]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - docs/AutomaticReferenceCounting.rst
Vendor import of clang trunk r290819:
[FreeBSD/FreeBSD.git] / docs / AutomaticReferenceCounting.rst
1 .. FIXME: move to the stylesheet or Sphinx plugin
2
3 .. raw:: html
4
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; }
9
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     }
30
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>
56
57 .. role:: arc-term
58 .. role:: revision
59 .. role:: when-revised
60
61 ==============================================
62 Objective-C Automatic Reference Counting (ARC)
63 ==============================================
64
65 .. contents::
66    :local:
67
68 .. _arc.meta:
69
70 About this document
71 ===================
72
73 .. _arc.meta.purpose:
74
75 Purpose
76 -------
77
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.
82
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.
86
87 .. _arc.meta.background:
88
89 Background
90 ----------
91
92 This document assumes a basic familiarity with C.
93
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.
105
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.
111
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``.
125
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:
134
135 .. code-block:: objc
136
137   [receiver foo: fooArg bar: barArg baz: bazArg]
138
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``.
149
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.
154
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.
163
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.
172
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``.
178
179 .. _arc.meta.evolution:
180
181 Evolution
182 ---------
183
184 ARC is under continual evolution, and this document must be updated as the
185 language progresses.
186
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:
190
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.
194
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.
201
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.
206
207 .. _arc.general:
208
209 General
210 =======
211
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.
217
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".
221
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.
225
226 .. _arc.objects:
227
228 Retainable object pointers
229 ==========================
230
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.
236
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:
240
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))``
245
246 Other pointer types, such as ``int*`` and ``CFStringRef``, are not subject to
247 ARC's semantics and restrictions.
248
249 .. admonition:: Rationale
250
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:
256
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.
262
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.
267
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.
274
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.
279
280 .. admonition:: Rationale
281
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.
285
286 .. _arc.objects.retains:
287
288 Retain count semantics
289 ----------------------
290
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.
298
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:
303
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.
307
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.
318
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.
324
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.
328
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.
332
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.
335
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.
341
342 .. _arc.objects.operands:
343
344 Retainable object pointers as operands and arguments
345 ----------------------------------------------------
346
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:
349
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.
354
355 .. admonition:: Rationale
356
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.
363
364 The remainder of this section describes exceptions to these rules, how those
365 exceptions are detected, and what those exceptions imply semantically.
366
367 .. _arc.objects.operands.consumed:
368
369 Consumed parameters
370 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
371
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:
376
377 .. code-block:: objc
378
379   void foo(__attribute((ns_consumed)) id x);
380   - (void) foo: (id) __attribute((ns_consumed)) x;
381
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.
384
385 When passing such an argument, ARC retains the argument prior to making the
386 call.
387
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.
390
391 .. admonition:: Rationale
392
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.
399
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.
404
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.
413
414 .. admonition:: Rationale
415
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.
421
422 .. _arc.object.operands.retained-return-values:
423
424 Retained return values
425 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
426
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
431 so:
432
433 .. code-block:: objc
434
435   id foo(void) __attribute((ns_returns_retained));
436   - (id) foo __attribute((ns_returns_retained));
437
438 This attribute is part of the type of the function or method.
439
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.
442
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.
446
447 .. admonition:: Rationale
448
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.
454
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))``.
459
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.
465
466 .. admonition:: Rationale
467
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.
472
473 .. _arc.objects.operands.unretained-returns:
474
475 Unretained return values
476 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
477
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.
481
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.
487
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.
490
491 .. admonition:: Rationale
492
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.
498
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.
504
505 .. _arc.objects.operands.casts:
506
507 Bridged casts
508 ^^^^^^^^^^^^^
509
510 A :arc-term:`bridged cast` is a C-style cast annotated with one of three
511 keywords:
512
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.
528
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>`.
532
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.
535
536 .. _arc.objects.restrictions:
537
538 Restrictions
539 ------------
540
541 .. _arc.objects.restrictions.conversion:
542
543 Conversion of retainable object pointers
544 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
545
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.
553
554 .. admonition:: Rationale
555
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.
560
561 However, the following exceptions apply.
562
563 .. _arc.objects.restrictions.conversion.with.known.semantics:
564
565 Conversion to retainable object pointer type of expressions with known semantics
566 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
567
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.`
573
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.
578
579 An expression is :arc-term:`known retain-agnostic` if it is:
580
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.
585
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:
588
589 * a direct call to a function, and either that function has the
590   ``cf_returns_not_retained`` attribute or it is an :ref:`audited
591   <arc.misc.c-retainable.audit>` function that does not have the
592   ``cf_returns_retained`` attribute and does not follow the create/copy naming
593   convention,
594 * a message send, and the declared method either has the
595   ``cf_returns_not_retained`` attribute or it has neither the
596   ``cf_returns_retained`` attribute nor a :ref:`selector family
597   <arc.method-families>` that implies a retained result, or
598 * :when-revised:`[beginning LLVM 3.6]` :revision:`a load from a` ``const``
599   :revision:`non-system global variable.`
600
601 An expression is :arc-term:`known retained` if it is an rvalue of :ref:`C
602 retainable pointer type <arc.misc.c-retainable>` and it is:
603
604 * a message send, and the declared method either has the
605   ``cf_returns_retained`` attribute, or it does not have the
606   ``cf_returns_not_retained`` attribute but it does have a :ref:`selector
607   family <arc.method-families>` that implies a retained result.
608
609 Furthermore:
610
611 * a comma expression is classified according to its right-hand side,
612 * a statement expression is classified according to its result expression, if
613   it has one,
614 * an lvalue-to-rvalue conversion applied to an Objective-C property lvalue is
615   classified according to the underlying message send, and
616 * a conditional operator is classified according to its second and third
617   operands, if they agree in classification, or else the other if one is known
618   retain-agnostic.
619
620 If the cast operand is known retained, the conversion is treated as a
621 ``__bridge_transfer`` cast.  If the cast operand is known unretained or known
622 retain-agnostic, the conversion is treated as a ``__bridge`` cast.
623
624 .. admonition:: Rationale
625
626   Bridging casts are annoying.  Absent the ability to completely automate the
627   management of CF objects, however, we are left with relatively poor attempts
628   to reduce the need for a glut of explicit bridges.  Hence these rules.
629
630   We've so far consciously refrained from implicitly turning retained CF
631   results from function calls into ``__bridge_transfer`` casts.  The worry is
632   that some code patterns  ---  for example, creating a CF value, assigning it
633   to an ObjC-typed local, and then calling ``CFRelease`` when done  ---  are a
634   bit too likely to be accidentally accepted, leading to mysterious behavior.
635
636   For loads from ``const`` global variables of :ref:`C retainable pointer type
637   <arc.misc.c-retainable>`, it is reasonable to assume that global system
638   constants were initialitzed with true constants (e.g. string literals), but
639   user constants might have been initialized with something dynamically
640   allocated, using a global initializer.
641
642 .. _arc.objects.restrictions.conversion-exception-contextual:
643
644 Conversion from retainable object pointer type in certain contexts
645 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
646
647 :when-revised:`[beginning Apple 4.0, LLVM 3.1]`
648
649 If an expression of retainable object pointer type is explicitly cast to a
650 :ref:`C retainable pointer type <arc.misc.c-retainable>`, the program is
651 ill-formed as discussed above unless the result is immediately used:
652
653 * to initialize a parameter in an Objective-C message send where the parameter
654   is not marked with the ``cf_consumed`` attribute, or
655 * to initialize a parameter in a direct call to an
656   :ref:`audited <arc.misc.c-retainable.audit>` function where the parameter is
657   not marked with the ``cf_consumed`` attribute.
658
659 .. admonition:: Rationale
660
661   Consumed parameters are left out because ARC would naturally balance them
662   with a retain, which was judged too treacherous.  This is in part because
663   several of the most common consuming functions are in the ``Release`` family,
664   and it would be quite unfortunate for explicit releases to be silently
665   balanced out in this way.
666
667 .. _arc.ownership:
668
669 Ownership qualification
670 =======================
671
672 This section describes the behavior of *objects* of retainable object pointer
673 type; that is, locations in memory which store retainable object pointers.
674
675 A type is a :arc-term:`retainable object owner type` if it is a retainable
676 object pointer type or an array type whose element type is a retainable object
677 owner type.
678
679 An :arc-term:`ownership qualifier` is a type qualifier which applies only to
680 retainable object owner types.  An array type is ownership-qualified according
681 to its element type, and adding an ownership qualifier to an array type so
682 qualifies its element type.
683
684 A program is ill-formed if it attempts to apply an ownership qualifier to a
685 type which is already ownership-qualified, even if it is the same qualifier.
686 There is a single exception to this rule: an ownership qualifier may be applied
687 to a substituted template type parameter, which overrides the ownership
688 qualifier provided by the template argument.
689
690 When forming a function type, the result type is adjusted so that any
691 top-level ownership qualifier is deleted.
692
693 Except as described under the :ref:`inference rules <arc.ownership.inference>`,
694 a program is ill-formed if it attempts to form a pointer or reference type to a
695 retainable object owner type which lacks an ownership qualifier.
