale
1612   ``retainCount`` is banned because ARC robs it of consistent semantics.  The
1613   others were banned after weighing three options for how to deal with message
1614   sends:
1616   **Honoring** them would work out very poorly if a programmer naively or
1617   accidentally tried to incorporate code written for manual retain/release code
1618   into an ARC program.  At best, such code would do twice as much work as
1619   necessary; quite frequently, however, ARC and the explicit code would both
1620   try to balance the same retain, leading to crashes.  The cost is losing the
1621   ability to perform "unrooted" retains, i.e. retains not logically
1622   corresponding to a strong reference in the object graph.
1624   **Ignoring** them would badly violate user expectations about their code.
1625   While it *would* make it easier to develop code simultaneously for ARC and
1626   non-ARC, there is very little reason to do so except for certain library
1627   developers.  ARC and non-ARC translation units share an execution model and
1628   can seamlessly interoperate.  Within a translation unit, a developer who
1629   faithfully maintains their code in non-ARC mode is suffering all the
1630   restrictions of ARC for zero benefit, while a developer who isn't testing the
1631   non-ARC mode is likely to be unpleasantly surprised if they try to go back to
1632   it.
1634   **Banning** them has the disadvantage of making it very awkward to migrate
1635   existing code to ARC.  The best answer to that, given a number of other
1636   changes and restrictions in ARC, is to provide a specialized tool to assist
1637   users in that migration.
1639   Implementing these methods was banned because they are too integral to the
1640   semantics of ARC; many tricks which worked tolerably under manual reference
1641   counting will misbehave if ARC performs an ephemeral extra retain or two.  If
1642   absolutely required, it is still possible to implement them in non-ARC code,
1643   for example in a category; the implementations must obey the :ref:`semantics
1644   <arc.objects.retains>` laid out elsewhere in this document.
1646 .. _arc.misc.special_methods.dealloc:
1648 ``dealloc``
1649 ^^^^^^^^^^^
1651 A program is ill-formed if it contains a message send or ``@selector``
1652 expression for the selector ``dealloc``.
1654 .. admonition:: Rationale
1656   There are no legitimate reasons to call ``dealloc`` directly.
1658 A class may provide a method definition for an instance method named
1659 ``dealloc``.  This method will be called after the final ``release`` of the
1660 object but before it is deallocated or any of its instance variables are
1661 destroyed.  The superclass's implementation of ``dealloc`` will be called
1662 automatically when the method returns.
1664 .. admonition:: Rationale
1666   Even though ARC destroys instance variables automatically, there are still
1667   legitimate reasons to write a ``dealloc`` method, such as freeing
1668   non-retainable resources.  Failing to call ``[super dealloc]`` in such a
1669   method is nearly always a bug.  Sometimes, the object is simply trying to
1670   prevent itself from being destroyed, but ``dealloc`` is really far too late
1671   for the object to be raising such objections.  Somewhat more legitimately, an
1672   object may have been pool-allocated and should not be deallocated with
1673   ``free``; for now, this can only be supported with a ``dealloc``
1674   implementation outside of ARC.  Such an implementation must be very careful
1675   to do all the other work that ``NSObject``'s ``dealloc`` would, which is
1676   outside the scope of this document to describe.
1678 The instance variables for an ARC-compiled class will be destroyed at some
1679 point after control enters the ``dealloc`` method for the root class of the
1680 class.  The ordering of the destruction of instance variables is unspecified,
1681 both within a single class and between subclasses and superclasses.
1683 .. admonition:: Rationale
1685   The traditional, non-ARC pattern for destroying instance variables is to
1686   destroy them immediately before calling ``[super dealloc]``.  Unfortunately,
1687   message sends from the superclass are quite capable of reaching methods in
1688   the subclass, and those methods may well read or write to those instance
1689   variables.  Making such message sends from dealloc is generally discouraged,
1690   since the subclass may well rely on other invariants that were broken during
1691   ``dealloc``, but it's not so inescapably dangerous that we felt comfortable
1692   calling it undefined behavior.  Therefore we chose to delay destroying the
1693   instance variables to a point at which message sends are clearly disallowed:
1694   the point at which the root class's deallocation routines take over.
