etc/services - sync with NetBSD-8
[minix.git] / external / bsd / llvm / dist / clang / docs / AutomaticReferenceCounting.rst
blob1457b6082d15b13b5be05bd5796181719f78786f
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      * http://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 Mac OS X, 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.
599 An expression is :arc-term:`known retained` if it is an rvalue of :ref:`C
600 retainable pointer type <arc.misc.c-retainable>` and it is:
602 * a message send, and the declared method either has the
603   ``cf_returns_retained`` attribute, or it does not have the
604   ``cf_returns_not_retained`` attribute but it does have a :ref:`selector
605   family <arc.method-families>` that implies a retained result.
607 Furthermore:
609 * a comma expression is classified according to its right-hand side,
610 * a statement expression is classified according to its result expression, if
611   it has one,
612 * an lvalue-to-rvalue conversion applied to an Objective-C property lvalue is
613   classified according to the underlying message send, and
614 * a conditional operator is classified according to its second and third
615   operands, if they agree in classification, or else the other if one is known
616   retain-agnostic.
618 If the cast operand is known retained, the conversion is treated as a
619 ``__bridge_transfer`` cast.  If the cast operand is known unretained or known
620 retain-agnostic, the conversion is treated as a ``__bridge`` cast.
622 .. admonition:: Rationale
624   Bridging casts are annoying.  Absent the ability to completely automate the
625   management of CF objects, however, we are left with relatively poor attempts
626   to reduce the need for a glut of explicit bridges.  Hence these rules.
628   We've so far consciously refrained from implicitly turning retained CF
629   results from function calls into ``__bridge_transfer`` casts.  The worry is
630   that some code patterns  ---  for example, creating a CF value, assigning it
631   to an ObjC-typed local, and then calling ``CFRelease`` when done  ---  are a
632   bit too likely to be accidentally accepted, leading to mysterious behavior.
634 .. _arc.objects.restrictions.conversion-exception-contextual:
636 Conversion from retainable object pointer type in certain contexts
637 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
639 :when-revised:`[beginning Apple 4.0, LLVM 3.1]`
641 If an expression of retainable object pointer type is explicitly cast to a
642 :ref:`C retainable pointer type <arc.misc.c-retainable>`, the program is
643 ill-formed as discussed above unless the result is immediately used:
645 * to initialize a parameter in an Objective-C message send where the parameter
646   is not marked with the ``cf_consumed`` attribute, or
647 * to initialize a parameter in a direct call to an
648   :ref:`audited <arc.misc.c-retainable.audit>` function where the parameter is
649   not marked with the ``cf_consumed`` attribute.
651 .. admonition:: Rationale
653   Consumed parameters are left out because ARC would naturally balance them
654   with a retain, which was judged too treacherous.  This is in part because
655   several of the most common consuming functions are in the ``Release`` family,
656   and it would be quite unfortunate for explicit releases to be silently
657   balanced out in this way.
659 .. _arc.ownership:
661 Ownership qualification
662 =======================
664 This section describes the behavior of *objects* of retainable object pointer
665 type; that is, locations in memory which store retainable object pointers.
667 A type is a :arc-term:`retainable object owner type` if it is a retainable
668 object pointer type or an array type whose element type is a retainable object
669 owner type.
671 An :arc-term:`ownership qualifier` is a type qualifier which applies only to
672 retainable object owner types.  An array type is ownership-qualified according
673 to its element type, and adding an ownership qualifier to an array type so
674 qualifies its element type.
676 A program is ill-formed if it attempts to apply an ownership qualifier to a
677 type which is already ownership-qualified, even if it is the same qualifier.
678 There is a single exception to this rule: an ownership qualifier may be applied
679 to a substituted template type parameter, which overrides the ownership
680 qualifier provided by the template argument.
682 When forming a function type, the result type is adjusted so that any
683 top-level ownership qualifier is deleted.
685 Except as described under the :ref:`inference rules <arc.ownership.inference>`,
686 a program is ill-formed if it attempts to form a pointer or reference type to a
687 retainable object owner type which lacks an ownership qualifier.
689 .. admonition:: Rationale
691   These rules, together with the inference rules, ensure that all objects and
692   lvalues of retainable object pointer type have an ownership qualifier.  The
693   ability to override an ownership qualifier during template substitution is
694   required to counteract the :ref:`inference of __strong for template type
695   arguments <arc.ownership.inference.template.arguments>`.  Ownership qualifiers
696   on return types are dropped because they serve no purpose there except to
697   cause spurious problems with overloading and templates.
699 There are four ownership qualifiers:
701 * ``__autoreleasing``
702 * ``__strong``
703 * ``__unsafe_unretained``
704 * ``__weak``
706 A type is :arc-term:`nontrivially ownership-qualified` if it is qualified with
707 ``__autoreleasing``, ``__strong``, or ``__weak``.
709 .. _arc.ownership.spelling:
711 Spelling
712 --------
714 The names of the ownership qualifiers are reserved for the implementation.  A
715 program may not assume that they are or are not implemented with macros, or
716 what those macros expand to.
718 An ownership qualifier may be written anywhere that any other type qualifier
719 may be written.
721 If an ownership qualifier appears in the *declaration-specifiers*, the
722 following rules apply:
724 * if the type specifier is a retainable object owner type, the qualifier
725   initially applies to that type;
727 * otherwise, if the outermost non-array declarator is a pointer
728   or block pointer declarator, the qualifier initially applies to
729   that type;
731 * otherwise the program is ill-formed.
733 * If the qualifier is so applied at a position in the declaration
734   where the next-innermost declarator is a function declarator, and
735   there is an block declarator within that function declarator, then
736   the qualifier applies instead to that block declarator and this rule
737   is considered afresh beginning from the new position.
739 If an ownership qualifier appears on the declarator name, or on the declared
740 object, it is applied to the innermost pointer or block-pointer type.
742 If an ownership qualifier appears anywhere else in a declarator, it applies to
743 the type there.
745 .. admonition:: Rationale
747   Ownership qualifiers are like ``const`` and ``volatile`` in the sense
748   that they may sensibly apply at multiple distinct positions within a
749   declarator.  However, unlike those qualifiers, there are many
750   situations where they are not meaningful, and so we make an effort
751   to "move" the qualifier to a place where it will be meaningful.  The
752   general goal is to allow the programmer to write, say, ``__strong``
753   before the entire declaration and have it apply in the leftmost
754   sensible place.
756 .. _arc.ownership.spelling.property:
758 Property declarations
759 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
761 A property of retainable object pointer type may have ownership.  If the
762 property's type is ownership-qualified, then the property has that ownership.
763 If the property has one of the following modifiers, then the property has the
764 corresponding ownership.  A property is ill-formed if it has conflicting
765 sources of ownership, or if it has redundant ownership modifiers, or if it has
766 ``__autoreleasing`` ownership.
768 * ``assign`` implies ``__unsafe_unretained`` ownership.
769 * ``copy`` implies ``__strong`` ownership, as well as the usual behavior of
770   copy semantics on the setter.
771 * ``retain`` implies ``__strong`` ownership.
772 * ``strong`` implies ``__strong`` ownership.
773 * ``unsafe_unretained`` implies ``__unsafe_unretained`` ownership.
774 * ``weak`` implies ``__weak`` ownership.
776 With the exception of ``weak``, these modifiers are available in non-ARC
777 modes.
779 A property's specified ownership is preserved in its metadata, but otherwise
780 the meaning is purely conventional unless the property is synthesized.  If a
781 property is synthesized, then the :arc-term:`associated instance variable` is
782 the instance variable which is named, possibly implicitly, by the
783 ``@synthesize`` declaration.  If the associated instance variable already
784 exists, then its ownership qualification must equal the ownership of the
785 property; otherwise, the instance variable is created with that ownership
786 qualification.
788 A property of retainable object pointer type which is synthesized without a
789 source of ownership has the ownership of its associated instance variable, if it
790 already exists; otherwise, :when-revised:`[beginning Apple 3.1, LLVM 3.1]`
791 :revision:`its ownership is implicitly` ``strong``.  Prior to this revision, it
792 was ill-formed to synthesize such a property.
794 .. admonition:: Rationale
796   Using ``strong`` by default is safe and consistent with the generic ARC rule
797   about :ref:`inferring ownership <arc.ownership.inference.variables>`.  It is,
798   unfortunately, inconsistent with the non-ARC rule which states that such
799   properties are implicitly ``assign``.  However, that rule is clearly
800   untenable in ARC, since it leads to default-unsafe code.  The main merit to
801   banning the properties is to avoid confusion with non-ARC practice, which did
802   not ultimately strike us as sufficient to justify requiring extra syntax and
803   (more importantly) forcing novices to understand ownership rules just to
804   declare a property when the default is so reasonable.  Changing the rule away
805   from non-ARC practice was acceptable because we had conservatively banned the
806   synthesis in order to give ourselves exactly this leeway.