696
697 .. admonition:: Rationale
698
699   These rules, together with the inference rules, ensure that all objects and
700   lvalues of retainable object pointer type have an ownership qualifier.  The
701   ability to override an ownership qualifier during template substitution is
702   required to counteract the :ref:`inference of __strong for template type
703   arguments <arc.ownership.inference.template.arguments>`.  Ownership qualifiers
704   on return types are dropped because they serve no purpose there except to
705   cause spurious problems with overloading and templates.
706
707 There are four ownership qualifiers:
708
709 * ``__autoreleasing``
710 * ``__strong``
711 * ``__unsafe_unretained``
712 * ``__weak``
713
714 A type is :arc-term:`nontrivially ownership-qualified` if it is qualified with
715 ``__autoreleasing``, ``__strong``, or ``__weak``.
716
717 .. _arc.ownership.spelling:
718
719 Spelling
720 --------
721
722 The names of the ownership qualifiers are reserved for the implementation.  A
723 program may not assume that they are or are not implemented with macros, or
724 what those macros expand to.
725
726 An ownership qualifier may be written anywhere that any other type qualifier
727 may be written.
728
729 If an ownership qualifier appears in the *declaration-specifiers*, the
730 following rules apply:
731
732 * if the type specifier is a retainable object owner type, the qualifier
733   initially applies to that type;
734
735 * otherwise, if the outermost non-array declarator is a pointer
736   or block pointer declarator, the qualifier initially applies to
737   that type;
738
739 * otherwise the program is ill-formed.
740
741 * If the qualifier is so applied at a position in the declaration
742   where the next-innermost declarator is a function declarator, and
743   there is an block declarator within that function declarator, then
744   the qualifier applies instead to that block declarator and this rule
745   is considered afresh beginning from the new position.
746
747 If an ownership qualifier appears on the declarator name, or on the declared
748 object, it is applied to the innermost pointer or block-pointer type.
749
750 If an ownership qualifier appears anywhere else in a declarator, it applies to
751 the type there.
752
753 .. admonition:: Rationale
754
755   Ownership qualifiers are like ``const`` and ``volatile`` in the sense
756   that they may sensibly apply at multiple distinct positions within a
757   declarator.  However, unlike those qualifiers, there are many
758   situations where they are not meaningful, and so we make an effort
759   to "move" the qualifier to a place where it will be meaningful.  The
760   general goal is to allow the programmer to write, say, ``__strong``
761   before the entire declaration and have it apply in the leftmost
762   sensible place.
763
764 .. _arc.ownership.spelling.property:
765
766 Property declarations
767 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
768
769 A property of retainable object pointer type may have ownership.  If the
770 property's type is ownership-qualified, then the property has that ownership.
771 If the property has one of the following modifiers, then the property has the
772 corresponding ownership.  A property is ill-formed if it has conflicting
773 sources of ownership, or if it has redundant ownership modifiers, or if it has
774 ``__autoreleasing`` ownership.
775
776 * ``assign`` implies ``__unsafe_unretained`` ownership.
777 * ``copy`` implies ``__strong`` ownership, as well as the usual behavior of
778   copy semantics on the setter.
779 * ``retain`` implies ``__strong`` ownership.
780 * ``strong`` implies ``__strong`` ownership.
781 * ``unsafe_unretained`` implies ``__unsafe_unretained`` ownership.
782 * ``weak`` implies ``__weak`` ownership.
783
784 With the exception of ``weak``, these modifiers are available in non-ARC
785 modes.
786
787 A property's specified ownership is preserved in its metadata, but otherwise
788 the meaning is purely conventional unless the property is synthesized.  If a
789 property is synthesized, then the :arc-term:`associated instance variable` is
790 the instance variable which is named, possibly implicitly, by the
791 ``@synthesize`` declaration.  If the associated instance variable already
792 exists, then its ownership qualification must equal the ownership of the
793 property; otherwise, the instance variable is created with that ownership
794 qualification.
795
796 A property of retainable object pointer type which is synthesized without a
797 source of ownership has the ownership of its associated instance variable, if it
798 already exists; otherwise, :when-revised:`[beginning Apple 3.1, LLVM 3.1]`
799 :revision:`its ownership is implicitly` ``strong``.  Prior to this revision, it
800 was ill-formed to synthesize such a property.
801
802 .. admonition:: Rationale
803
804   Using ``strong`` by default is safe and consistent with the generic ARC rule
805   about :ref:`inferring ownership <arc.ownership.inference.variables>`.  It is,
806   unfortunately, inconsistent with the non-ARC rule which states that such
807   properties are implicitly ``assign``.  However, that rule is clearly
808   untenable in ARC, since it leads to default-unsafe code.  The main merit to
809   banning the properties is to avoid confusion with non-ARC practice, which did
810   not ultimately strike us as sufficient to justify requiring extra syntax and
811   (more importantly) forcing novices to understand ownership rules just to
812   declare a property when the default is so reasonable.  Changing the rule away
813   from non-ARC practice was acceptable because we had conservatively banned the
814   synthesis in order to give ourselves exactly this leeway.
815
816 Applying ``__attribute__((NSObject))`` to a property not of retainable object
817 pointer type has the same behavior it does outside of ARC: it requires the
818 property type to be some sort of pointer and permits the use of modifiers other
819 than ``assign``.  These modifiers only affect the synthesized getter and
820 setter; direct accesses to the ivar (even if synthesized) still have primitive
821 semantics, and the value in the ivar will not be automatically released during
822 deallocation.
823
824 .. _arc.ownership.semantics:
825
826 Semantics
827 ---------
828
829 There are five :arc-term:`managed operations` which may be performed on an
830 object of retainable object pointer type.  Each qualifier specifies different
831 semantics for each of these operations.  It is still undefined behavior to
832 access an object outside of its lifetime.
833
834 A load or store with "primitive semantics" has the same semantics as the
835 respective operation would have on an ``void*`` lvalue with the same alignment
836 and non-ownership qualification.
837
838 :arc-term:`Reading` occurs when performing a lvalue-to-rvalue conversion on an
839 object lvalue.
840
841 * For ``__weak`` objects, the current pointee is retained and then released at
842   the end of the current full-expression.  This must execute atomically with
843   respect to assignments and to the final release of the pointee.
844 * For all other objects, the lvalue is loaded with primitive semantics.
845
846 :arc-term:`Assignment` occurs when evaluating an assignment operator.  The
847 semantics vary based on the qualification:
848
849 * For ``__strong`` objects, the new pointee is first retained; second, the
850   lvalue is loaded with primitive semantics; third, the new pointee is stored
851   into the lvalue with primitive semantics; and finally, the old pointee is
852   released.  This is not performed atomically; external synchronization must be
853   used to make this safe in the face of concurrent loads and stores.
854 * For ``__weak`` objects, the lvalue is updated to point to the new pointee,
855   unless the new pointee is an object currently undergoing deallocation, in
856   which case the lvalue is updated to a null pointer.  This must execute
857   atomically with respect to other assignments to the object, to reads from the
858   object, and to the final release of the new pointee.
859 * For ``__unsafe_unretained`` objects, the new pointee is stored into the
860   lvalue using primitive semantics.
861 * For ``__autoreleasing`` objects, the new pointee is retained, autoreleased,
862   and stored into the lvalue using primitive semantics.
863
864 :arc-term:`Initialization` occurs when an object's lifetime begins, which
865 depends on its storage duration.  Initialization proceeds in two stages:
866
867 #. First, a null pointer is stored into the lvalue using primitive semantics.
868    This step is skipped if the object is ``__unsafe_unretained``.
869 #. Second, if the object has an initializer, that expression is evaluated and
870    then assigned into the object using the usual assignment semantics.
871
872 :arc-term:`Destruction` occurs when an object's lifetime ends.  In all cases it
873 is semantically equivalent to assigning a null pointer to the object, with the
874 proviso that of course the object cannot be legally read after the object's
875 lifetime ends.
876
877 :arc-term:`Moving` occurs in specific situations where an lvalue is "moved
878 from", meaning that its current pointee will be used but the object may be left
879 in a different (but still valid) state.  This arises with ``__block`` variables
880 and rvalue references in C++.  For ``__strong`` lvalues, moving is equivalent
881 to loading the lvalue with primitive semantics, writing a null pointer to it
882 with primitive semantics, and then releasing the result of the load at the end
883 of the current full-expression.  For all other lvalues, moving is equivalent to
884 reading the object.
885
886 .. _arc.ownership.restrictions:
887
888 Restrictions
889 ------------
890
891 .. _arc.ownership.restrictions.weak:
892
893 Weak-unavailable types
894 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
895
896 It is explicitly permitted for Objective-C classes to not support ``__weak``
897 references.  It is undefined behavior to perform an operation with weak
898 assignment semantics with a pointer to an Objective-C object whose class does
899 not support ``__weak`` references.
900
901 .. admonition:: Rationale
902
903   Historically, it has been possible for a class to provide its own
904   reference-count implementation by overriding ``retain``, ``release``, etc.
905   However, weak references to an object require coordination with its class's
906   reference-count implementation because, among other things, weak loads and
907   stores must be atomic with respect to the final release.  Therefore, existing
908   custom reference-count implementations will generally not support weak
909   references without additional effort.  This is unavoidable without breaking
910   binary compatibility.