1696   In most code, the difference is not observable.  It can, however, be observed
1697   if an instance variable holds a strong reference to an object whose
1698   deallocation will trigger a side-effect which must be carefully ordered with
1699   respect to the destruction of the super class.  Such code violates the design
1700   principle that semantically important behavior should be explicit.  A simple
1701   fix is to clear the instance variable manually during ``dealloc``; a more
1702   holistic solution is to move semantically important side-effects out of
1703   ``dealloc`` and into a separate teardown phase which can rely on working with
1704   well-formed objects.
1706 .. _arc.misc.autoreleasepool:
1708 ``@autoreleasepool``
1709 --------------------
1711 To simplify the use of autorelease pools, and to bring them under the control
1712 of the compiler, a new kind of statement is available in Objective-C.  It is
1713 written ``@autoreleasepool`` followed by a *compound-statement*, i.e.  by a new
1714 scope delimited by curly braces.  Upon entry to this block, the current state
1715 of the autorelease pool is captured.  When the block is exited normally,
1716 whether by fallthrough or directed control flow (such as ``return`` or
1717 ``break``), the autorelease pool is restored to the saved state, releasing all
1718 the objects in it.  When the block is exited with an exception, the pool is not
1719 drained.
1721 ``@autoreleasepool`` may be used in non-ARC translation units, with equivalent
1722 semantics.
1724 A program is ill-formed if it refers to the ``NSAutoreleasePool`` class.
1726 .. admonition:: Rationale
1728   Autorelease pools are clearly important for the compiler to reason about, but
1729   it is far too much to expect the compiler to accurately reason about control
1730   dependencies between two calls.  It is also very easy to accidentally forget
1731   to drain an autorelease pool when using the manual API, and this can
1732   significantly inflate the process's high-water-mark.  The introduction of a
1733   new scope is unfortunate but basically required for sane interaction with the
1734   rest of the language.  Not draining the pool during an unwind is apparently
1735   required by the Objective-C exceptions implementation.
1737 .. _arc.misc.externally_retained:
1739 Externally-Retained Variables
1740 -----------------------------
1742 In some situations, variables with strong ownership are considered
1743 externally-retained by the implementation. This means that the variable is
1744 retained elsewhere, and therefore the implementation can elide retaining and
1745 releasing its value. Such a variable is implicitly ``const`` for safety. In
1746 contrast with ``__unsafe_unretained``, an externally-retained variable still
1747 behaves as a strong variable outside of initialization and destruction. For
1748 instance, when an externally-retained variable is captured in a block the value
1749 of the variable is retained and released on block capture and destruction. It
1750 also affects C++ features such as lambda capture, ``decltype``, and template
1751 argument deduction.
1753 Implicitly, the implementation assumes that the :ref:`self parameter in a
1754 non-init method <arc.misc.self>` and the :ref:`variable in a for-in loop
1755 <arc.misc.enumeration>` are externally-retained.
1757 Externally-retained semantics can also be opted into with the
1758 ``objc_externally_retained`` attribute. This attribute can apply to strong local
1759 variables, functions, methods, or blocks:
1761 .. code-block:: objc
1763   @class WobbleAmount;
1765   @interface Widget : NSObject
1766   -(void)wobble:(WobbleAmount *)amount;
1767   @end
1769   @implementation Widget
1771   -(void)wobble:(WobbleAmount *)amount
1772            __attribute__((objc_externally_retained)) {
1773     // 'amount' and 'alias' aren't retained on entry, nor released on exit.
1774     __attribute__((objc_externally_retained)) WobbleAmount *alias = amount;
1775   }
1776   @end
1778 Annotating a function with this attribute makes every parameter with strong
1779 retainable object pointer type externally-retained, unless the variable was
1780 explicitly qualified with ``__strong``. For instance, ``first_param`` is
1781 externally-retained (and therefore ``const``) below, but not ``second_param``:
1783 .. code-block:: objc
1785   __attribute__((objc_externally_retained))
1786   void f(NSArray *first_param, __strong NSArray *second_param) {
1787     // ...