808 Applying ``__attribute__((NSObject))`` to a property not of retainable object
809 pointer type has the same behavior it does outside of ARC: it requires the
810 property type to be some sort of pointer and permits the use of modifiers other
811 than ``assign``.  These modifiers only affect the synthesized getter and
812 setter; direct accesses to the ivar (even if synthesized) still have primitive
813 semantics, and the value in the ivar will not be automatically released during
814 deallocation.
816 .. _arc.ownership.semantics:
818 Semantics
819 ---------
821 There are five :arc-term:`managed operations` which may be performed on an
822 object of retainable object pointer type.  Each qualifier specifies different
823 semantics for each of these operations.  It is still undefined behavior to
824 access an object outside of its lifetime.
826 A load or store with "primitive semantics" has the same semantics as the
827 respective operation would have on an ``void*`` lvalue with the same alignment
828 and non-ownership qualification.
830 :arc-term:`Reading` occurs when performing a lvalue-to-rvalue conversion on an
831 object lvalue.
833 * For ``__weak`` objects, the current pointee is retained and then released at
834   the end of the current full-expression.  This must execute atomically with
835   respect to assignments and to the final release of the pointee.
836 * For all other objects, the lvalue is loaded with primitive semantics.
838 :arc-term:`Assignment` occurs when evaluating an assignment operator.  The
839 semantics vary based on the qualification:
841 * For ``__strong`` objects, the new pointee is first retained; second, the
842   lvalue is loaded with primitive semantics; third, the new pointee is stored
843   into the lvalue with primitive semantics; and finally, the old pointee is
844   released.  This is not performed atomically; external synchronization must be
845   used to make this safe in the face of concurrent loads and stores.
846 * For ``__weak`` objects, the lvalue is updated to point to the new pointee,
847   unless the new pointee is an object currently undergoing deallocation, in
848   which case the lvalue is updated to a null pointer.  This must execute
849   atomically with respect to other assignments to the object, to reads from the
850   object, and to the final release of the new pointee.
851 * For ``__unsafe_unretained`` objects, the new pointee is stored into the
852   lvalue using primitive semantics.
853 * For ``__autoreleasing`` objects, the new pointee is retained, autoreleased,
854   and stored into the lvalue using primitive semantics.
856 :arc-term:`Initialization` occurs when an object's lifetime begins, which
857 depends on its storage duration.  Initialization proceeds in two stages:
859 #. First, a null pointer is stored into the lvalue using primitive semantics.
860    This step is skipped if the object is ``__unsafe_unretained``.
861 #. Second, if the object has an initializer, that expression is evaluated and
862    then assigned into the object using the usual assignment semantics.
864 :arc-term:`Destruction` occurs when an object's lifetime ends.  In all cases it
865 is semantically equivalent to assigning a null pointer to the object, with the
866 proviso that of course the object cannot be legally read after the object's
867 lifetime ends.
869 :arc-term:`Moving` occurs in specific situations where an lvalue is "moved
870 from", meaning that its current pointee will be used but the object may be left
871 in a different (but still valid) state.  This arises with ``__block`` variables
872 and rvalue references in C++.  For ``__strong`` lvalues, moving is equivalent
873 to loading the lvalue with primitive semantics, writing a null pointer to it
874 with primitive semantics, and then releasing the result of the load at the end
875 of the current full-expression.  For all other lvalues, moving is equivalent to
876 reading the object.
878 .. _arc.ownership.restrictions:
880 Restrictions
881 ------------
883 .. _arc.ownership.restrictions.weak:
885 Weak-unavailable types
886 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
888 It is explicitly permitted for Objective-C classes to not support ``__weak``
889 references.  It is undefined behavior to perform an operation with weak
890 assignment semantics with a pointer to an Objective-C object whose class does
891 not support ``__weak`` references.
893 .. admonition:: Rationale
895   Historically, it has been possible for a class to provide its own
896   reference-count implementation by overriding ``retain``, ``release``, etc.
897   However, weak references to an object require coordination with its class's
898   reference-count implementation because, among other things, weak loads and
899   stores must be atomic with respect to the final release.  Therefore, existing
900   custom reference-count implementations will generally not support weak
901   references without additional effort.  This is unavoidable without breaking
902   binary compatibility.
904 A class may indicate that it does not support weak references by providing the
905 ``objc_arc_weak_unavailable`` attribute on the class's interface declaration.  A
906 retainable object pointer type is **weak-unavailable** if
907 is a pointer to an (optionally protocol-qualified) Objective-C class ``T`` where
908 ``T`` or one of its superclasses has the ``objc_arc_weak_unavailable``
909 attribute.  A program is ill-formed if it applies the ``__weak`` ownership
910 qualifier to a weak-unavailable type or if the value operand of a weak
911 assignment operation has a weak-unavailable type.
913 .. _arc.ownership.restrictions.autoreleasing:
915 Storage duration of ``__autoreleasing`` objects
916 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
918 A program is ill-formed if it declares an ``__autoreleasing`` object of
919 non-automatic storage duration.  A program is ill-formed if it captures an
920 ``__autoreleasing`` object in a block or, unless by reference, in a C++11
921 lambda.
923 .. admonition:: Rationale
925   Autorelease pools are tied to the current thread and scope by their nature.
926   While it is possible to have temporary objects whose instance variables are
927   filled with autoreleased objects, there is no way that ARC can provide any
928   sort of safety guarantee there.
930 It is undefined behavior if a non-null pointer is assigned to an
931 ``__autoreleasing`` object while an autorelease pool is in scope and then that
932 object is read after the autorelease pool's scope is left.
934 .. _arc.ownership.restrictions.conversion.indirect:
936 Conversion of pointers to ownership-qualified types
937 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
939 A program is ill-formed if an expression of type ``T*`` is converted,
940 explicitly or implicitly, to the type ``U*``, where ``T`` and ``U`` have
941 different ownership qualification, unless:
943 * ``T`` is qualified with ``__strong``, ``__autoreleasing``, or
944   ``__unsafe_unretained``, and ``U`` is qualified with both ``const`` and
945   ``__unsafe_unretained``; or
946 * either ``T`` or ``U`` is ``cv void``, where ``cv`` is an optional sequence
947   of non-ownership qualifiers; or
948 * the conversion is requested with a ``reinterpret_cast`` in Objective-C++; or
949 * the conversion is a well-formed :ref:`pass-by-writeback
950   <arc.ownership.restrictions.pass_by_writeback>`.
952 The analogous rule applies to ``T&`` and ``U&`` in Objective-C++.
954 .. admonition:: Rationale
956   These rules provide a reasonable level of type-safety for indirect pointers,
957   as long as the underlying memory is not deallocated.  The conversion to
958   ``const __unsafe_unretained`` is permitted because the semantics of reads are
959   equivalent across all these ownership semantics, and that's a very useful and
960   common pattern.  The interconversion with ``void*`` is useful for allocating
961   memory or otherwise escaping the type system, but use it carefully.
962   ``reinterpret_cast`` is considered to be an obvious enough sign of taking
963   responsibility for any problems.
965 It is undefined behavior to access an ownership-qualified object through an
966 lvalue of a differently-qualified type, except that any non-``__weak`` object
967 may be read through an ``__unsafe_unretained`` lvalue.
969 It is undefined behavior if a managed operation is performed on a ``__strong``
970 or ``__weak`` object without a guarantee that it contains a primitive zero
971 bit-pattern, or if the storage for such an object is freed or reused without the
972 object being first assigned a null pointer.
974 .. admonition:: Rationale
976   ARC cannot differentiate between an assignment operator which is intended to
977   "initialize" dynamic memory and one which is intended to potentially replace
978   a value.  Therefore the object's pointer must be valid before letting ARC at
979   it.  Similarly, C and Objective-C do not provide any language hooks for
980   destroying objects held in dynamic memory, so it is the programmer's
981   responsibility to avoid leaks (``__strong`` objects) and consistency errors
982   (``__weak`` objects).
984 These requirements are followed automatically in Objective-C++ when creating
985 objects of retainable object owner type with ``new`` or ``new[]`` and destroying
986 them with ``delete``, ``delete[]``, or a pseudo-destructor expression.  Note
987 that arrays of nontrivially-ownership-qualified type are not ABI compatible with
988 non-ARC code because the element type is non-POD: such arrays that are
989 ``new[]``'d in ARC translation units cannot be ``delete[]``'d in non-ARC
990 translation units and vice-versa.
992 .. _arc.ownership.restrictions.pass_by_writeback:
994 Passing to an out parameter by writeback
995 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
997 If the argument passed to a parameter of type ``T __autoreleasing *`` has type
998 ``U oq *``, where ``oq`` is an ownership qualifier, then the argument is a
999 candidate for :arc-term:`pass-by-writeback`` if:
1001 * ``oq`` is ``__strong`` or ``__weak``, and
1002 * it would be legal to initialize a ``T __strong *`` with a ``U __strong *``.