911
912 A class may indicate that it does not support weak references by providing the
913 ``objc_arc_weak_reference_unavailable`` attribute on the class's interface declaration.  A
914 retainable object pointer type is **weak-unavailable** if
915 is a pointer to an (optionally protocol-qualified) Objective-C class ``T`` where
916 ``T`` or one of its superclasses has the ``objc_arc_weak_reference_unavailable``
917 attribute.  A program is ill-formed if it applies the ``__weak`` ownership
918 qualifier to a weak-unavailable type or if the value operand of a weak
919 assignment operation has a weak-unavailable type.
920
921 .. _arc.ownership.restrictions.autoreleasing:
922
923 Storage duration of ``__autoreleasing`` objects
924 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
925
926 A program is ill-formed if it declares an ``__autoreleasing`` object of
927 non-automatic storage duration.  A program is ill-formed if it captures an
928 ``__autoreleasing`` object in a block or, unless by reference, in a C++11
929 lambda.
930
931 .. admonition:: Rationale
932
933   Autorelease pools are tied to the current thread and scope by their nature.
934   While it is possible to have temporary objects whose instance variables are
935   filled with autoreleased objects, there is no way that ARC can provide any
936   sort of safety guarantee there.
937
938 It is undefined behavior if a non-null pointer is assigned to an
939 ``__autoreleasing`` object while an autorelease pool is in scope and then that
940 object is read after the autorelease pool's scope is left.
941
942 .. _arc.ownership.restrictions.conversion.indirect:
943
944 Conversion of pointers to ownership-qualified types
945 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
946
947 A program is ill-formed if an expression of type ``T*`` is converted,
948 explicitly or implicitly, to the type ``U*``, where ``T`` and ``U`` have
949 different ownership qualification, unless:
950
951 * ``T`` is qualified with ``__strong``, ``__autoreleasing``, or
952   ``__unsafe_unretained``, and ``U`` is qualified with both ``const`` and
953   ``__unsafe_unretained``; or
954 * either ``T`` or ``U`` is ``cv void``, where ``cv`` is an optional sequence
955   of non-ownership qualifiers; or
956 * the conversion is requested with a ``reinterpret_cast`` in Objective-C++; or
957 * the conversion is a well-formed :ref:`pass-by-writeback
958   <arc.ownership.restrictions.pass_by_writeback>`.
959
960 The analogous rule applies to ``T&`` and ``U&`` in Objective-C++.
961
962 .. admonition:: Rationale
963
964   These rules provide a reasonable level of type-safety for indirect pointers,
965   as long as the underlying memory is not deallocated.  The conversion to
966   ``const __unsafe_unretained`` is permitted because the semantics of reads are
967   equivalent across all these ownership semantics, and that's a very useful and
968   common pattern.  The interconversion with ``void*`` is useful for allocating
969   memory or otherwise escaping the type system, but use it carefully.
970   ``reinterpret_cast`` is considered to be an obvious enough sign of taking
971   responsibility for any problems.
972
973 It is undefined behavior to access an ownership-qualified object through an
974 lvalue of a differently-qualified type, except that any non-``__weak`` object
975 may be read through an ``__unsafe_unretained`` lvalue.
976
977 It is undefined behavior if a managed operation is performed on a ``__strong``
978 or ``__weak`` object without a guarantee that it contains a primitive zero
979 bit-pattern, or if the storage for such an object is freed or reused without the
980 object being first assigned a null pointer.
981
982 .. admonition:: Rationale
983
984   ARC cannot differentiate between an assignment operator which is intended to
985   "initialize" dynamic memory and one which is intended to potentially replace
986   a value.  Therefore the object's pointer must be valid before letting ARC at
987   it.  Similarly, C and Objective-C do not provide any language hooks for
988   destroying objects held in dynamic memory, so it is the programmer's
989   responsibility to avoid leaks (``__strong`` objects) and consistency errors
990   (``__weak`` objects).
991
992 These requirements are followed automatically in Objective-C++ when creating
993 objects of retainable object owner type with ``new`` or ``new[]`` and destroying
994 them with ``delete``, ``delete[]``, or a pseudo-destructor expression.  Note
995 that arrays of nontrivially-ownership-qualified type are not ABI compatible with
996 non-ARC code because the element type is non-POD: such arrays that are
997 ``new[]``'d in ARC translation units cannot be ``delete[]``'d in non-ARC
998 translation units and vice-versa.
999
1000 .. _arc.ownership.restrictions.pass_by_writeback:
1001
1002 Passing to an out parameter by writeback
1003 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1004
1005 If the argument passed to a parameter of type ``T __autoreleasing *`` has type
1006 ``U oq *``, where ``oq`` is an ownership qualifier, then the argument is a
1007 candidate for :arc-term:`pass-by-writeback`` if:
1008
1009 * ``oq`` is ``__strong`` or ``__weak``, and
1010 * it would be legal to initialize a ``T __strong *`` with a ``U __strong *``.
1011
1012 For purposes of overload resolution, an implicit conversion sequence requiring
1013 a pass-by-writeback is always worse than an implicit conversion sequence not
1014 requiring a pass-by-writeback.
1015
1016 The pass-by-writeback is ill-formed if the argument expression does not have a
1017 legal form:
1018
1019 * ``&var``, where ``var`` is a scalar variable of automatic storage duration
1020   with retainable object pointer type
1021 * a conditional expression where the second and third operands are both legal
1022   forms
1023 * a cast whose operand is a legal form
1024 * a null pointer constant
1025
1026 .. admonition:: Rationale
1027
1028   The restriction in the form of the argument serves two purposes.  First, it
1029   makes it impossible to pass the address of an array to the argument, which
1030   serves to protect against an otherwise serious risk of mis-inferring an
1031   "array" argument as an out-parameter.  Second, it makes it much less likely
1032   that the user will see confusing aliasing problems due to the implementation,
1033   below, where their store to the writeback temporary is not immediately seen
1034   in the original argument variable.
1035
1036 A pass-by-writeback is evaluated as follows:
1037
1038 #. The argument is evaluated to yield a pointer ``p`` of type ``U oq *``.
1039 #. If ``p`` is a null pointer, then a null pointer is passed as the argument,
1040    and no further work is required for the pass-by-writeback.
1041 #. Otherwise, a temporary of type ``T __autoreleasing`` is created and
1042    initialized to a null pointer.
1043 #. If the parameter is not an Objective-C method parameter marked ``out``,
1044    then ``*p`` is read, and the result is written into the temporary with
1045    primitive semantics.
1046 #. The address of the temporary is passed as the argument to the actual call.
1047 #. After the call completes, the temporary is loaded with primitive
1048    semantics, and that value is assigned into ``*p``.
1049
1050 .. admonition:: Rationale
1051
1052   This is all admittedly convoluted.  In an ideal world, we would see that a
1053   local variable is being passed to an out-parameter and retroactively modify
1054   its type to be ``__autoreleasing`` rather than ``__strong``.  This would be
1055   remarkably difficult and not always well-founded under the C type system.
1056   However, it was judged unacceptably invasive to require programmers to write
1057   ``__autoreleasing`` on all the variables they intend to use for
1058   out-parameters.  This was the least bad solution.
1059
1060 .. _arc.ownership.restrictions.records:
1061
1062 Ownership-qualified fields of structs and unions
1063 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1064
1065 A program is ill-formed if it declares a member of a C struct or union to have
1066 a nontrivially ownership-qualified type.
1067
1068 .. admonition:: Rationale
1069
1070   The resulting type would be non-POD in the C++ sense, but C does not give us
1071   very good language tools for managing the lifetime of aggregates, so it is
1072   more convenient to simply forbid them.  It is still possible to manage this
1073   with a ``void*`` or an ``__unsafe_unretained`` object.
1074
1075 This restriction does not apply in Objective-C++.  However, nontrivally
1076 ownership-qualified types are considered non-POD: in C++11 terms, they are not
1077 trivially default constructible, copy constructible, move constructible, copy
1078 assignable, move assignable, or destructible.  It is a violation of C++'s One
1079 Definition Rule to use a class outside of ARC that, under ARC, would have a
1080 nontrivially ownership-qualified member.
1081
1082 .. admonition:: Rationale
1083
1084   Unlike in C, we can express all the necessary ARC semantics for
1085   ownership-qualified subobjects as suboperations of the (default) special
1086   member functions for the class.  These functions then become non-trivial.
1087   This has the non-obvious result that the class will have a non-trivial copy
1088   constructor and non-trivial destructor; if this would not normally be true
1089   outside of ARC, objects of the type will be passed and returned in an
1090   ABI-incompatible manner.
1091
1092 .. _arc.ownership.inference:
1093
1094 Ownership inference
1095 -------------------
1096
1097 .. _arc.ownership.inference.variables:
1098
1099 Objects
1100 ^^^^^^^
1101
1102 If an object is declared with retainable object owner type, but without an
1103 explicit ownership qualifier, its type is implicitly adjusted to have
1104 ``__strong`` qualification.
1105
1106 As a special case, if the object's base type is ``Class`` (possibly
1107 protocol-qualified), the type is adjusted to have ``__unsafe_unretained``
1108 qualification instead.