1788   }
1790 You can test if your compiler has support for ``objc_externally_retained`` with
1791 ``__has_attribute``:
1793 .. code-block:: objc
1795   #if __has_attribute(objc_externally_retained)
1796   // Use externally retained...
1797   #endif
1799 .. _arc.misc.self:
1801 ``self``
1802 --------
1804 The ``self`` parameter variable of an non-init Objective-C method is considered
1805 :ref:`externally-retained <arc.misc.externally_retained>` by the implementation.
1806 It is undefined behavior, or at least dangerous, to cause an object to be
1807 deallocated during a message send to that object.  In an init method, ``self``
1808 follows the :ref:``init family rules <arc.family.semantics.init>``.
1810 .. admonition:: Rationale
1812   The cost of retaining ``self`` in all methods was found to be prohibitive, as
1813   it tends to be live across calls, preventing the optimizer from proving that
1814   the retain and release are unnecessary --- for good reason, as it's quite
1815   possible in theory to cause an object to be deallocated during its execution
1816   without this retain and release.  Since it's extremely uncommon to actually
1817   do so, even unintentionally, and since there's no natural way for the
1818   programmer to remove this retain/release pair otherwise (as there is for
1819   other parameters by, say, making the variable ``objc_externally_retained`` or
1820   qualifying it with ``__unsafe_unretained``), we chose to make this optimizing
1821   assumption and shift some amount of risk to the user.
1823 .. _arc.misc.enumeration:
1825 Fast enumeration iteration variables
1826 ------------------------------------
1828 If a variable is declared in the condition of an Objective-C fast enumeration
1829 loop, and the variable has no explicit ownership qualifier, then it is
1830 implicitly :ref:`externally-retained <arc.misc.externally_retained>` so that
1831 objects encountered during the enumeration are not actually retained and
1832 released.
1834 .. admonition:: Rationale
1836   This is an optimization made possible because fast enumeration loops promise
1837   to keep the objects retained during enumeration, and the collection itself
1838   cannot be synchronously modified.  It can be overridden by explicitly
1839   qualifying the variable with ``__strong``, which will make the variable
1840   mutable again and cause the loop to retain the objects it encounters.
1842 .. _arc.misc.blocks:
1844 Blocks
1845 ------
1847 The implicit ``const`` capture variables created when evaluating a block
1848 literal expression have the same ownership semantics as the local variables
1849 they capture.  The capture is performed by reading from the captured variable
1850 and initializing the capture variable with that value; the capture variable is
1851 destroyed when the block literal is, i.e. at the end of the enclosing scope.
1853 The :ref:`inference <arc.ownership.inference>` rules apply equally to
1854 ``__block`` variables, which is a shift in semantics from non-ARC, where
1855 ``__block`` variables did not implicitly retain during capture.
1857 ``__block`` variables of retainable object owner type are moved off the stack
1858 by initializing the heap copy with the result of moving from the stack copy.
1860 With the exception of retains done as part of initializing a ``__strong``
1861 parameter variable or reading a ``__weak`` variable, whenever these semantics
1862 call for retaining a value of block-pointer type, it has the effect of a
1863 ``Block_copy``.  The optimizer may remove such copies when it sees that the
1864 result is used only as an argument to a call.
1866 When a block pointer type is converted to a non-block pointer type (such as
1867 ``id``), ``Block_copy`` is called. This is necessary because a block allocated
1868 on the stack won't get copied to the heap when the non-block pointer escapes.
1869 A block pointer is implicitly converted to ``id`` when it is passed to a
1870 function as a variadic argument.
1872 .. _arc.misc.exceptions:
1874 Exceptions
1875 ----------
1877 By default in Objective C, ARC is not exception-safe for normal releases:
1879 * It does not end the lifetime of ``__strong`` variables when their scopes are
1880   abnormally terminated by an exception.
1881 * It does not perform releases which would occur at the end of a
1882   full-expression if that full-expression throws an exception.