1004 For purposes of overload resolution, an implicit conversion sequence requiring
1005 a pass-by-writeback is always worse than an implicit conversion sequence not
1006 requiring a pass-by-writeback.
1008 The pass-by-writeback is ill-formed if the argument expression does not have a
1009 legal form:
1011 * ``&var``, where ``var`` is a scalar variable of automatic storage duration
1012   with retainable object pointer type
1013 * a conditional expression where the second and third operands are both legal
1014   forms
1015 * a cast whose operand is a legal form
1016 * a null pointer constant
1018 .. admonition:: Rationale
1020   The restriction in the form of the argument serves two purposes.  First, it
1021   makes it impossible to pass the address of an array to the argument, which
1022   serves to protect against an otherwise serious risk of mis-inferring an
1023   "array" argument as an out-parameter.  Second, it makes it much less likely
1024   that the user will see confusing aliasing problems due to the implementation,
1025   below, where their store to the writeback temporary is not immediately seen
1026   in the original argument variable.
1028 A pass-by-writeback is evaluated as follows:
1030 #. The argument is evaluated to yield a pointer ``p`` of type ``U oq *``.
1031 #. If ``p`` is a null pointer, then a null pointer is passed as the argument,
1032    and no further work is required for the pass-by-writeback.
1033 #. Otherwise, a temporary of type ``T __autoreleasing`` is created and
1034    initialized to a null pointer.
1035 #. If the parameter is not an Objective-C method parameter marked ``out``,
1036    then ``*p`` is read, and the result is written into the temporary with
1037    primitive semantics.
1038 #. The address of the temporary is passed as the argument to the actual call.
1039 #. After the call completes, the temporary is loaded with primitive
1040    semantics, and that value is assigned into ``*p``.
1042 .. admonition:: Rationale
1044   This is all admittedly convoluted.  In an ideal world, we would see that a
1045   local variable is being passed to an out-parameter and retroactively modify
1046   its type to be ``__autoreleasing`` rather than ``__strong``.  This would be
1047   remarkably difficult and not always well-founded under the C type system.
1048   However, it was judged unacceptably invasive to require programmers to write
1049   ``__autoreleasing`` on all the variables they intend to use for
1050   out-parameters.  This was the least bad solution.
1052 .. _arc.ownership.restrictions.records:
1054 Ownership-qualified fields of structs and unions
1055 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1057 A program is ill-formed if it declares a member of a C struct or union to have
1058 a nontrivially ownership-qualified type.
1060 .. admonition:: Rationale
1062   The resulting type would be non-POD in the C++ sense, but C does not give us
1063   very good language tools for managing the lifetime of aggregates, so it is
1064   more convenient to simply forbid them.  It is still possible to manage this
1065   with a ``void*`` or an ``__unsafe_unretained`` object.
1067 This restriction does not apply in Objective-C++.  However, nontrivally
1068 ownership-qualified types are considered non-POD: in C++11 terms, they are not
1069 trivially default constructible, copy constructible, move constructible, copy
1070 assignable, move assignable, or destructible.  It is a violation of C++'s One
1071 Definition Rule to use a class outside of ARC that, under ARC, would have a
1072 nontrivially ownership-qualified member.
1074 .. admonition:: Rationale
1076   Unlike in C, we can express all the necessary ARC semantics for
1077   ownership-qualified subobjects as suboperations of the (default) special
1078   member functions for the class.  These functions then become non-trivial.
1079   This has the non-obvious result that the class will have a non-trivial copy
1080   constructor and non-trivial destructor; if this would not normally be true
1081   outside of ARC, objects of the type will be passed and returned in an
1082   ABI-incompatible manner.
1084 .. _arc.ownership.inference:
1086 Ownership inference
1087 -------------------
1089 .. _arc.ownership.inference.variables:
1091 Objects
1092 ^^^^^^^
1094 If an object is declared with retainable object owner type, but without an
1095 explicit ownership qualifier, its type is implicitly adjusted to have
1096 ``__strong`` qualification.
1098 As a special case, if the object's base type is ``Class`` (possibly
1099 protocol-qualified), the type is adjusted to have ``__unsafe_unretained``
1100 qualification instead.
1102 .. _arc.ownership.inference.indirect_parameters:
1104 Indirect parameters
1105 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1107 If a function or method parameter has type ``T*``, where ``T`` is an
1108 ownership-unqualified retainable object pointer type, then:
1110 * if ``T`` is ``const``-qualified or ``Class``, then it is implicitly
1111   qualified with ``__unsafe_unretained``;
1112 * otherwise, it is implicitly qualified with ``__autoreleasing``.
1114 .. admonition:: Rationale
1116   ``__autoreleasing`` exists mostly for this case, the Cocoa convention for
1117   out-parameters.  Since a pointer to ``const`` is obviously not an
1118   out-parameter, we instead use a type more useful for passing arrays.  If the
1119   user instead intends to pass in a *mutable* array, inferring
1120   ``__autoreleasing`` is the wrong thing to do; this directs some of the
1121   caution in the following rules about writeback.
1123 Such a type written anywhere else would be ill-formed by the general rule
1124 requiring ownership qualifiers.
1126 This rule does not apply in Objective-C++ if a parameter's type is dependent in
1127 a template pattern and is only *instantiated* to a type which would be a
1128 pointer to an unqualified retainable object pointer type.  Such code is still
1129 ill-formed.
1131 .. admonition:: Rationale
1133   The convention is very unlikely to be intentional in template code.
1135 .. _arc.ownership.inference.template.arguments:
1137 Template arguments
1138 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1140 If a template argument for a template type parameter is an retainable object
1141 owner type that does not have an explicit ownership qualifier, it is adjusted
1142 to have ``__strong`` qualification.  This adjustment occurs regardless of
1143 whether the template argument was deduced or explicitly specified.
1145 .. admonition:: Rationale
1147   ``__strong`` is a useful default for containers (e.g., ``std::vector<id>``),
1148   which would otherwise require explicit qualification.  Moreover, unqualified
1149   retainable object pointer types are unlikely to be useful within templates,
1150   since they generally need to have a qualifier applied to the before being
1151   used.
1153 .. _arc.method-families:
1155 Method families
1156 ===============
1158 An Objective-C method may fall into a :arc-term:`method family`, which is a
1159 conventional set of behaviors ascribed to it by the Cocoa conventions.
1161 A method is in a certain method family if:
1163 * it has a ``objc_method_family`` attribute placing it in that family; or if
1164   not that,
1165 * it does not have an ``objc_method_family`` attribute placing it in a
1166   different or no family, and
1167 * its selector falls into the corresponding selector family, and
1168 * its signature obeys the added restrictions of the method family.
1170 A selector is in a certain selector family if, ignoring any leading
1171 underscores, the first component of the selector either consists entirely of
1172 the name of the method family or it begins with that name followed by a
1173 character other than a lowercase letter.  For example, ``_perform:with:`` and
1174 ``performWith:`` would fall into the ``perform`` family (if we recognized one),
1175 but ``performing:with`` would not.
1177 The families and their added restrictions are:
1179 * ``alloc`` methods must return a retainable object pointer type.
1180 * ``copy`` methods must return a retainable object pointer type.
1181 * ``mutableCopy`` methods must return a retainable object pointer type.
1182 * ``new`` methods must return a retainable object pointer type.
1183 * ``init`` methods must be instance methods and must return an Objective-C
1184   pointer type.  Additionally, a program is ill-formed if it declares or
1185   contains a call to an ``init`` method whose return type is neither ``id`` nor
1186   a pointer to a super-class or sub-class of the declaring class (if the method
1187   was declared on a class) or the static receiver type of the call (if it was
1188   declared on a protocol).
1190   .. admonition:: Rationale
1192     There are a fair number of existing methods with ``init``-like selectors
1193     which nonetheless don't follow the ``init`` conventions.  Typically these
1194     are either accidental naming collisions or helper methods called during
1195     initialization.  Because of the peculiar retain/release behavior of
1196     ``init`` methods, it's very important not to treat these methods as
1197     ``init`` methods if they aren't meant to be.  It was felt that implicitly
1198     defining these methods out of the family based on the exact relationship
1199     between the return type and the declaring class would be much too subtle
1200     and fragile.  Therefore we identify a small number of legitimate-seeming
1201     return types and call everything else an error.  This serves the secondary
1202     purpose of encouraging programmers not to accidentally give methods names
1203     in the ``init`` family.
1205     Note that a method with an ``init``-family selector which returns a
1206     non-Objective-C type (e.g. ``void``) is perfectly well-formed; it simply
1207     isn't in the ``init`` family.