1109
1110 .. _arc.ownership.inference.indirect_parameters:
1111
1112 Indirect parameters
1113 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1114
1115 If a function or method parameter has type ``T*``, where ``T`` is an
1116 ownership-unqualified retainable object pointer type, then:
1117
1118 * if ``T`` is ``const``-qualified or ``Class``, then it is implicitly
1119   qualified with ``__unsafe_unretained``;
1120 * otherwise, it is implicitly qualified with ``__autoreleasing``.
1121
1122 .. admonition:: Rationale
1123
1124   ``__autoreleasing`` exists mostly for this case, the Cocoa convention for
1125   out-parameters.  Since a pointer to ``const`` is obviously not an
1126   out-parameter, we instead use a type more useful for passing arrays.  If the
1127   user instead intends to pass in a *mutable* array, inferring
1128   ``__autoreleasing`` is the wrong thing to do; this directs some of the
1129   caution in the following rules about writeback.
1130
1131 Such a type written anywhere else would be ill-formed by the general rule
1132 requiring ownership qualifiers.
1133
1134 This rule does not apply in Objective-C++ if a parameter's type is dependent in
1135 a template pattern and is only *instantiated* to a type which would be a
1136 pointer to an unqualified retainable object pointer type.  Such code is still
1137 ill-formed.
1138
1139 .. admonition:: Rationale
1140
1141   The convention is very unlikely to be intentional in template code.
1142
1143 .. _arc.ownership.inference.template.arguments:
1144
1145 Template arguments
1146 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1147
1148 If a template argument for a template type parameter is an retainable object
1149 owner type that does not have an explicit ownership qualifier, it is adjusted
1150 to have ``__strong`` qualification.  This adjustment occurs regardless of
1151 whether the template argument was deduced or explicitly specified.
1152
1153 .. admonition:: Rationale
1154
1155   ``__strong`` is a useful default for containers (e.g., ``std::vector<id>``),
1156   which would otherwise require explicit qualification.  Moreover, unqualified
1157   retainable object pointer types are unlikely to be useful within templates,
1158   since they generally need to have a qualifier applied to the before being
1159   used.
1160
1161 .. _arc.method-families:
1162
1163 Method families
1164 ===============
1165
1166 An Objective-C method may fall into a :arc-term:`method family`, which is a
1167 conventional set of behaviors ascribed to it by the Cocoa conventions.
1168
1169 A method is in a certain method family if:
1170
1171 * it has a ``objc_method_family`` attribute placing it in that family; or if
1172   not that,
1173 * it does not have an ``objc_method_family`` attribute placing it in a
1174   different or no family, and
1175 * its selector falls into the corresponding selector family, and
1176 * its signature obeys the added restrictions of the method family.
1177
1178 A selector is in a certain selector family if, ignoring any leading
1179 underscores, the first component of the selector either consists entirely of
1180 the name of the method family or it begins with that name followed by a
1181 character other than a lowercase letter.  For example, ``_perform:with:`` and
1182 ``performWith:`` would fall into the ``perform`` family (if we recognized one),
1183 but ``performing:with`` would not.
1184
1185 The families and their added restrictions are:
1186
1187 * ``alloc`` methods must return a retainable object pointer type.
1188 * ``copy`` methods must return a retainable object pointer type.
1189 * ``mutableCopy`` methods must return a retainable object pointer type.
1190 * ``new`` methods must return a retainable object pointer type.
1191 * ``init`` methods must be instance methods and must return an Objective-C
1192   pointer type.  Additionally, a program is ill-formed if it declares or
1193   contains a call to an ``init`` method whose return type is neither ``id`` nor
1194   a pointer to a super-class or sub-class of the declaring class (if the method
1195   was declared on a class) or the static receiver type of the call (if it was
1196   declared on a protocol).
1197
1198   .. admonition:: Rationale
1199
1200     There are a fair number of existing methods with ``init``-like selectors
1201     which nonetheless don't follow the ``init`` conventions.  Typically these
1202     are either accidental naming collisions or helper methods called during
1203     initialization.  Because of the peculiar retain/release behavior of
1204     ``init`` methods, it's very important not to treat these methods as
1205     ``init`` methods if they aren't meant to be.  It was felt that implicitly
1206     defining these methods out of the family based on the exact relationship
1207     between the return type and the declaring class would be much too subtle
1208     and fragile.  Therefore we identify a small number of legitimate-seeming
1209     return types and call everything else an error.  This serves the secondary
1210     purpose of encouraging programmers not to accidentally give methods names
1211     in the ``init`` family.
1212
1213     Note that a method with an ``init``-family selector which returns a
1214     non-Objective-C type (e.g. ``void``) is perfectly well-formed; it simply
1215     isn't in the ``init`` family.
1216
1217 A program is ill-formed if a method's declarations, implementations, and
1218 overrides do not all have the same method family.
1219
1220 .. _arc.family.attribute:
1221
1222 Explicit method family control
1223 ------------------------------
1224
1225 A method may be annotated with the ``objc_method_family`` attribute to
1226 precisely control which method family it belongs to.  If a method in an
1227 ``@implementation`` does not have this attribute, but there is a method
1228 declared in the corresponding ``@interface`` that does, then the attribute is
1229 copied to the declaration in the ``@implementation``.  The attribute is
1230 available outside of ARC, and may be tested for with the preprocessor query
1231 ``__has_attribute(objc_method_family)``.
1232
1233 The attribute is spelled
1234 ``__attribute__((objc_method_family(`` *family* ``)))``.  If *family* is
1235 ``none``, the method has no family, even if it would otherwise be considered to
1236 have one based on its selector and type.  Otherwise, *family* must be one of
1237 ``alloc``, ``copy``, ``init``, ``mutableCopy``, or ``new``, in which case the
1238 method is considered to belong to the corresponding family regardless of its
1239 selector.  It is an error if a method that is explicitly added to a family in
1240 this way does not meet the requirements of the family other than the selector
1241 naming convention.
1242
1243 .. admonition:: Rationale
1244
1245   The rules codified in this document describe the standard conventions of
1246   Objective-C.  However, as these conventions have not heretofore been enforced
1247   by an unforgiving mechanical system, they are only imperfectly kept,
1248   especially as they haven't always even been precisely defined.  While it is
1249   possible to define low-level ownership semantics with attributes like
1250   ``ns_returns_retained``, this attribute allows the user to communicate
1251   semantic intent, which is of use both to ARC (which, e.g., treats calls to
1252   ``init`` specially) and the static analyzer.
1253
1254 .. _arc.family.semantics:
1255
1256 Semantics of method families
1257 ----------------------------
1258
1259 A method's membership in a method family may imply non-standard semantics for
1260 its parameters and return type.
1261
1262 Methods in the ``alloc``, ``copy``, ``mutableCopy``, and ``new`` families ---
1263 that is, methods in all the currently-defined families except ``init`` ---
1264 implicitly :ref:`return a retained object
1265 <arc.object.operands.retained-return-values>` as if they were annotated with
1266 the ``ns_returns_retained`` attribute.  This can be overridden by annotating
1267 the method with either of the ``ns_returns_autoreleased`` or
1268 ``ns_returns_not_retained`` attributes.
1269
1270 Properties also follow same naming rules as methods.  This means that those in
1271 the ``alloc``, ``copy``, ``mutableCopy``, and ``new`` families provide access
1272 to :ref:`retained objects <arc.object.operands.retained-return-values>`.  This
1273 can be overridden by annotating the property with ``ns_returns_not_retained``
1274 attribute.
1275
1276 .. _arc.family.semantics.init:
1277
1278 Semantics of ``init``
1279 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1280
1281 Methods in the ``init`` family implicitly :ref:`consume
1282 <arc.objects.operands.consumed>` their ``self`` parameter and :ref:`return a
1283 retained object <arc.object.operands.retained-return-values>`.  Neither of
1284 these properties can be altered through attributes.
1285
1286 A call to an ``init`` method with a receiver that is either ``self`` (possibly
1287 parenthesized or casted) or ``super`` is called a :arc-term:`delegate init
1288 call`.  It is an error for a delegate init call to be made except from an
1289 ``init`` method, and excluding blocks within such methods.
1290
1291 As an exception to the :ref:`usual rule <arc.misc.self>`, the variable ``self``
1292 is mutable in an ``init`` method and has the usual semantics for a ``__strong``
1293 variable.  However, it is undefined behavior and the program is ill-formed, no
1294 diagnostic required, if an ``init`` method attempts to use the previous value
1295 of ``self`` after the completion of a delegate init call.  It is conventional,
1296 but not required, for an ``init`` method to return ``self``.
1297
1298 It is undefined behavior for a program to cause two or more calls to ``init``
1299 methods on the same object, except that each ``init`` method invocation may
1300 perform at most one delegate init call.