1884 A program may be compiled with the option ``-fobjc-arc-exceptions`` in order to
1885 enable these, or with the option ``-fno-objc-arc-exceptions`` to explicitly
1886 disable them, with the last such argument "winning".
1888 .. admonition:: Rationale
1890   The standard Cocoa convention is that exceptions signal programmer error and
1891   are not intended to be recovered from.  Making code exceptions-safe by
1892   default would impose severe runtime and code size penalties on code that
1893   typically does not actually care about exceptions safety.  Therefore,
1894   ARC-generated code leaks by default on exceptions, which is just fine if the
1895   process is going to be immediately terminated anyway.  Programs which do care
1896   about recovering from exceptions should enable the option.
1898 In Objective-C++, ``-fobjc-arc-exceptions`` is enabled by default.
1900 .. admonition:: Rationale
1902   C++ already introduces pervasive exceptions-cleanup code of the sort that ARC
1903   introduces.  C++ programmers who have not already disabled exceptions are
1904   much more likely to actual require exception-safety.
1906 ARC does end the lifetimes of ``__weak`` objects when an exception terminates
1907 their scope unless exceptions are disabled in the compiler.
1909 .. admonition:: Rationale
1911   The consequence of a local ``__weak`` object not being destroyed is very
1912   likely to be corruption of the Objective-C runtime, so we want to be safer
1913   here.  Of course, potentially massive leaks are about as likely to take down
1914   the process as this corruption is if the program does try to recover from
1915   exceptions.
1917 .. _arc.misc.interior:
1919 Interior pointers
1920 -----------------
1922 An Objective-C method returning a non-retainable pointer may be annotated with
1923 the ``objc_returns_inner_pointer`` attribute to indicate that it returns a
1924 handle to the internal data of an object, and that this reference will be
1925 invalidated if the object is destroyed.  When such a message is sent to an
1926 object, the object's lifetime will be extended until at least the earliest of:
1928 * the last use of the returned pointer, or any pointer derived from it, in the
1929   calling function or
1930 * the autorelease pool is restored to a previous state.
1932 .. admonition:: Rationale
1934   Rationale: not all memory and resources are managed with reference counts; it
1935   is common for objects to manage private resources in their own, private way.
1936   Typically these resources are completely encapsulated within the object, but
1937   some classes offer their users direct access for efficiency.  If ARC is not
1938   aware of methods that return such "interior" pointers, its optimizations can
1939   cause the owning object to be reclaimed too soon.  This attribute informs ARC
1940   that it must tread lightly.
1942   The extension rules are somewhat intentionally vague.  The autorelease pool
1943   limit is there to permit a simple implementation to simply retain and
1944   autorelease the receiver.  The other limit permits some amount of
1945   optimization.  The phrase "derived from" is intended to encompass the results
1946   both of pointer transformations, such as casts and arithmetic, and of loading
1947   from such derived pointers; furthermore, it applies whether or not such
1948   derivations are applied directly in the calling code or by other utility code
1949   (for example, the C library routine ``strchr``).  However, the implementation
1950   never need account for uses after a return from the code which calls the
1951   method returning an interior pointer.
1953 As an exception, no extension is required if the receiver is loaded directly
1954 from a ``__strong`` object with :ref:`precise lifetime semantics
1955 <arc.optimization.precise>`.
1957 .. admonition:: Rationale
1959   Implicit autoreleases carry the risk of significantly inflating memory use,
1960   so it's important to provide users a way of avoiding these autoreleases.
1961   Tying this to precise lifetime semantics is ideal, as for local variables
1962   this requires a very explicit annotation, which allows ARC to trust the user
1963   with good cheer.
1965 .. _arc.misc.c-retainable:
1967 C retainable pointer types
1968 --------------------------
1970 A type is a :arc-term:`C retainable pointer type` if it is a pointer to
1971 (possibly qualified) ``void`` or a pointer to a (possibly qualifier) ``struct``
1972 or ``class`` type.