1209 A program is ill-formed if a method's declarations, implementations, and
1210 overrides do not all have the same method family.
1212 .. _arc.family.attribute:
1214 Explicit method family control
1215 ------------------------------
1217 A method may be annotated with the ``objc_method_family`` attribute to
1218 precisely control which method family it belongs to.  If a method in an
1219 ``@implementation`` does not have this attribute, but there is a method
1220 declared in the corresponding ``@interface`` that does, then the attribute is
1221 copied to the declaration in the ``@implementation``.  The attribute is
1222 available outside of ARC, and may be tested for with the preprocessor query
1223 ``__has_attribute(objc_method_family)``.
1225 The attribute is spelled
1226 ``__attribute__((objc_method_family(`` *family* ``)))``.  If *family* is
1227 ``none``, the method has no family, even if it would otherwise be considered to
1228 have one based on its selector and type.  Otherwise, *family* must be one of
1229 ``alloc``, ``copy``, ``init``, ``mutableCopy``, or ``new``, in which case the
1230 method is considered to belong to the corresponding family regardless of its
1231 selector.  It is an error if a method that is explicitly added to a family in
1232 this way does not meet the requirements of the family other than the selector
1233 naming convention.
1235 .. admonition:: Rationale
1237   The rules codified in this document describe the standard conventions of
1238   Objective-C.  However, as these conventions have not heretofore been enforced
1239   by an unforgiving mechanical system, they are only imperfectly kept,
1240   especially as they haven't always even been precisely defined.  While it is
1241   possible to define low-level ownership semantics with attributes like
1242   ``ns_returns_retained``, this attribute allows the user to communicate
1243   semantic intent, which is of use both to ARC (which, e.g., treats calls to
1244   ``init`` specially) and the static analyzer.
1246 .. _arc.family.semantics:
1248 Semantics of method families
1249 ----------------------------
1251 A method's membership in a method family may imply non-standard semantics for
1252 its parameters and return type.
1254 Methods in the ``alloc``, ``copy``, ``mutableCopy``, and ``new`` families ---
1255 that is, methods in all the currently-defined families except ``init`` ---
1256 implicitly :ref:`return a retained object
1257 <arc.object.operands.retained-return-values>` as if they were annotated with
1258 the ``ns_returns_retained`` attribute.  This can be overridden by annotating
1259 the method with either of the ``ns_returns_autoreleased`` or
1260 ``ns_returns_not_retained`` attributes.
1262 Properties also follow same naming rules as methods.  This means that those in
1263 the ``alloc``, ``copy``, ``mutableCopy``, and ``new`` families provide access
1264 to :ref:`retained objects <arc.object.operands.retained-return-values>`.  This
1265 can be overridden by annotating the property with ``ns_returns_not_retained``
1266 attribute.
1268 .. _arc.family.semantics.init:
1270 Semantics of ``init``
1271 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1273 Methods in the ``init`` family implicitly :ref:`consume
1274 <arc.objects.operands.consumed>` their ``self`` parameter and :ref:`return a
1275 retained object <arc.object.operands.retained-return-values>`.  Neither of
1276 these properties can be altered through attributes.
1278 A call to an ``init`` method with a receiver that is either ``self`` (possibly
1279 parenthesized or casted) or ``super`` is called a :arc-term:`delegate init
1280 call`.  It is an error for a delegate init call to be made except from an
1281 ``init`` method, and excluding blocks within such methods.
1283 As an exception to the :ref:`usual rule <arc.misc.self>`, the variable ``self``
1284 is mutable in an ``init`` method and has the usual semantics for a ``__strong``
1285 variable.  However, it is undefined behavior and the program is ill-formed, no
1286 diagnostic required, if an ``init`` method attempts to use the previous value
1287 of ``self`` after the completion of a delegate init call.  It is conventional,
1288 but not required, for an ``init`` method to return ``self``.
1290 It is undefined behavior for a program to cause two or more calls to ``init``
1291 methods on the same object, except that each ``init`` method invocation may
1292 perform at most one delegate init call.
1294 .. _arc.family.semantics.result_type:
1296 Related result types
1297 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1299 Certain methods are candidates to have :arc-term:`related result types`:
1301 * class methods in the ``alloc`` and ``new`` method families
1302 * instance methods in the ``init`` family
1303 * the instance method ``self``
1304 * outside of ARC, the instance methods ``retain`` and ``autorelease``
1306 If the formal result type of such a method is ``id`` or protocol-qualified
1307 ``id``, or a type equal to the declaring class or a superclass, then it is said
1308 to have a related result type.  In this case, when invoked in an explicit
1309 message send, it is assumed to return a type related to the type of the
1310 receiver:
1312 * if it is a class method, and the receiver is a class name ``T``, the message
1313   send expression has type ``T*``; otherwise
1314 * if it is an instance method, and the receiver has type ``T``, the message
1315   send expression has type ``T``; otherwise
1316 * the message send expression has the normal result type of the method.
1318 This is a new rule of the Objective-C language and applies outside of ARC.
1320 .. admonition:: Rationale
1322   ARC's automatic code emission is more prone than most code to signature
1323   errors, i.e. errors where a call was emitted against one method signature,
1324   but the implementing method has an incompatible signature.  Having more
1325   precise type information helps drastically lower this risk, as well as
1326   catching a number of latent bugs.
1328 .. _arc.optimization:
1330 Optimization
1331 ============
1333 Within this section, the word :arc-term:`function` will be used to
1334 refer to any structured unit of code, be it a C function, an
1335 Objective-C method, or a block.
1337 This specification describes ARC as performing specific ``retain`` and
1338 ``release`` operations on retainable object pointers at specific
1339 points during the execution of a program.  These operations make up a
1340 non-contiguous subsequence of the computation history of the program.
1341 The portion of this sequence for a particular retainable object
1342 pointer for which a specific function execution is directly
1343 responsible is the :arc-term:`formal local retain history` of the
1344 object pointer.  The corresponding actual sequence executed is the
1345 `dynamic local retain history`.
1347 However, under certain circumstances, ARC is permitted to re-order and
1348 eliminate operations in a manner which may alter the overall
1349 computation history beyond what is permitted by the general "as if"
1350 rule of C/C++ and the :ref:`restrictions <arc.objects.retains>` on
1351 the implementation of ``retain`` and ``release``.
1353 .. admonition:: Rationale
1355   Specifically, ARC is sometimes permitted to optimize ``release``
1356   operations in ways which might cause an object to be deallocated
1357   before it would otherwise be.  Without this, it would be almost
1358   impossible to eliminate any ``retain``/``release`` pairs.  For
1359   example, consider the following code:
1361   .. code-block:: objc
1363     id x = _ivar;
1364     [x foo];
1366   If we were not permitted in any event to shorten the lifetime of the
1367   object in ``x``, then we would not be able to eliminate this retain
1368   and release unless we could prove that the message send could not
1369   modify ``_ivar`` (or deallocate ``self``).  Since message sends are
1370   opaque to the optimizer, this is not possible, and so ARC's hands
1371   would be almost completely tied.
1373 ARC makes no guarantees about the execution of a computation history
1374 which contains undefined behavior.  In particular, ARC makes no
1375 guarantees in the presence of race conditions.
1377 ARC may assume that any retainable object pointers it receives or
1378 generates are instantaneously valid from that point until a point
1379 which, by the concurrency model of the host language, happens-after
1380 the generation of the pointer and happens-before a release of that
1381 object (possibly via an aliasing pointer or indirectly due to
1382 destruction of a different object).
1384 .. admonition:: Rationale
1386   There is very little point in trying to guarantee correctness in the
1387   presence of race conditions.  ARC does not have a stack-scanning
1388   garbage collector, and guaranteeing the atomicity of every load and
1389   store operation would be prohibitive and preclude a vast amount of
1390   optimization.
1392 ARC may assume that non-ARC code engages in sensible balancing
1393 behavior and does not rely on exact or minimum retain count values
1394 except as guaranteed by ``__strong`` object invariants or +1 transfer
1395 conventions.  For example, if an object is provably double-retained
1396 and double-released, ARC may eliminate the inner retain and release;
1397 it does not need to guard against code which performs an unbalanced
1398 release followed by a "balancing" retain.
1400 .. _arc.optimization.liveness:
1402 Object liveness
1403 ---------------
1405 ARC may not allow a retainable object ``X`` to be deallocated at a
1406 time ``T`` in a computation history if:
1408 * ``X`` is the value stored in a ``__strong`` object ``S`` with
1409   :ref:`precise lifetime semantics <arc.optimization.precise>`, or
1411 * ``X`` is the value stored in a ``__strong`` object ``S`` with
1412   imprecise lifetime semantics and, at some point after ``T`` but
1413   before the next store to ``S``, the computation history features a
1414   load from ``S`` and in some way depends on the value loaded, or
1416 * ``X`` is a value described as being released at the end of the
1417   current full-expression and, at some point after ``T`` but before
1418   the end of the full-expression, the computation history depends
1419   on that value.