1301
1302 .. _arc.family.semantics.result_type:
1303
1304 Related result types
1305 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1306
1307 Certain methods are candidates to have :arc-term:`related result types`:
1308
1309 * class methods in the ``alloc`` and ``new`` method families
1310 * instance methods in the ``init`` family
1311 * the instance method ``self``
1312 * outside of ARC, the instance methods ``retain`` and ``autorelease``
1313
1314 If the formal result type of such a method is ``id`` or protocol-qualified
1315 ``id``, or a type equal to the declaring class or a superclass, then it is said
1316 to have a related result type.  In this case, when invoked in an explicit
1317 message send, it is assumed to return a type related to the type of the
1318 receiver:
1319
1320 * if it is a class method, and the receiver is a class name ``T``, the message
1321   send expression has type ``T*``; otherwise
1322 * if it is an instance method, and the receiver has type ``T``, the message
1323   send expression has type ``T``; otherwise
1324 * the message send expression has the normal result type of the method.
1325
1326 This is a new rule of the Objective-C language and applies outside of ARC.
1327
1328 .. admonition:: Rationale
1329
1330   ARC's automatic code emission is more prone than most code to signature
1331   errors, i.e. errors where a call was emitted against one method signature,
1332   but the implementing method has an incompatible signature.  Having more
1333   precise type information helps drastically lower this risk, as well as
1334   catching a number of latent bugs.
1335
1336 .. _arc.optimization:
1337
1338 Optimization
1339 ============
1340
1341 Within this section, the word :arc-term:`function` will be used to
1342 refer to any structured unit of code, be it a C function, an
1343 Objective-C method, or a block.
1344
1345 This specification describes ARC as performing specific ``retain`` and
1346 ``release`` operations on retainable object pointers at specific
1347 points during the execution of a program.  These operations make up a
1348 non-contiguous subsequence of the computation history of the program.
1349 The portion of this sequence for a particular retainable object
1350 pointer for which a specific function execution is directly
1351 responsible is the :arc-term:`formal local retain history` of the
1352 object pointer.  The corresponding actual sequence executed is the
1353 `dynamic local retain history`.
1354
1355 However, under certain circumstances, ARC is permitted to re-order and
1356 eliminate operations in a manner which may alter the overall
1357 computation history beyond what is permitted by the general "as if"
1358 rule of C/C++ and the :ref:`restrictions <arc.objects.retains>` on
1359 the implementation of ``retain`` and ``release``.
1360
1361 .. admonition:: Rationale
1362
1363   Specifically, ARC is sometimes permitted to optimize ``release``
1364   operations in ways which might cause an object to be deallocated
1365   before it would otherwise be.  Without this, it would be almost
1366   impossible to eliminate any ``retain``/``release`` pairs.  For
1367   example, consider the following code:
1368
1369   .. code-block:: objc
1370
1371     id x = _ivar;
1372     [x foo];
1373
1374   If we were not permitted in any event to shorten the lifetime of the
1375   object in ``x``, then we would not be able to eliminate this retain
1376   and release unless we could prove that the message send could not
1377   modify ``_ivar`` (or deallocate ``self``).  Since message sends are
1378   opaque to the optimizer, this is not possible, and so ARC's hands
1379   would be almost completely tied.
1380
1381 ARC makes no guarantees about the execution of a computation history
1382 which contains undefined behavior.  In particular, ARC makes no
1383 guarantees in the presence of race conditions.
1384
1385 ARC may assume that any retainable object pointers it receives or
1386 generates are instantaneously valid from that point until a point
1387 which, by the concurrency model of the host language, happens-after
1388 the generation of the pointer and happens-before a release of that
1389 object (possibly via an aliasing pointer or indirectly due to
1390 destruction of a different object).
1391
1392 .. admonition:: Rationale
1393
1394   There is very little point in trying to guarantee correctness in the
1395   presence of race conditions.  ARC does not have a stack-scanning
1396   garbage collector, and guaranteeing the atomicity of every load and
1397   store operation would be prohibitive and preclude a vast amount of
1398   optimization.
1399
1400 ARC may assume that non-ARC code engages in sensible balancing
1401 behavior and does not rely on exact or minimum retain count values
1402 except as guaranteed by ``__strong`` object invariants or +1 transfer
1403 conventions.  For example, if an object is provably double-retained
1404 and double-released, ARC may eliminate the inner retain and release;
1405 it does not need to guard against code which performs an unbalanced
1406 release followed by a "balancing" retain.
1407
1408 .. _arc.optimization.liveness:
1409
1410 Object liveness
1411 ---------------
1412
1413 ARC may not allow a retainable object ``X`` to be deallocated at a
1414 time ``T`` in a computation history if:
1415
1416 * ``X`` is the value stored in a ``__strong`` object ``S`` with
1417   :ref:`precise lifetime semantics <arc.optimization.precise>`, or
1418
1419 * ``X`` is the value stored in a ``__strong`` object ``S`` with
1420   imprecise lifetime semantics and, at some point after ``T`` but
1421   before the next store to ``S``, the computation history features a
1422   load from ``S`` and in some way depends on the value loaded, or
1423
1424 * ``X`` is a value described as being released at the end of the
1425   current full-expression and, at some point after ``T`` but before
1426   the end of the full-expression, the computation history depends
1427   on that value.
1428
1429 .. admonition:: Rationale
1430
1431   The intent of the second rule is to say that objects held in normal
1432   ``__strong`` local variables may be released as soon as the value in
1433   the variable is no longer being used: either the variable stops
1434   being used completely or a new value is stored in the variable.
1435
1436   The intent of the third rule is to say that return values may be
1437   released after they've been used.
1438
1439 A computation history depends on a pointer value ``P`` if it:
1440
1441 * performs a pointer comparison with ``P``,
1442 * loads from ``P``,
1443 * stores to ``P``,
1444 * depends on a pointer value ``Q`` derived via pointer arithmetic
1445   from ``P`` (including an instance-variable or field access), or
1446 * depends on a pointer value ``Q`` loaded from ``P``.
1447
1448 Dependency applies only to values derived directly or indirectly from
1449 a particular expression result and does not occur merely because a
1450 separate pointer value dynamically aliases ``P``.  Furthermore, this
1451 dependency is not carried by values that are stored to objects.
1452
1453 .. admonition:: Rationale
1454
1455   The restrictions on dependency are intended to make this analysis
1456   feasible by an optimizer with only incomplete information about a
1457   program.  Essentially, dependence is carried to "obvious" uses of a
1458   pointer.  Merely passing a pointer argument to a function does not
1459   itself cause dependence, but since generally the optimizer will not
1460   be able to prove that the function doesn't depend on that parameter,
1461   it will be forced to conservatively assume it does.
1462
1463   Dependency propagates to values loaded from a pointer because those
1464   values might be invalidated by deallocating the object.  For
1465   example, given the code ``__strong id x = p->ivar;``, ARC must not
1466   move the release of ``p`` to between the load of ``p->ivar`` and the
1467   retain of that value for storing into ``x``.
1468
1469   Dependency does not propagate through stores of dependent pointer
1470   values because doing so would allow dependency to outlive the
1471   full-expression which produced the original value.  For example, the
1472   address of an instance variable could be written to some global
1473   location and then freely accessed during the lifetime of the local,
1474   or a function could return an inner pointer of an object and store
1475   it to a local.  These cases would be potentially impossible to
1476   reason about and so would basically prevent any optimizations based
1477   on imprecise lifetime.  There are also uncommon enough to make it
1478   reasonable to require the precise-lifetime annotation if someone
1479   really wants to rely on them.
1480
1481   Dependency does propagate through return values of pointer type.
1482   The compelling source of need for this rule is a property accessor
1483   which returns an un-autoreleased result; the calling function must
1484   have the chance to operate on the value, e.g. to retain it, before
1485   ARC releases the original pointer.  Note again, however, that
1486   dependence does not survive a store, so ARC does not guarantee the
1487   continued validity of the return value past the end of the
1488   full-expression.
1489
1490 .. _arc.optimization.object_lifetime:
1491
1492 No object lifetime extension
1493 ----------------------------
1494
1495 If, in the formal computation history of the program, an object ``X``
1496 has been deallocated by the time of an observable side-effect, then
1497 ARC must cause ``X`` to be deallocated by no later than the occurrence
1498 of that side-effect, except as influenced by the re-ordering of the
1499 destruction of objects.
1500
1501 .. admonition:: Rationale
1502
1503   This rule is intended to prohibit ARC from observably extending the
1504   lifetime of a retainable object, other than as specified in this
1505   document.  Together with the rule limiting the transformation of
1506   releases, this rule requires ARC to eliminate retains and release
1507   only in pairs.
1508
1509   ARC's power to reorder the destruction of objects is critical to its
1510   ability to do any optimization, for essentially the same reason that
1511   it must retain the power to decrease the lifetime of an object.
1512   Unfortunately, while it's generally poor style for the destruction
1513   of objects to have arbitrary side-effects, it's certainly possible.
1514   Hence the caveat.
1515
1516 .. _arc.optimization.precise:
1517
1518 Precise lifetime semantics
1519 --------------------------
1520
1521 In general, ARC maintains an invariant that a retainable object pointer held in
1522 a ``__strong`` object will be retained for the full formal lifetime of the
1523 object.  Objects subject to this invariant have :arc-term:`precise lifetime
1524 semantics`.
1525
1526 By default, local variables of automatic storage duration do not have precise
1527 lifetime semantics.  Such objects are simply strong references which hold
1528 values of retainable object pointer type, and these values are still fully
1529 subject to the optimizations on values under local control.