1974 .. admonition:: Rationale
1976   ARC does not manage pointers of CoreFoundation type (or any of the related
1977   families of retainable C pointers which interoperate with Objective-C for
1978   retain/release operation).  In fact, ARC does not even know how to
1979   distinguish these types from arbitrary C pointer types.  The intent of this
1980   concept is to filter out some obviously non-object types while leaving a hook
1981   for later tightening if a means of exhaustively marking CF types is made
1982   available.
1984 .. _arc.misc.c-retainable.audit:
1986 Auditing of C retainable pointer interfaces
1987 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1989 :when-revised:`[beginning Apple 4.0, LLVM 3.1]`
1991 A C function may be marked with the ``cf_audited_transfer`` attribute to
1992 express that, except as otherwise marked with attributes, it obeys the
1993 parameter (consuming vs. non-consuming) and return (retained vs. non-retained)
1994 conventions for a C function of its name, namely:
1996 * A parameter of C retainable pointer type is assumed to not be consumed
1997   unless it is marked with the ``cf_consumed`` attribute, and
1998 * A result of C retainable pointer type is assumed to not be returned retained
1999   unless the function is either marked ``cf_returns_retained`` or it follows
2000   the create/copy naming convention and is not marked
2001   ``cf_returns_not_retained``.
2003 A function obeys the :arc-term:`create/copy` naming convention if its name
2004 contains as a substring:
2006 * either "Create" or "Copy" not followed by a lowercase letter, or
2007 * either "create" or "copy" not followed by a lowercase letter and
2008   not preceded by any letter, whether uppercase or lowercase.
2010 A second attribute, ``cf_unknown_transfer``, signifies that a function's
2011 transfer semantics cannot be accurately captured using any of these
2012 annotations.  A program is ill-formed if it annotates the same function with
2013 both ``cf_audited_transfer`` and ``cf_unknown_transfer``.
2015 A pragma is provided to facilitate the mass annotation of interfaces:
2017 .. code-block:: objc
2019   #pragma clang arc_cf_code_audited begin
2020   ...
2021   #pragma clang arc_cf_code_audited end
2023 All C functions declared within the extent of this pragma are treated as if
2024 annotated with the ``cf_audited_transfer`` attribute unless they otherwise have
2025 the ``cf_unknown_transfer`` attribute.  The pragma is accepted in all language
2026 modes.  A program is ill-formed if it attempts to change files, whether by
2027 including a file or ending the current file, within the extent of this pragma.
2029 It is possible to test for all the features in this section with
2030 ``__has_feature(arc_cf_code_audited)``.
2032 .. admonition:: Rationale
2034   A significant inconvenience in ARC programming is the necessity of
2035   interacting with APIs based around C retainable pointers.  These features are
2036   designed to make it relatively easy for API authors to quickly review and
2037   annotate their interfaces, in turn improving the fidelity of tools such as
2038   the static analyzer and ARC.  The single-file restriction on the pragma is
2039   designed to eliminate the risk of accidentally annotating some other header's
2040   interfaces.
2042 .. _arc.runtime:
2044 Runtime support
2045 ===============
2047 This section describes the interaction between the ARC runtime and the code
2048 generated by the ARC compiler.  This is not part of the ARC language
2049 specification; instead, it is effectively a language-specific ABI supplement,
2050 akin to the "Itanium" generic ABI for C++.
2052 Ownership qualification does not alter the storage requirements for objects,
2053 except that it is undefined behavior if a ``__weak`` object is inadequately
2054 aligned for an object of type ``id``.  The other qualifiers may be used on
2055 explicitly under-aligned memory.
2057 The runtime tracks ``__weak`` objects which holds non-null values.  It is
2058 undefined behavior to direct modify a ``__weak`` object which is being tracked
2059 by the runtime except through an
2060 :ref:`objc_storeWeak <arc.runtime.objc_storeWeak>`,
2061 :ref:`objc_destroyWeak <arc.runtime.objc_destroyWeak>`, or
2062 :ref:`objc_moveWeak <arc.runtime.objc_moveWeak>` call.
2064 The runtime must provide a number of new entrypoints which the compiler may
2065 emit, which are described in the remainder of this section.