1421 .. admonition:: Rationale
1423   The intent of the second rule is to say that objects held in normal
1424   ``__strong`` local variables may be released as soon as the value in
1425   the variable is no longer being used: either the variable stops
1426   being used completely or a new value is stored in the variable.
1428   The intent of the third rule is to say that return values may be
1429   released after they've been used.
1431 A computation history depends on a pointer value ``P`` if it:
1433 * performs a pointer comparison with ``P``,
1434 * loads from ``P``,
1435 * stores to ``P``,
1436 * depends on a pointer value ``Q`` derived via pointer arithmetic
1437   from ``P`` (including an instance-variable or field access), or
1438 * depends on a pointer value ``Q`` loaded from ``P``.
1440 Dependency applies only to values derived directly or indirectly from
1441 a particular expression result and does not occur merely because a
1442 separate pointer value dynamically aliases ``P``.  Furthermore, this
1443 dependency is not carried by values that are stored to objects.
1445 .. admonition:: Rationale
1447   The restrictions on dependency are intended to make this analysis
1448   feasible by an optimizer with only incomplete information about a
1449   program.  Essentially, dependence is carried to "obvious" uses of a
1450   pointer.  Merely passing a pointer argument to a function does not
1451   itself cause dependence, but since generally the optimizer will not
1452   be able to prove that the function doesn't depend on that parameter,
1453   it will be forced to conservatively assume it does.
1455   Dependency propagates to values loaded from a pointer because those
1456   values might be invalidated by deallocating the object.  For
1457   example, given the code ``__strong id x = p->ivar;``, ARC must not
1458   move the release of ``p`` to between the load of ``p->ivar`` and the
1459   retain of that value for storing into ``x``.
1461   Dependency does not propagate through stores of dependent pointer
1462   values because doing so would allow dependency to outlive the
1463   full-expression which produced the original value.  For example, the
1464   address of an instance variable could be written to some global
1465   location and then freely accessed during the lifetime of the local,
1466   or a function could return an inner pointer of an object and store
1467   it to a local.  These cases would be potentially impossible to
1468   reason about and so would basically prevent any optimizations based
1469   on imprecise lifetime.  There are also uncommon enough to make it
1470   reasonable to require the precise-lifetime annotation if someone
1471   really wants to rely on them.
1473   Dependency does propagate through return values of pointer type.
1474   The compelling source of need for this rule is a property accessor
1475   which returns an un-autoreleased result; the calling function must
1476   have the chance to operate on the value, e.g. to retain it, before
1477   ARC releases the original pointer.  Note again, however, that
1478   dependence does not survive a store, so ARC does not guarantee the
1479   continued validity of the return value past the end of the
1480   full-expression.
1482 .. _arc.optimization.object_lifetime:
1484 No object lifetime extension
1485 ----------------------------
1487 If, in the formal computation history of the program, an object ``X``
1488 has been deallocated by the time of an observable side-effect, then
1489 ARC must cause ``X`` to be deallocated by no later than the occurrence
1490 of that side-effect, except as influenced by the re-ordering of the
1491 destruction of objects.
1493 .. admonition:: Rationale
1495   This rule is intended to prohibit ARC from observably extending the
1496   lifetime of a retainable object, other than as specified in this
1497   document.  Together with the rule limiting the transformation of
1498   releases, this rule requires ARC to eliminate retains and release
1499   only in pairs.
1501   ARC's power to reorder the destruction of objects is critical to its
1502   ability to do any optimization, for essentially the same reason that
1503   it must retain the power to decrease the lifetime of an object.
1504   Unfortunately, while it's generally poor style for the destruction
1505   of objects to have arbitrary side-effects, it's certainly possible.
1506   Hence the caveat.
1508 .. _arc.optimization.precise:
1510 Precise lifetime semantics
1511 --------------------------
1513 In general, ARC maintains an invariant that a retainable object pointer held in
1514 a ``__strong`` object will be retained for the full formal lifetime of the
1515 object.  Objects subject to this invariant have :arc-term:`precise lifetime
1516 semantics`.
1518 By default, local variables of automatic storage duration do not have precise
1519 lifetime semantics.  Such objects are simply strong references which hold
1520 values of retainable object pointer type, and these values are still fully
1521 subject to the optimizations on values under local control.
1523 .. admonition:: Rationale
1525   Applying these precise-lifetime semantics strictly would be prohibitive.
1526   Many useful optimizations that might theoretically decrease the lifetime of
1527   an object would be rendered impossible.  Essentially, it promises too much.
1529 A local variable of retainable object owner type and automatic storage duration
1530 may be annotated with the ``objc_precise_lifetime`` attribute to indicate that
1531 it should be considered to be an object with precise lifetime semantics.
1533 .. admonition:: Rationale
1535   Nonetheless, it is sometimes useful to be able to force an object to be
1536   released at a precise time, even if that object does not appear to be used.
1537   This is likely to be uncommon enough that the syntactic weight of explicitly
1538   requesting these semantics will not be burdensome, and may even make the code
1539   clearer.
1541 .. _arc.misc:
1543 Miscellaneous
1544 =============
1546 .. _arc.misc.special_methods:
1548 Special methods
1549 ---------------
1551 .. _arc.misc.special_methods.retain:
1553 Memory management methods
1554 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1556 A program is ill-formed if it contains a method definition, message send, or
1557 ``@selector`` expression for any of the following selectors:
1559 * ``autorelease``
1560 * ``release``
1561 * ``retain``
1562 * ``retainCount``
1564 .. admonition:: Rationale
1566   ``retainCount`` is banned because ARC robs it of consistent semantics.  The
1567   others were banned after weighing three options for how to deal with message
1568   sends:
1570   **Honoring** them would work out very poorly if a programmer naively or
1571   accidentally tried to incorporate code written for manual retain/release code
1572   into an ARC program.  At best, such code would do twice as much work as
1573   necessary; quite frequently, however, ARC and the explicit code would both
1574   try to balance the same retain, leading to crashes.  The cost is losing the
1575   ability to perform "unrooted" retains, i.e. retains not logically
1576   corresponding to a strong reference in the object graph.
1578   **Ignoring** them would badly violate user expectations about their code.
1579   While it *would* make it easier to develop code simultaneously for ARC and
1580   non-ARC, there is very little reason to do so except for certain library
1581   developers.  ARC and non-ARC translation units share an execution model and
1582   can seamlessly interoperate.  Within a translation unit, a developer who
1583   faithfully maintains their code in non-ARC mode is suffering all the
1584   restrictions of ARC for zero benefit, while a developer who isn't testing the
1585   non-ARC mode is likely to be unpleasantly surprised if they try to go back to
1586   it.
1588   **Banning** them has the disadvantage of making it very awkward to migrate
1589   existing code to ARC.  The best answer to that, given a number of other
1590   changes and restrictions in ARC, is to provide a specialized tool to assist
1591   users in that migration.
1593   Implementing these methods was banned because they are too integral to the
1594   semantics of ARC; many tricks which worked tolerably under manual reference
1595   counting will misbehave if ARC performs an ephemeral extra retain or two.  If
1596   absolutely required, it is still possible to implement them in non-ARC code,
1597   for example in a category; the implementations must obey the :ref:`semantics
1598   <arc.objects.retains>` laid out elsewhere in this document.
1600 .. _arc.misc.special_methods.dealloc:
1602 ``dealloc``
1603 ^^^^^^^^^^^
1605 A program is ill-formed if it contains a message send or ``@selector``
1606 expression for the selector ``dealloc``.
1608 .. admonition:: Rationale
1610   There are no legitimate reasons to call ``dealloc`` directly.
1612 A class may provide a method definition for an instance method named
1613 ``dealloc``.  This method will be called after the final ``release`` of the
1614 object but before it is deallocated or any of its instance variables are
1615 destroyed.  The superclass's implementation of ``dealloc`` will be called
1616 automatically when the method returns.
1618 .. admonition:: Rationale
1620   Even though ARC destroys instance variables automatically, there are still
1621   legitimate reasons to write a ``dealloc`` method, such as freeing
1622   non-retainable resources.  Failing to call ``[super dealloc]`` in such a
1623   method is nearly always a bug.  Sometimes, the object is simply trying to
1624   prevent itself from being destroyed, but ``dealloc`` is really far too late
1625   for the object to be raising such objections.  Somewhat more legitimately, an
1626   object may have been pool-allocated and should not be deallocated with
1627   ``free``; for now, this can only be supported with a ``dealloc``
1628   implementation outside of ARC.  Such an implementation must be very careful
1629   to do all the other work that ``NSObject``'s ``dealloc`` would, which is
1630   outside the scope of this document to describe.