1530
1531 .. admonition:: Rationale
1532
1533   Applying these precise-lifetime semantics strictly would be prohibitive.
1534   Many useful optimizations that might theoretically decrease the lifetime of
1535   an object would be rendered impossible.  Essentially, it promises too much.
1536
1537 A local variable of retainable object owner type and automatic storage duration
1538 may be annotated with the ``objc_precise_lifetime`` attribute to indicate that
1539 it should be considered to be an object with precise lifetime semantics.
1540
1541 .. admonition:: Rationale
1542
1543   Nonetheless, it is sometimes useful to be able to force an object to be
1544   released at a precise time, even if that object does not appear to be used.
1545   This is likely to be uncommon enough that the syntactic weight of explicitly
1546   requesting these semantics will not be burdensome, and may even make the code
1547   clearer.
1548
1549 .. _arc.misc:
1550
1551 Miscellaneous
1552 =============
1553
1554 .. _arc.misc.special_methods:
1555
1556 Special methods
1557 ---------------
1558
1559 .. _arc.misc.special_methods.retain:
1560
1561 Memory management methods
1562 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1563
1564 A program is ill-formed if it contains a method definition, message send, or
1565 ``@selector`` expression for any of the following selectors:
1566
1567 * ``autorelease``
1568 * ``release``
1569 * ``retain``
1570 * ``retainCount``
1571
1572 .. admonition:: Rationale
1573
1574   ``retainCount`` is banned because ARC robs it of consistent semantics.  The
1575   others were banned after weighing three options for how to deal with message
1576   sends:
1577
1578   **Honoring** them would work out very poorly if a programmer naively or
1579   accidentally tried to incorporate code written for manual retain/release code
1580   into an ARC program.  At best, such code would do twice as much work as
1581   necessary; quite frequently, however, ARC and the explicit code would both
1582   try to balance the same retain, leading to crashes.  The cost is losing the
1583   ability to perform "unrooted" retains, i.e. retains not logically
1584   corresponding to a strong reference in the object graph.
1585
1586   **Ignoring** them would badly violate user expectations about their code.
1587   While it *would* make it easier to develop code simultaneously for ARC and
1588   non-ARC, there is very little reason to do so except for certain library
1589   developers.  ARC and non-ARC translation units share an execution model and
1590   can seamlessly interoperate.  Within a translation unit, a developer who
1591   faithfully maintains their code in non-ARC mode is suffering all the
1592   restrictions of ARC for zero benefit, while a developer who isn't testing the
1593   non-ARC mode is likely to be unpleasantly surprised if they try to go back to
1594   it.
1595
1596   **Banning** them has the disadvantage of making it very awkward to migrate
1597   existing code to ARC.  The best answer to that, given a number of other
1598   changes and restrictions in ARC, is to provide a specialized tool to assist
1599   users in that migration.
1600
1601   Implementing these methods was banned because they are too integral to the
1602   semantics of ARC; many tricks which worked tolerably under manual reference
1603   counting will misbehave if ARC performs an ephemeral extra retain or two.  If
1604   absolutely required, it is still possible to implement them in non-ARC code,
1605   for example in a category; the implementations must obey the :ref:`semantics
1606   <arc.objects.retains>` laid out elsewhere in this document.
1607
1608 .. _arc.misc.special_methods.dealloc:
1609
1610 ``dealloc``
1611 ^^^^^^^^^^^
1612
1613 A program is ill-formed if it contains a message send or ``@selector``
1614 expression for the selector ``dealloc``.
1615
1616 .. admonition:: Rationale
1617
1618   There are no legitimate reasons to call ``dealloc`` directly.
1619
1620 A class may provide a method definition for an instance method named
1621 ``dealloc``.  This method will be called after the final ``release`` of the
1622 object but before it is deallocated or any of its instance variables are
1623 destroyed.  The superclass's implementation of ``dealloc`` will be called
1624 automatically when the method returns.
1625
1626 .. admonition:: Rationale
1627
1628   Even though ARC destroys instance variables automatically, there are still
1629   legitimate reasons to write a ``dealloc`` method, such as freeing
1630   non-retainable resources.  Failing to call ``[super dealloc]`` in such a
1631   method is nearly always a bug.  Sometimes, the object is simply trying to
1632   prevent itself from being destroyed, but ``dealloc`` is really far too late
1633   for the object to be raising such objections.  Somewhat more legitimately, an
1634   object may have been pool-allocated and should not be deallocated with
1635   ``free``; for now, this can only be supported with a ``dealloc``
1636   implementation outside of ARC.  Such an implementation must be very careful
1637   to do all the other work that ``NSObject``'s ``dealloc`` would, which is
1638   outside the scope of this document to describe.
1639
1640 The instance variables for an ARC-compiled class will be destroyed at some
1641 point after control enters the ``dealloc`` method for the root class of the
1642 class.  The ordering of the destruction of instance variables is unspecified,
1643 both within a single class and between subclasses and superclasses.
1644
1645 .. admonition:: Rationale
1646
1647   The traditional, non-ARC pattern for destroying instance variables is to
1648   destroy them immediately before calling ``[super dealloc]``.  Unfortunately,
1649   message sends from the superclass are quite capable of reaching methods in
1650   the subclass, and those methods may well read or write to those instance
1651   variables.  Making such message sends from dealloc is generally discouraged,
1652   since the subclass may well rely on other invariants that were broken during
1653   ``dealloc``, but it's not so inescapably dangerous that we felt comfortable
1654   calling it undefined behavior.  Therefore we chose to delay destroying the
1655   instance variables to a point at which message sends are clearly disallowed:
1656   the point at which the root class's deallocation routines take over.
1657
1658   In most code, the difference is not observable.  It can, however, be observed
1659   if an instance variable holds a strong reference to an object whose
1660   deallocation will trigger a side-effect which must be carefully ordered with
1661   respect to the destruction of the super class.  Such code violates the design
1662   principle that semantically important behavior should be explicit.  A simple
1663   fix is to clear the instance variable manually during ``dealloc``; a more
1664   holistic solution is to move semantically important side-effects out of
1665   ``dealloc`` and into a separate teardown phase which can rely on working with
1666   well-formed objects.
1667
1668 .. _arc.misc.autoreleasepool:
1669
1670 ``@autoreleasepool``
1671 --------------------
1672
1673 To simplify the use of autorelease pools, and to bring them under the control
1674 of the compiler, a new kind of statement is available in Objective-C.  It is
1675 written ``@autoreleasepool`` followed by a *compound-statement*, i.e.  by a new
1676 scope delimited by curly braces.  Upon entry to this block, the current state
1677 of the autorelease pool is captured.  When the block is exited normally,
1678 whether by fallthrough or directed control flow (such as ``return`` or
1679 ``break``), the autorelease pool is restored to the saved state, releasing all
1680 the objects in it.  When the block is exited with an exception, the pool is not
1681 drained.
1682
1683 ``@autoreleasepool`` may be used in non-ARC translation units, with equivalent
1684 semantics.
1685
1686 A program is ill-formed if it refers to the ``NSAutoreleasePool`` class.
1687
1688 .. admonition:: Rationale
1689
1690   Autorelease pools are clearly important for the compiler to reason about, but
1691   it is far too much to expect the compiler to accurately reason about control
1692   dependencies between two calls.  It is also very easy to accidentally forget
1693   to drain an autorelease pool when using the manual API, and this can
1694   significantly inflate the process's high-water-mark.  The introduction of a
1695   new scope is unfortunate but basically required for sane interaction with the
1696   rest of the language.  Not draining the pool during an unwind is apparently
1697   required by the Objective-C exceptions implementation.
1698
1699 .. _arc.misc.self:
1700
1701 ``self``
1702 --------
1703
1704 The ``self`` parameter variable of an Objective-C method is never actually
1705 retained by the implementation.  It is undefined behavior, or at least
1706 dangerous, to cause an object to be deallocated during a message send to that
1707 object.
1708
1709 To make this safe, for Objective-C instance methods ``self`` is implicitly
1710 ``const`` unless the method is in the :ref:`init family
1711 <arc.family.semantics.init>`.  Further, ``self`` is **always** implicitly
1712 ``const`` within a class method.
1713
1714 .. admonition:: Rationale
1715
1716   The cost of retaining ``self`` in all methods was found to be prohibitive, as
1717   it tends to be live across calls, preventing the optimizer from proving that
1718   the retain and release are unnecessary --- for good reason, as it's quite
1719   possible in theory to cause an object to be deallocated during its execution
1720   without this retain and release.  Since it's extremely uncommon to actually
1721   do so, even unintentionally, and since there's no natural way for the
1722   programmer to remove this retain/release pair otherwise (as there is for
1723   other parameters by, say, making the variable ``__unsafe_unretained``), we
1724   chose to make this optimizing assumption and shift some amount of risk to the
1725   user.
1726
1727 .. _arc.misc.enumeration:
1728
1729 Fast enumeration iteration variables
1730 ------------------------------------
1731
1732 If a variable is declared in the condition of an Objective-C fast enumeration
1733 loop, and the variable has no explicit ownership qualifier, then it is
1734 qualified with ``const __strong`` and objects encountered during the
1735 enumeration are not actually retained.