2067 .. admonition:: Rationale
2069   Several of these functions are semantically equivalent to a message send; we
2070   emit calls to C functions instead because:
2072   * the machine code to do so is significantly smaller,
2073   * it is much easier to recognize the C functions in the ARC optimizer, and
2074   * a sufficient sophisticated runtime may be able to avoid the message send in
2075     common cases.
2077   Several other of these functions are "fused" operations which can be
2078   described entirely in terms of other operations.  We use the fused operations
2079   primarily as a code-size optimization, although in some cases there is also a
2080   real potential for avoiding redundant operations in the runtime.
2082 .. _arc.runtime.objc_autorelease:
2084 ``id objc_autorelease(id value);``
2085 ----------------------------------
2087 *Precondition:* ``value`` is null or a pointer to a valid object.
2089 If ``value`` is null, this call has no effect.  Otherwise, it adds the object
2090 to the innermost autorelease pool exactly as if the object had been sent the
2091 ``autorelease`` message.
2093 Always returns ``value``.
2095 .. _arc.runtime.objc_autoreleasePoolPop:
2097 ``void objc_autoreleasePoolPop(void *pool);``
2098 ---------------------------------------------
2100 *Precondition:* ``pool`` is the result of a previous call to
2101 :ref:`objc_autoreleasePoolPush <arc.runtime.objc_autoreleasePoolPush>` on the
2102 current thread, where neither ``pool`` nor any enclosing pool have previously
2103 been popped.
2105 Releases all the objects added to the given autorelease pool and any
2106 autorelease pools it encloses, then sets the current autorelease pool to the
2107 pool directly enclosing ``pool``.
2109 .. _arc.runtime.objc_autoreleasePoolPush:
2111 ``void *objc_autoreleasePoolPush(void);``
2112 -----------------------------------------
2114 Creates a new autorelease pool that is enclosed by the current pool, makes that
2115 the current pool, and returns an opaque "handle" to it.
2117 .. admonition:: Rationale
2119   While the interface is described as an explicit hierarchy of pools, the rules
2120   allow the implementation to just keep a stack of objects, using the stack
2121   depth as the opaque pool handle.
2123 .. _arc.runtime.objc_autoreleaseReturnValue:
2125 ``id objc_autoreleaseReturnValue(id value);``
2126 ---------------------------------------------
2128 *Precondition:* ``value`` is null or a pointer to a valid object.
2130 If ``value`` is null, this call has no effect.  Otherwise, it makes a best
2131 effort to hand off ownership of a retain count on the object to a call to
2132 :ref:`objc_retainAutoreleasedReturnValue
2133 <arc.runtime.objc_retainAutoreleasedReturnValue>` for the same object in an
2134 enclosing call frame.  If this is not possible, the object is autoreleased as
2135 above.
2137 Always returns ``value``.
2139 .. _arc.runtime.objc_copyWeak:
2141 ``void objc_copyWeak(id *dest, id *src);``
2142 ------------------------------------------
2144 *Precondition:* ``src`` is a valid pointer which either contains a null pointer
2145 or has been registered as a ``__weak`` object.  ``dest`` is a valid pointer
2146 which has not been registered as a ``__weak`` object.
2148 ``dest`` is initialized to be equivalent to ``src``, potentially registering it
2149 with the runtime.  Equivalent to the following code:
2151 .. code-block:: objc
2153   void objc_copyWeak(id *dest, id *src) {
2154     objc_release(objc_initWeak(dest, objc_loadWeakRetained(src)));
2155   }
2157 Must be atomic with respect to calls to ``objc_storeWeak`` on ``src``.
2159 .. _arc.runtime.objc_destroyWeak:
2161 ``void objc_destroyWeak(id *object);``
2162 --------------------------------------
2164 *Precondition:* ``object`` is a valid pointer which either contains a null
2165 pointer or has been registered as a ``__weak`` object.
2167 ``object`` is unregistered as a weak object, if it ever was.  The current value
2168 of ``object`` is left unspecified; otherwise, equivalent to the following code:
2170 .. code-block:: objc
2172   void objc_destroyWeak(id *object) {
2173     objc_storeWeak(object, nil);
2174   }
2176 Does not need to be atomic with respect to calls to ``objc_storeWeak`` on
2177 ``object``.