1632 The instance variables for an ARC-compiled class will be destroyed at some
1633 point after control enters the ``dealloc`` method for the root class of the
1634 class.  The ordering of the destruction of instance variables is unspecified,
1635 both within a single class and between subclasses and superclasses.
1637 .. admonition:: Rationale
1639   The traditional, non-ARC pattern for destroying instance variables is to
1640   destroy them immediately before calling ``[super dealloc]``.  Unfortunately,
1641   message sends from the superclass are quite capable of reaching methods in
1642   the subclass, and those methods may well read or write to those instance
1643   variables.  Making such message sends from dealloc is generally discouraged,
1644   since the subclass may well rely on other invariants that were broken during
1645   ``dealloc``, but it's not so inescapably dangerous that we felt comfortable
1646   calling it undefined behavior.  Therefore we chose to delay destroying the
1647   instance variables to a point at which message sends are clearly disallowed:
1648   the point at which the root class's deallocation routines take over.
1650   In most code, the difference is not observable.  It can, however, be observed
1651   if an instance variable holds a strong reference to an object whose
1652   deallocation will trigger a side-effect which must be carefully ordered with
1653   respect to the destruction of the super class.  Such code violates the design
1654   principle that semantically important behavior should be explicit.  A simple
1655   fix is to clear the instance variable manually during ``dealloc``; a more
1656   holistic solution is to move semantically important side-effects out of
1657   ``dealloc`` and into a separate teardown phase which can rely on working with
1658   well-formed objects.
1660 .. _arc.misc.autoreleasepool:
1662 ``@autoreleasepool``
1663 --------------------
1665 To simplify the use of autorelease pools, and to bring them under the control
1666 of the compiler, a new kind of statement is available in Objective-C.  It is
1667 written ``@autoreleasepool`` followed by a *compound-statement*, i.e.  by a new
1668 scope delimited by curly braces.  Upon entry to this block, the current state
1669 of the autorelease pool is captured.  When the block is exited normally,
1670 whether by fallthrough or directed control flow (such as ``return`` or
1671 ``break``), the autorelease pool is restored to the saved state, releasing all
1672 the objects in it.  When the block is exited with an exception, the pool is not
1673 drained.
1675 ``@autoreleasepool`` may be used in non-ARC translation units, with equivalent
1676 semantics.
1678 A program is ill-formed if it refers to the ``NSAutoreleasePool`` class.
1680 .. admonition:: Rationale
1682   Autorelease pools are clearly important for the compiler to reason about, but
1683   it is far too much to expect the compiler to accurately reason about control
1684   dependencies between two calls.  It is also very easy to accidentally forget
1685   to drain an autorelease pool when using the manual API, and this can
1686   significantly inflate the process's high-water-mark.  The introduction of a
1687   new scope is unfortunate but basically required for sane interaction with the
1688   rest of the language.  Not draining the pool during an unwind is apparently
1689   required by the Objective-C exceptions implementation.
1691 .. _arc.misc.self:
1693 ``self``
1694 --------
1696 The ``self`` parameter variable of an Objective-C method is never actually
1697 retained by the implementation.  It is undefined behavior, or at least
1698 dangerous, to cause an object to be deallocated during a message send to that
1699 object.
1701 To make this safe, for Objective-C instance methods ``self`` is implicitly
1702 ``const`` unless the method is in the :ref:`init family
1703 <arc.family.semantics.init>`.  Further, ``self`` is **always** implicitly
1704 ``const`` within a class method.
1706 .. admonition:: Rationale
1708   The cost of retaining ``self`` in all methods was found to be prohibitive, as
1709   it tends to be live across calls, preventing the optimizer from proving that
1710   the retain and release are unnecessary --- for good reason, as it's quite
1711   possible in theory to cause an object to be deallocated during its execution
1712   without this retain and release.  Since it's extremely uncommon to actually
1713   do so, even unintentionally, and since there's no natural way for the
1714   programmer to remove this retain/release pair otherwise (as there is for
1715   other parameters by, say, making the variable ``__unsafe_unretained``), we
1716   chose to make this optimizing assumption and shift some amount of risk to the
1717   user.
1719 .. _arc.misc.enumeration:
1721 Fast enumeration iteration variables
1722 ------------------------------------
1724 If a variable is declared in the condition of an Objective-C fast enumeration
1725 loop, and the variable has no explicit ownership qualifier, then it is
1726 qualified with ``const __strong`` and objects encountered during the
1727 enumeration are not actually retained.
1729 .. admonition:: Rationale
1731   This is an optimization made possible because fast enumeration loops promise
1732   to keep the objects retained during enumeration, and the collection itself
1733   cannot be synchronously modified.  It can be overridden by explicitly
1734   qualifying the variable with ``__strong``, which will make the variable
1735   mutable again and cause the loop to retain the objects it encounters.
1737 .. _arc.misc.blocks:
1739 Blocks
1740 ------
1742 The implicit ``const`` capture variables created when evaluating a block
1743 literal expression have the same ownership semantics as the local variables
1744 they capture.  The capture is performed by reading from the captured variable
1745 and initializing the capture variable with that value; the capture variable is
1746 destroyed when the block literal is, i.e. at the end of the enclosing scope.
1748 The :ref:`inference <arc.ownership.inference>` rules apply equally to
1749 ``__block`` variables, which is a shift in semantics from non-ARC, where
1750 ``__block`` variables did not implicitly retain during capture.
1752 ``__block`` variables of retainable object owner type are moved off the stack
1753 by initializing the heap copy with the result of moving from the stack copy.
1755 With the exception of retains done as part of initializing a ``__strong``
1756 parameter variable or reading a ``__weak`` variable, whenever these semantics
1757 call for retaining a value of block-pointer type, it has the effect of a
1758 ``Block_copy``.  The optimizer may remove such copies when it sees that the
1759 result is used only as an argument to a call.
1761 .. _arc.misc.exceptions:
1763 Exceptions
1764 ----------
1766 By default in Objective C, ARC is not exception-safe for normal releases:
1768 * It does not end the lifetime of ``__strong`` variables when their scopes are
1769   abnormally terminated by an exception.
1770 * It does not perform releases which would occur at the end of a
1771   full-expression if that full-expression throws an exception.
1773 A program may be compiled with the option ``-fobjc-arc-exceptions`` in order to
1774 enable these, or with the option ``-fno-objc-arc-exceptions`` to explicitly
1775 disable them, with the last such argument "winning".
1777 .. admonition:: Rationale
1779   The standard Cocoa convention is that exceptions signal programmer error and
1780   are not intended to be recovered from.  Making code exceptions-safe by
1781   default would impose severe runtime and code size penalties on code that
1782   typically does not actually care about exceptions safety.  Therefore,
1783   ARC-generated code leaks by default on exceptions, which is just fine if the
1784   process is going to be immediately terminated anyway.  Programs which do care
1785   about recovering from exceptions should enable the option.
1787 In Objective-C++, ``-fobjc-arc-exceptions`` is enabled by default.
1789 .. admonition:: Rationale
1791   C++ already introduces pervasive exceptions-cleanup code of the sort that ARC
1792   introduces.  C++ programmers who have not already disabled exceptions are
1793   much more likely to actual require exception-safety.
1795 ARC does end the lifetimes of ``__weak`` objects when an exception terminates
1796 their scope unless exceptions are disabled in the compiler.
1798 .. admonition:: Rationale
1800   The consequence of a local ``__weak`` object not being destroyed is very
1801   likely to be corruption of the Objective-C runtime, so we want to be safer
1802   here.  Of course, potentially massive leaks are about as likely to take down
1803   the process as this corruption is if the program does try to recover from
1804   exceptions.
1806 .. _arc.misc.interior:
1808 Interior pointers
1809 -----------------
1811 An Objective-C method returning a non-retainable pointer may be annotated with
1812 the ``objc_returns_inner_pointer`` attribute to indicate that it returns a
1813 handle to the internal data of an object, and that this reference will be
1814 invalidated if the object is destroyed.  When such a message is sent to an
1815 object, the object's lifetime will be extended until at least the earliest of:
1817 * the last use of the returned pointer, or any pointer derived from it, in the
1818   calling function or
1819 * the autorelease pool is restored to a previous state.
1821 .. admonition:: Rationale
1823   Rationale: not all memory and resources are managed with reference counts; it
1824   is common for objects to manage private resources in their own, private way.
1825   Typically these resources are completely encapsulated within the object, but
1826   some classes offer their users direct access for efficiency.  If ARC is not
1827   aware of methods that return such "interior" pointers, its optimizations can
1828   cause the owning object to be reclaimed too soon.  This attribute informs ARC
1829   that it must tread lightly.