1736
1737 .. admonition:: Rationale
1738
1739   This is an optimization made possible because fast enumeration loops promise
1740   to keep the objects retained during enumeration, and the collection itself
1741   cannot be synchronously modified.  It can be overridden by explicitly
1742   qualifying the variable with ``__strong``, which will make the variable
1743   mutable again and cause the loop to retain the objects it encounters.
1744
1745 .. _arc.misc.blocks:
1746
1747 Blocks
1748 ------
1749
1750 The implicit ``const`` capture variables created when evaluating a block
1751 literal expression have the same ownership semantics as the local variables
1752 they capture.  The capture is performed by reading from the captured variable
1753 and initializing the capture variable with that value; the capture variable is
1754 destroyed when the block literal is, i.e. at the end of the enclosing scope.
1755
1756 The :ref:`inference <arc.ownership.inference>` rules apply equally to
1757 ``__block`` variables, which is a shift in semantics from non-ARC, where
1758 ``__block`` variables did not implicitly retain during capture.
1759
1760 ``__block`` variables of retainable object owner type are moved off the stack
1761 by initializing the heap copy with the result of moving from the stack copy.
1762
1763 With the exception of retains done as part of initializing a ``__strong``
1764 parameter variable or reading a ``__weak`` variable, whenever these semantics
1765 call for retaining a value of block-pointer type, it has the effect of a
1766 ``Block_copy``.  The optimizer may remove such copies when it sees that the
1767 result is used only as an argument to a call.
1768
1769 .. _arc.misc.exceptions:
1770
1771 Exceptions
1772 ----------
1773
1774 By default in Objective C, ARC is not exception-safe for normal releases:
1775
1776 * It does not end the lifetime of ``__strong`` variables when their scopes are
1777   abnormally terminated by an exception.
1778 * It does not perform releases which would occur at the end of a
1779   full-expression if that full-expression throws an exception.
1780
1781 A program may be compiled with the option ``-fobjc-arc-exceptions`` in order to
1782 enable these, or with the option ``-fno-objc-arc-exceptions`` to explicitly
1783 disable them, with the last such argument "winning".
1784
1785 .. admonition:: Rationale
1786
1787   The standard Cocoa convention is that exceptions signal programmer error and
1788   are not intended to be recovered from.  Making code exceptions-safe by
1789   default would impose severe runtime and code size penalties on code that
1790   typically does not actually care about exceptions safety.  Therefore,
1791   ARC-generated code leaks by default on exceptions, which is just fine if the
1792   process is going to be immediately terminated anyway.  Programs which do care
1793   about recovering from exceptions should enable the option.
1794
1795 In Objective-C++, ``-fobjc-arc-exceptions`` is enabled by default.
1796
1797 .. admonition:: Rationale
1798
1799   C++ already introduces pervasive exceptions-cleanup code of the sort that ARC
1800   introduces.  C++ programmers who have not already disabled exceptions are
1801   much more likely to actual require exception-safety.
1802
1803 ARC does end the lifetimes of ``__weak`` objects when an exception terminates
1804 their scope unless exceptions are disabled in the compiler.
1805
1806 .. admonition:: Rationale
1807
1808   The consequence of a local ``__weak`` object not being destroyed is very
1809   likely to be corruption of the Objective-C runtime, so we want to be safer
1810   here.  Of course, potentially massive leaks are about as likely to take down
1811   the process as this corruption is if the program does try to recover from
1812   exceptions.
1813
1814 .. _arc.misc.interior:
1815
1816 Interior pointers
1817 -----------------
1818
1819 An Objective-C method returning a non-retainable pointer may be annotated with
1820 the ``objc_returns_inner_pointer`` attribute to indicate that it returns a
1821 handle to the internal data of an object, and that this reference will be
1822 invalidated if the object is destroyed.  When such a message is sent to an
1823 object, the object's lifetime will be extended until at least the earliest of:
1824
1825 * the last use of the returned pointer, or any pointer derived from it, in the
1826   calling function or
1827 * the autorelease pool is restored to a previous state.
1828
1829 .. admonition:: Rationale
1830
1831   Rationale: not all memory and resources are managed with reference counts; it
1832   is common for objects to manage private resources in their own, private way.
1833   Typically these resources are completely encapsulated within the object, but
1834   some classes offer their users direct access for efficiency.  If ARC is not
1835   aware of methods that return such "interior" pointers, its optimizations can
1836   cause the owning object to be reclaimed too soon.  This attribute informs ARC
1837   that it must tread lightly.
1838
1839   The extension rules are somewhat intentionally vague.  The autorelease pool
1840   limit is there to permit a simple implementation to simply retain and
1841   autorelease the receiver.  The other limit permits some amount of
1842   optimization.  The phrase "derived from" is intended to encompass the results
1843   both of pointer transformations, such as casts and arithmetic, and of loading
1844   from such derived pointers; furthermore, it applies whether or not such
1845   derivations are applied directly in the calling code or by other utility code
1846   (for example, the C library routine ``strchr``).  However, the implementation
1847   never need account for uses after a return from the code which calls the
1848   method returning an interior pointer.
1849
1850 As an exception, no extension is required if the receiver is loaded directly
1851 from a ``__strong`` object with :ref:`precise lifetime semantics
1852 <arc.optimization.precise>`.
1853
1854 .. admonition:: Rationale
1855
1856   Implicit autoreleases carry the risk of significantly inflating memory use,
1857   so it's important to provide users a way of avoiding these autoreleases.
1858   Tying this to precise lifetime semantics is ideal, as for local variables
1859   this requires a very explicit annotation, which allows ARC to trust the user
1860   with good cheer.
1861
1862 .. _arc.misc.c-retainable:
1863
1864 C retainable pointer types
1865 --------------------------
1866
1867 A type is a :arc-term:`C retainable pointer type` if it is a pointer to
1868 (possibly qualified) ``void`` or a pointer to a (possibly qualifier) ``struct``
1869 or ``class`` type.
1870
1871 .. admonition:: Rationale
1872
1873   ARC does not manage pointers of CoreFoundation type (or any of the related
1874   families of retainable C pointers which interoperate with Objective-C for
1875   retain/release operation).  In fact, ARC does not even know how to
1876   distinguish these types from arbitrary C pointer types.  The intent of this
1877   concept is to filter out some obviously non-object types while leaving a hook
1878   for later tightening if a means of exhaustively marking CF types is made
1879   available.
1880
1881 .. _arc.misc.c-retainable.audit:
1882
1883 Auditing of C retainable pointer interfaces
1884 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1885
1886 :when-revised:`[beginning Apple 4.0, LLVM 3.1]`
1887
1888 A C function may be marked with the ``cf_audited_transfer`` attribute to
1889 express that, except as otherwise marked with attributes, it obeys the
1890 parameter (consuming vs. non-consuming) and return (retained vs. non-retained)
1891 conventions for a C function of its name, namely:
1892
1893 * A parameter of C retainable pointer type is assumed to not be consumed
1894   unless it is marked with the ``cf_consumed`` attribute, and
1895 * A result of C retainable pointer type is assumed to not be returned retained
1896   unless the function is either marked ``cf_returns_retained`` or it follows
1897   the create/copy naming convention and is not marked
1898   ``cf_returns_not_retained``.
1899
1900 A function obeys the :arc-term:`create/copy` naming convention if its name
1901 contains as a substring:
1902
1903 * either "Create" or "Copy" not followed by a lowercase letter, or
1904 * either "create" or "copy" not followed by a lowercase letter and
1905   not preceded by any letter, whether uppercase or lowercase.
1906
1907 A second attribute, ``cf_unknown_transfer``, signifies that a function's
1908 transfer semantics cannot be accurately captured using any of these
1909 annotations.  A program is ill-formed if it annotates the same function with
1910 both ``cf_audited_transfer`` and ``cf_unknown_transfer``.
1911
1912 A pragma is provided to facilitate the mass annotation of interfaces:
1913
1914 .. code-block:: objc
1915
1916   #pragma clang arc_cf_code_audited begin
1917   ...
1918   #pragma clang arc_cf_code_audited end
1919
1920 All C functions declared within the extent of this pragma are treated as if
1921 annotated with the ``cf_audited_transfer`` attribute unless they otherwise have
1922 the ``cf_unknown_transfer`` attribute.  The pragma is accepted in all language
1923 modes.  A program is ill-formed if it attempts to change files, whether by
1924 including a file or ending the current file, within the extent of this pragma.
1925
1926 It is possible to test for all the features in this section with
1927 ``__has_feature(arc_cf_code_audited)``.
1928
1929 .. admonition:: Rationale
1930
1931   A significant inconvenience in ARC programming is the necessity of
1932   interacting with APIs based around C retainable pointers.  These features are
1933   designed to make it relatively easy for API authors to quickly review and
1934   annotate their interfaces, in turn improving the fidelity of tools such as
1935   the static analyzer and ARC.  The single-file restriction on the pragma is
1936   designed to eliminate the risk of accidentally annotating some other header's
1937   interfaces.