2179 .. _arc.runtime.objc_initWeak:
2181 ``id objc_initWeak(id *object, id value);``
2182 -------------------------------------------
2184 *Precondition:* ``object`` is a valid pointer which has not been registered as
2185 a ``__weak`` object.  ``value`` is null or a pointer to a valid object.
2187 If ``value`` is a null pointer or the object to which it points has begun
2188 deallocation, ``object`` is zero-initialized.  Otherwise, ``object`` is
2189 registered as a ``__weak`` object pointing to ``value``.  Equivalent to the
2190 following code:
2192 .. code-block:: objc
2194   id objc_initWeak(id *object, id value) {
2195     *object = nil;
2196     return objc_storeWeak(object, value);
2197   }
2199 Returns the value of ``object`` after the call.
2201 Does not need to be atomic with respect to calls to ``objc_storeWeak`` on
2202 ``object``.
2204 .. _arc.runtime.objc_loadWeak:
2206 ``id objc_loadWeak(id *object);``
2207 ---------------------------------
2209 *Precondition:* ``object`` is a valid pointer which either contains a null
2210 pointer or has been registered as a ``__weak`` object.
2212 If ``object`` is registered as a ``__weak`` object, and the last value stored
2213 into ``object`` has not yet been deallocated or begun deallocation, retains and
2214 autoreleases that value and returns it.  Otherwise returns null.  Equivalent to
2215 the following code:
2217 .. code-block:: objc
2219   id objc_loadWeak(id *object) {
2220     return objc_autorelease(objc_loadWeakRetained(object));
2221   }
2223 Must be atomic with respect to calls to ``objc_storeWeak`` on ``object``.
2225 .. admonition:: Rationale
2227   Loading weak references would be inherently prone to race conditions without
2228   the retain.
2230 .. _arc.runtime.objc_loadWeakRetained:
2232 ``id objc_loadWeakRetained(id *object);``
2233 -----------------------------------------
2235 *Precondition:* ``object`` is a valid pointer which either contains a null
2236 pointer or has been registered as a ``__weak`` object.
2238 If ``object`` is registered as a ``__weak`` object, and the last value stored
2239 into ``object`` has not yet been deallocated or begun deallocation, retains
2240 that value and returns it.  Otherwise returns null.
2242 Must be atomic with respect to calls to ``objc_storeWeak`` on ``object``.
2244 .. _arc.runtime.objc_moveWeak:
2246 ``void objc_moveWeak(id *dest, id *src);``
2247 ------------------------------------------
2249 *Precondition:* ``src`` is a valid pointer which either contains a null pointer
2250 or has been registered as a ``__weak`` object.  ``dest`` is a valid pointer
2251 which has not been registered as a ``__weak`` object.
2253 ``dest`` is initialized to be equivalent to ``src``, potentially registering it
2254 with the runtime.  ``src`` may then be left in its original state, in which
2255 case this call is equivalent to :ref:`objc_copyWeak
2256 <arc.runtime.objc_copyWeak>`, or it may be left as null.
2258 Must be atomic with respect to calls to ``objc_storeWeak`` on ``src``.
2260 .. _arc.runtime.objc_release:
2262 ``void objc_release(id value);``
2263 --------------------------------
2265 *Precondition:* ``value`` is null or a pointer to a valid object.
2267 If ``value`` is null, this call has no effect.  Otherwise, it performs a
2268 release operation exactly as if the object had been sent the ``release``
2269 message.
2271 .. _arc.runtime.objc_retain:
2273 ``id objc_retain(id value);``
2274 -----------------------------
2276 *Precondition:* ``value`` is null or a pointer to a valid object.
2278 If ``value`` is null, this call has no effect.  Otherwise, it performs a retain
2279 operation exactly as if the object had been sent the ``retain`` message.