1831   The extension rules are somewhat intentionally vague.  The autorelease pool
1832   limit is there to permit a simple implementation to simply retain and
1833   autorelease the receiver.  The other limit permits some amount of
1834   optimization.  The phrase "derived from" is intended to encompass the results
1835   both of pointer transformations, such as casts and arithmetic, and of loading
1836   from such derived pointers; furthermore, it applies whether or not such
1837   derivations are applied directly in the calling code or by other utility code
1838   (for example, the C library routine ``strchr``).  However, the implementation
1839   never need account for uses after a return from the code which calls the
1840   method returning an interior pointer.
1842 As an exception, no extension is required if the receiver is loaded directly
1843 from a ``__strong`` object with :ref:`precise lifetime semantics
1844 <arc.optimization.precise>`.
1846 .. admonition:: Rationale
1848   Implicit autoreleases carry the risk of significantly inflating memory use,
1849   so it's important to provide users a way of avoiding these autoreleases.
1850   Tying this to precise lifetime semantics is ideal, as for local variables
1851   this requires a very explicit annotation, which allows ARC to trust the user
1852   with good cheer.
1854 .. _arc.misc.c-retainable:
1856 C retainable pointer types
1857 --------------------------
1859 A type is a :arc-term:`C retainable pointer type` if it is a pointer to
1860 (possibly qualified) ``void`` or a pointer to a (possibly qualifier) ``struct``
1861 or ``class`` type.
1863 .. admonition:: Rationale
1865   ARC does not manage pointers of CoreFoundation type (or any of the related
1866   families of retainable C pointers which interoperate with Objective-C for
1867   retain/release operation).  In fact, ARC does not even know how to
1868   distinguish these types from arbitrary C pointer types.  The intent of this
1869   concept is to filter out some obviously non-object types while leaving a hook
1870   for later tightening if a means of exhaustively marking CF types is made
1871   available.
1873 .. _arc.misc.c-retainable.audit:
1875 Auditing of C retainable pointer interfaces
1876 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1878 :when-revised:`[beginning Apple 4.0, LLVM 3.1]`
1880 A C function may be marked with the ``cf_audited_transfer`` attribute to
1881 express that, except as otherwise marked with attributes, it obeys the
1882 parameter (consuming vs. non-consuming) and return (retained vs. non-retained)
1883 conventions for a C function of its name, namely:
1885 * A parameter of C retainable pointer type is assumed to not be consumed
1886   unless it is marked with the ``cf_consumed`` attribute, and
1887 * A result of C retainable pointer type is assumed to not be returned retained
1888   unless the function is either marked ``cf_returns_retained`` or it follows
1889   the create/copy naming convention and is not marked
1890   ``cf_returns_not_retained``.
1892 A function obeys the :arc-term:`create/copy` naming convention if its name
1893 contains as a substring:
1895 * either "Create" or "Copy" not followed by a lowercase letter, or
1896 * either "create" or "copy" not followed by a lowercase letter and
1897   not preceded by any letter, whether uppercase or lowercase.
1899 A second attribute, ``cf_unknown_transfer``, signifies that a function's
1900 transfer semantics cannot be accurately captured using any of these
1901 annotations.  A program is ill-formed if it annotates the same function with
1902 both ``cf_audited_transfer`` and ``cf_unknown_transfer``.
1904 A pragma is provided to facilitate the mass annotation of interfaces:
1906 .. code-block:: objc
1908   #pragma clang arc_cf_code_audited begin
1909   ...
1910   #pragma clang arc_cf_code_audited end
1912 All C functions declared within the extent of this pragma are treated as if
1913 annotated with the ``cf_audited_transfer`` attribute unless they otherwise have
1914 the ``cf_unknown_transfer`` attribute.  The pragma is accepted in all language
1915 modes.  A program is ill-formed if it attempts to change files, whether by
1916 including a file or ending the current file, within the extent of this pragma.
1918 It is possible to test for all the features in this section with
1919 ``__has_feature(arc_cf_code_audited)``.
1921 .. admonition:: Rationale
1923   A significant inconvenience in ARC programming is the necessity of
1924   interacting with APIs based around C retainable pointers.  These features are
1925   designed to make it relatively easy for API authors to quickly review and
1926   annotate their interfaces, in turn improving the fidelity of tools such as
1927   the static analyzer and ARC.  The single-file restriction on the pragma is
1928   designed to eliminate the risk of accidentally annotating some other header's
1929   interfaces.
1931 .. _arc.runtime:
1933 Runtime support
1934 ===============
1936 This section describes the interaction between the ARC runtime and the code
1937 generated by the ARC compiler.  This is not part of the ARC language
1938 specification; instead, it is effectively a language-specific ABI supplement,
1939 akin to the "Itanium" generic ABI for C++.
1941 Ownership qualification does not alter the storage requirements for objects,
1942 except that it is undefined behavior if a ``__weak`` object is inadequately
1943 aligned for an object of type ``id``.  The other qualifiers may be used on
1944 explicitly under-aligned memory.
1946 The runtime tracks ``__weak`` objects which holds non-null values.  It is
1947 undefined behavior to direct modify a ``__weak`` object which is being tracked
1948 by the runtime except through an
1949 :ref:`objc_storeWeak <arc.runtime.objc_storeWeak>`,
1950 :ref:`objc_destroyWeak <arc.runtime.objc_destroyWeak>`, or
1951 :ref:`objc_moveWeak <arc.runtime.objc_moveWeak>` call.
1953 The runtime must provide a number of new entrypoints which the compiler may
1954 emit, which are described in the remainder of this section.
1956 .. admonition:: Rationale
1958   Several of these functions are semantically equivalent to a message send; we
1959   emit calls to C functions instead because:
1961   * the machine code to do so is significantly smaller,
1962   * it is much easier to recognize the C functions in the ARC optimizer, and
1963   * a sufficient sophisticated runtime may be able to avoid the message send in
1964     common cases.
1966   Several other of these functions are "fused" operations which can be
1967   described entirely in terms of other operations.  We use the fused operations
1968   primarily as a code-size optimization, although in some cases there is also a
1969   real potential for avoiding redundant operations in the runtime.
1971 .. _arc.runtime.objc_autorelease:
1973 ``id objc_autorelease(id value);``
1974 ----------------------------------
1976 *Precondition:* ``value`` is null or a pointer to a valid object.
1978 If ``value`` is null, this call has no effect.  Otherwise, it adds the object
1979 to the innermost autorelease pool exactly as if the object had been sent the
1980 ``autorelease`` message.
1982 Always returns ``value``.
1984 .. _arc.runtime.objc_autoreleasePoolPop:
1986 ``void objc_autoreleasePoolPop(void *pool);``
1987 ---------------------------------------------
1989 *Precondition:* ``pool`` is the result of a previous call to
1990 :ref:`objc_autoreleasePoolPush <arc.runtime.objc_autoreleasePoolPush>` on the
1991 current thread, where neither ``pool`` nor any enclosing pool have previously
1992 been popped.
1994 Releases all the objects added to the given autorelease pool and any
1995 autorelease pools it encloses, then sets the current autorelease pool to the
1996 pool directly enclosing ``pool``.
1998 .. _arc.runtime.objc_autoreleasePoolPush:
2000 ``void *objc_autoreleasePoolPush(void);``
2001 -----------------------------------------
2003 Creates a new autorelease pool that is enclosed by the current pool, makes that
2004 the current pool, and returns an opaque "handle" to it.
2006 .. admonition:: Rationale
2008   While the interface is described as an explicit hierarchy of pools, the rules
2009   allow the implementation to just keep a stack of objects, using the stack
2010   depth as the opaque pool handle.
2012 .. _arc.runtime.objc_autoreleaseReturnValue:
2014 ``id objc_autoreleaseReturnValue(id value);``
2015 ---------------------------------------------
2017 *Precondition:* ``value`` is null or a pointer to a valid object.
2019 If ``value`` is null, this call has no effect.  Otherwise, it makes a best
2020 effort to hand off ownership of a retain count on the object to a call to
2021 :ref:`objc_retainAutoreleasedReturnValue
2022 <arc.runtime.objc_retainAutoreleasedReturnValue>` for the same object in an
2023 enclosing call frame.  If this is not possible, the object is autoreleased as
2024 above.
2026 Always returns ``value``.
2028 .. _arc.runtime.objc_copyWeak:
2030 ``void objc_copyWeak(id *dest, id *src);``
2031 ------------------------------------------
2033 *Precondition:* ``src`` is a valid pointer which either contains a null pointer
2034 or has been registered as a ``__weak`` object.  ``dest`` is a valid pointer
2035 which has not been registered as a ``__weak`` object.
2037 ``dest`` is initialized to be equivalent to ``src``, potentially registering it
2038 with the runtime.  Equivalent to the following code:
2040 .. code-block:: objc
2042   void objc_copyWeak(id *dest, id *src) {
2043     objc_release(objc_initWeak(dest, objc_loadWeakRetained(src)));
2044   }
2046 Must be atomic with respect to calls to ``objc_storeWeak`` on ``src``.
2048 .. _arc.runtime.objc_destroyWeak:
2050 ``void objc_destroyWeak(id *object);``
2051 --------------------------------------
2053 *Precondition:* ``object`` is a valid pointer which either contains a null
2054 pointer or has been registered as a ``__weak`` object.
2056 ``object`` is unregistered as a weak object, if it ever was.  The current value
2057 of ``object`` is left unspecified; otherwise, equivalent to the following code:
2059 .. code-block:: objc
2061   void objc_destroyWeak(id *object) {
2062     objc_storeWeak(object, nil);
2063   }
2065 Does not need to be atomic with respect to calls to ``objc_storeWeak`` on
2066 ``object``.
2068 .. _arc.runtime.objc_initWeak:
2070 ``id objc_initWeak(id *object, id value);``
2071 -------------------------------------------
2073 *Precondition:* ``object`` is a valid pointer which has not been registered as
2074 a ``__weak`` object.  ``value`` is null or a pointer to a valid object.
2076 If ``value`` is a null pointer or the object to which it points has begun
2077 deallocation, ``object`` is zero-initialized.  Otherwise, ``object`` is
2078 registered as a ``__weak`` object pointing to ``value``.  Equivalent to the
2079 following code:
2081 .. code-block:: objc
2083   id objc_initWeak(id *object, id value) {
2084     *object = nil;
2085     return objc_storeWeak(object, value);
2086   }
2088 Returns the value of ``object`` after the call.
2090 Does not need to be atomic with respect to calls to ``objc_storeWeak`` on
2091 ``object``.
2093 .. _arc.runtime.objc_loadWeak:
2095 ``id objc_loadWeak(id *object);``
2096 ---------------------------------
2098 *Precondition:* ``object`` is a valid pointer which either contains a null
2099 pointer or has been registered as a ``__weak`` object.
2101 If ``object`` is registered as a ``__weak`` object, and the last value stored
2102 into ``object`` has not yet been deallocated or begun deallocation, retains and
2103 autoreleases that value and returns it.  Otherwise returns null.  Equivalent to
2104 the following code:
2106 .. code-block:: objc
2108   id objc_loadWeak(id *object) {
2109     return objc_autorelease(objc_loadWeakRetained(object));
2110   }
2112 Must be atomic with respect to calls to ``objc_storeWeak`` on ``object``.
2114 .. admonition:: Rationale
2116   Loading weak references would be inherently prone to race conditions without
2117   the retain.
2119 .. _arc.runtime.objc_loadWeakRetained:
2121 ``id objc_loadWeakRetained(id *object);``
2122 -----------------------------------------
2124 *Precondition:* ``object`` is a valid pointer which either contains a null
2125 pointer or has been registered as a ``__weak`` object.
2127 If ``object`` is registered as a ``__weak`` object, and the last value stored
2128 into ``object`` has not yet been deallocated or begun deallocation, retains
2129 that value and returns it.  Otherwise returns null.
2131 Must be atomic with respect to calls to ``objc_storeWeak`` on ``object``.
2133 .. _arc.runtime.objc_moveWeak:
2135 ``void objc_moveWeak(id *dest, id *src);``
2136 ------------------------------------------
2138 *Precondition:* ``src`` is a valid pointer which either contains a null pointer
2139 or has been registered as a ``__weak`` object.  ``dest`` is a valid pointer
2140 which has not been registered as a ``__weak`` object.
2142 ``dest`` is initialized to be equivalent to ``src``, potentially registering it
2143 with the runtime.  ``src`` may then be left in its original state, in which
2144 case this call is equivalent to :ref:`objc_copyWeak
2145 <arc.runtime.objc_copyWeak>`, or it may be left as null.
2147 Must be atomic with respect to calls to ``objc_storeWeak`` on ``src``.
2149 .. _arc.runtime.objc_release:
2151 ``void objc_release(id value);``
2152 --------------------------------
2154 *Precondition:* ``value`` is null or a pointer to a valid object.
2156 If ``value`` is null, this call has no effect.  Otherwise, it performs a
2157 release operation exactly as if the object had been sent the ``release``
2158 message.
2160 .. _arc.runtime.objc_retain:
2162 ``id objc_retain(id value);``
2163 -----------------------------
2165 *Precondition:* ``value`` is null or a pointer to a valid object.
2167 If ``value`` is null, this call has no effect.  Otherwise, it performs a retain
2168 operation exactly as if the object had been sent the ``retain`` message.
2170 Always returns ``value``.
2172 .. _arc.runtime.objc_retainAutorelease:
2174 ``id objc_retainAutorelease(id value);``
2175 ----------------------------------------
2177 *Precondition:* ``value`` is null or a pointer to a valid object.
2179 If ``value`` is null, this call has no effect.  Otherwise, it performs a retain
2180 operation followed by an autorelease operation.  Equivalent to the following
2181 code:
2183 .. code-block:: objc
2185   id objc_retainAutorelease(id value) {
2186     return objc_autorelease(objc_retain(value));
2187   }
2189 Always returns ``value``.
2191 .. _arc.runtime.objc_retainAutoreleaseReturnValue:
2193 ``id objc_retainAutoreleaseReturnValue(id value);``
2194 ---------------------------------------------------
2196 *Precondition:* ``value`` is null or a pointer to a valid object.
2198 If ``value`` is null, this call has no effect.  Otherwise, it performs a retain
2199 operation followed by the operation described in
2200 :ref:`objc_autoreleaseReturnValue <arc.runtime.objc_autoreleaseReturnValue>`.
2201 Equivalent to the following code:
2203 .. code-block:: objc
2205   id objc_retainAutoreleaseReturnValue(id value) {
2206     return objc_autoreleaseReturnValue(objc_retain(value));
2207   }
2209 Always returns ``value``.
2211 .. _arc.runtime.objc_retainAutoreleasedReturnValue:
2213 ``id objc_retainAutoreleasedReturnValue(id value);``
2214 ----------------------------------------------------
2216 *Precondition:* ``value`` is null or a pointer to a valid object.
2218 If ``value`` is null, this call has no effect.  Otherwise, it attempts to
2219 accept a hand off of a retain count from a call to
2220 :ref:`objc_autoreleaseReturnValue <arc.runtime.objc_autoreleaseReturnValue>` on
2221 ``value`` in a recently-called function or something it calls.  If that fails,
2222 it performs a retain operation exactly like :ref:`objc_retain
2223 <arc.runtime.objc_retain>`.
2225 Always returns ``value``.
2227 .. _arc.runtime.objc_retainBlock:
2229 ``id objc_retainBlock(id value);``
2230 ----------------------------------
2232 *Precondition:* ``value`` is null or a pointer to a valid block object.
2234 If ``value`` is null, this call has no effect.  Otherwise, if the block pointed
2235 to by ``value`` is still on the stack, it is copied to the heap and the address
2236 of the copy is returned.  Otherwise a retain operation is performed on the
2237 block exactly as if it had been sent the ``retain`` message.
2239 .. _arc.runtime.objc_storeStrong:
2241 ``id objc_storeStrong(id *object, id value);``
2242 ----------------------------------------------
2244 *Precondition:* ``object`` is a valid pointer to a ``__strong`` object which is
2245 adequately aligned for a pointer.  ``value`` is null or a pointer to a valid
2246 object.
2248 Performs the complete sequence for assigning to a ``__strong`` object of
2249 non-block type [*]_.  Equivalent to the following code:
2251 .. code-block:: objc
2253   id objc_storeStrong(id *object, id value) {
2254     value = [value retain];
2255     id oldValue = *object;
2256     *object = value;
2257     [oldValue release];
2258     return value;
2259   }
2261 Always returns ``value``.
2263 .. [*] This does not imply that a ``__strong`` object of block type is an
2264    invalid argument to this function. Rather it implies that an ``objc_retain``
2265    and not an ``objc_retainBlock`` operation will be emitted if the argument is
2266    a block.
2268 .. _arc.runtime.objc_storeWeak:
2270 ``id objc_storeWeak(id *object, id value);``
2271 --------------------------------------------
2273 *Precondition:* ``object`` is a valid pointer which either contains a null
2274 pointer or has been registered as a ``__weak`` object.  ``value`` is null or a
2275 pointer to a valid object.
2277 If ``value`` is a null pointer or the object to which it points has begun
2278 deallocation, ``object`` is assigned null and unregistered as a ``__weak``
2279 object.  Otherwise, ``object`` is registered as a ``__weak`` object or has its
2280 registration updated to point to ``value``.
2282 Returns the value of ``object`` after the call.