2281 Always returns ``value``.
2283 .. _arc.runtime.objc_retainAutorelease:
2285 ``id objc_retainAutorelease(id value);``
2286 ----------------------------------------
2288 *Precondition:* ``value`` is null or a pointer to a valid object.
2290 If ``value`` is null, this call has no effect.  Otherwise, it performs a retain
2291 operation followed by an autorelease operation.  Equivalent to the following
2292 code:
2294 .. code-block:: objc
2296   id objc_retainAutorelease(id value) {
2297     return objc_autorelease(objc_retain(value));
2298   }
2300 Always returns ``value``.
2302 .. _arc.runtime.objc_retainAutoreleaseReturnValue:
2304 ``id objc_retainAutoreleaseReturnValue(id value);``
2305 ---------------------------------------------------
2307 *Precondition:* ``value`` is null or a pointer to a valid object.
2309 If ``value`` is null, this call has no effect.  Otherwise, it performs a retain
2310 operation followed by the operation described in
2311 :ref:`objc_autoreleaseReturnValue <arc.runtime.objc_autoreleaseReturnValue>`.
2312 Equivalent to the following code:
2314 .. code-block:: objc
2316   id objc_retainAutoreleaseReturnValue(id value) {
2317     return objc_autoreleaseReturnValue(objc_retain(value));
2318   }
2320 Always returns ``value``.
2322 .. _arc.runtime.objc_retainAutoreleasedReturnValue:
2324 ``id objc_retainAutoreleasedReturnValue(id value);``
2325 ----------------------------------------------------
2327 *Precondition:* ``value`` is null or a pointer to a valid object.
2329 If ``value`` is null, this call has no effect.  Otherwise, it attempts to
2330 accept a hand off of a retain count from a call to
2331 :ref:`objc_autoreleaseReturnValue <arc.runtime.objc_autoreleaseReturnValue>` on
2332 ``value`` in a recently-called function or something it calls.  If that fails,
2333 it performs a retain operation exactly like :ref:`objc_retain
2334 <arc.runtime.objc_retain>`.
2336 Always returns ``value``.
2338 .. _arc.runtime.objc_retainBlock:
2340 ``id objc_retainBlock(id value);``
2341 ----------------------------------
2343 *Precondition:* ``value`` is null or a pointer to a valid block object.
2345 If ``value`` is null, this call has no effect.  Otherwise, if the block pointed
2346 to by ``value`` is still on the stack, it is copied to the heap and the address
2347 of the copy is returned.  Otherwise a retain operation is performed on the
2348 block exactly as if it had been sent the ``retain`` message.
2350 .. _arc.runtime.objc_storeStrong:
2352 ``void objc_storeStrong(id *object, id value);``
2353 ------------------------------------------------
2355 *Precondition:* ``object`` is a valid pointer to a ``__strong`` object which is
2356 adequately aligned for a pointer.  ``value`` is null or a pointer to a valid
2357 object.
2359 Performs the complete sequence for assigning to a ``__strong`` object of
2360 non-block type [*]_.  Equivalent to the following code:
2362 .. code-block:: objc
2364   void objc_storeStrong(id *object, id value) {
2365     id oldValue = *object;
2366     value = [value retain];
2367     *object = value;
2368     [oldValue release];
2369   }
2371 .. [*] This does not imply that a ``__strong`` object of block type is an
2372    invalid argument to this function. Rather it implies that an ``objc_retain``
2373    and not an ``objc_retainBlock`` operation will be emitted if the argument is
2374    a block.
2376 .. _arc.runtime.objc_storeWeak:
2378 ``id objc_storeWeak(id *object, id value);``
2379 --------------------------------------------
2381 *Precondition:* ``object`` is a valid pointer which either contains a null
2382 pointer or has been registered as a ``__weak`` object.  ``value`` is null or a
2383 pointer to a valid object.
2385 If ``value`` is a null pointer or the object to which it points has begun
2386 deallocation, ``object`` is assigned null and unregistered as a ``__weak``
2387 object.  Otherwise, ``object`` is registered as a ``__weak`` object or has its
2388 registration updated to point to ``value``.
2390 Returns the value of ``object`` after the call.