1938
1939 .. _arc.runtime:
1940
1941 Runtime support
1942 ===============
1943
1944 This section describes the interaction between the ARC runtime and the code
1945 generated by the ARC compiler.  This is not part of the ARC language
1946 specification; instead, it is effectively a language-specific ABI supplement,
1947 akin to the "Itanium" generic ABI for C++.
1948
1949 Ownership qualification does not alter the storage requirements for objects,
1950 except that it is undefined behavior if a ``__weak`` object is inadequately
1951 aligned for an object of type ``id``.  The other qualifiers may be used on
1952 explicitly under-aligned memory.
1953
1954 The runtime tracks ``__weak`` objects which holds non-null values.  It is
1955 undefined behavior to direct modify a ``__weak`` object which is being tracked
1956 by the runtime except through an
1957 :ref:`objc_storeWeak <arc.runtime.objc_storeWeak>`,
1958 :ref:`objc_destroyWeak <arc.runtime.objc_destroyWeak>`, or
1959 :ref:`objc_moveWeak <arc.runtime.objc_moveWeak>` call.
1960
1961 The runtime must provide a number of new entrypoints which the compiler may
1962 emit, which are described in the remainder of this section.
1963
1964 .. admonition:: Rationale
1965
1966   Several of these functions are semantically equivalent to a message send; we
1967   emit calls to C functions instead because:
1968
1969   * the machine code to do so is significantly smaller,
1970   * it is much easier to recognize the C functions in the ARC optimizer, and
1971   * a sufficient sophisticated runtime may be able to avoid the message send in
1972     common cases.
1973
1974   Several other of these functions are "fused" operations which can be
1975   described entirely in terms of other operations.  We use the fused operations
1976   primarily as a code-size optimization, although in some cases there is also a
1977   real potential for avoiding redundant operations in the runtime.
1978
1979 .. _arc.runtime.objc_autorelease:
1980
1981 ``id objc_autorelease(id value);``
1982 ----------------------------------
1983
1984 *Precondition:* ``value`` is null or a pointer to a valid object.
1985
1986 If ``value`` is null, this call has no effect.  Otherwise, it adds the object
1987 to the innermost autorelease pool exactly as if the object had been sent the
1988 ``autorelease`` message.
1989
1990 Always returns ``value``.
1991
1992 .. _arc.runtime.objc_autoreleasePoolPop:
1993
1994 ``void objc_autoreleasePoolPop(void *pool);``
1995 ---------------------------------------------
1996
1997 *Precondition:* ``pool`` is the result of a previous call to
1998 :ref:`objc_autoreleasePoolPush <arc.runtime.objc_autoreleasePoolPush>` on the
1999 current thread, where neither ``pool`` nor any enclosing pool have previously
2000 been popped.
2001
2002 Releases all the objects added to the given autorelease pool and any
2003 autorelease pools it encloses, then sets the current autorelease pool to the
2004 pool directly enclosing ``pool``.
2005
2006 .. _arc.runtime.objc_autoreleasePoolPush:
2007
2008 ``void *objc_autoreleasePoolPush(void);``
2009 -----------------------------------------
2010
2011 Creates a new autorelease pool that is enclosed by the current pool, makes that
2012 the current pool, and returns an opaque "handle" to it.
2013
2014 .. admonition:: Rationale
2015
2016   While the interface is described as an explicit hierarchy of pools, the rules
2017   allow the implementation to just keep a stack of objects, using the stack
2018   depth as the opaque pool handle.
2019
2020 .. _arc.runtime.objc_autoreleaseReturnValue:
2021
2022 ``id objc_autoreleaseReturnValue(id value);``
2023 ---------------------------------------------
2024
2025 *Precondition:* ``value`` is null or a pointer to a valid object.
2026
2027 If ``value`` is null, this call has no effect.  Otherwise, it makes a best
2028 effort to hand off ownership of a retain count on the object to a call to
2029 :ref:`objc_retainAutoreleasedReturnValue
2030 <arc.runtime.objc_retainAutoreleasedReturnValue>` for the same object in an
2031 enclosing call frame.  If this is not possible, the object is autoreleased as
2032 above.
2033
2034 Always returns ``value``.
2035
2036 .. _arc.runtime.objc_copyWeak:
2037
2038 ``void objc_copyWeak(id *dest, id *src);``
2039 ------------------------------------------
2040
2041 *Precondition:* ``src`` is a valid pointer which either contains a null pointer
2042 or has been registered as a ``__weak`` object.  ``dest`` is a valid pointer
2043 which has not been registered as a ``__weak`` object.
2044
2045 ``dest`` is initialized to be equivalent to ``src``, potentially registering it
2046 with the runtime.  Equivalent to the following code:
2047
2048 .. code-block:: objc
2049
2050   void objc_copyWeak(id *dest, id *src) {
2051     objc_release(objc_initWeak(dest, objc_loadWeakRetained(src)));
2052   }
2053
2054 Must be atomic with respect to calls to ``objc_storeWeak`` on ``src``.
2055
2056 .. _arc.runtime.objc_destroyWeak:
2057
2058 ``void objc_destroyWeak(id *object);``
2059 --------------------------------------
2060
2061 *Precondition:* ``object`` is a valid pointer which either contains a null
2062 pointer or has been registered as a ``__weak`` object.
2063
2064 ``object`` is unregistered as a weak object, if it ever was.  The current value
2065 of ``object`` is left unspecified; otherwise, equivalent to the following code:
2066
2067 .. code-block:: objc
2068
2069   void objc_destroyWeak(id *object) {
2070     objc_storeWeak(object, nil);
2071   }
2072
2073 Does not need to be atomic with respect to calls to ``objc_storeWeak`` on
2074 ``object``.
2075
2076 .. _arc.runtime.objc_initWeak:
2077
2078 ``id objc_initWeak(id *object, id value);``
2079 -------------------------------------------
2080
2081 *Precondition:* ``object`` is a valid pointer which has not been registered as
2082 a ``__weak`` object.  ``value`` is null or a pointer to a valid object.
2083
2084 If ``value`` is a null pointer or the object to which it points has begun
2085 deallocation, ``object`` is zero-initialized.  Otherwise, ``object`` is
2086 registered as a ``__weak`` object pointing to ``value``.  Equivalent to the
2087 following code:
2088
2089 .. code-block:: objc
2090
2091   id objc_initWeak(id *object, id value) {
2092     *object = nil;
2093     return objc_storeWeak(object, value);
2094   }
2095
2096 Returns the value of ``object`` after the call.
2097
2098 Does not need to be atomic with respect to calls to ``objc_storeWeak`` on
2099 ``object``.
2100
2101 .. _arc.runtime.objc_loadWeak:
2102
2103 ``id objc_loadWeak(id *object);``
2104 ---------------------------------
2105
2106 *Precondition:* ``object`` is a valid pointer which either contains a null
2107 pointer or has been registered as a ``__weak`` object.
2108
2109 If ``object`` is registered as a ``__weak`` object, and the last value stored
2110 into ``object`` has not yet been deallocated or begun deallocation, retains and
2111 autoreleases that value and returns it.  Otherwise returns null.  Equivalent to
2112 the following code:
2113
2114 .. code-block:: objc
2115
2116   id objc_loadWeak(id *object) {
2117     return objc_autorelease(objc_loadWeakRetained(object));
2118   }
2119
2120 Must be atomic with respect to calls to ``objc_storeWeak`` on ``object``.
2121
2122 .. admonition:: Rationale
2123
2124   Loading weak references would be inherently prone to race conditions without
2125   the retain.
2126
2127 .. _arc.runtime.objc_loadWeakRetained:
2128
2129 ``id objc_loadWeakRetained(id *object);``
2130 -----------------------------------------
2131
2132 *Precondition:* ``object`` is a valid pointer which either contains a null
2133 pointer or has been registered as a ``__weak`` object.
2134
2135 If ``object`` is registered as a ``__weak`` object, and the last value stored
2136 into ``object`` has not yet been deallocated or begun deallocation, retains
2137 that value and returns it.  Otherwise returns null.
2138
2139 Must be atomic with respect to calls to ``objc_storeWeak`` on ``object``.
2140
2141 .. _arc.runtime.objc_moveWeak:
2142
2143 ``void objc_moveWeak(id *dest, id *src);``
2144 ------------------------------------------
2145
2146 *Precondition:* ``src`` is a valid pointer which either contains a null pointer
2147 or has been registered as a ``__weak`` object.  ``dest`` is a valid pointer
2148 which has not been registered as a ``__weak`` object.
2149
2150 ``dest`` is initialized to be equivalent to ``src``, potentially registering it
2151 with the runtime.  ``src`` may then be left in its original state, in which
2152 case this call is equivalent to :ref:`objc_copyWeak
2153 <arc.runtime.objc_copyWeak>`, or it may be left as null.
2154
2155 Must be atomic with respect to calls to ``objc_storeWeak`` on ``src``.
2156
2157 .. _arc.runtime.objc_release:
2158
2159 ``void objc_release(id value);``
2160 --------------------------------
2161
2162 *Precondition:* ``value`` is null or a pointer to a valid object.
2163
2164 If ``value`` is null, this call has no effect.  Otherwise, it performs a
2165 release operation exactly as if the object had been sent the ``release``
2166 message.
2167
2168 .. _arc.runtime.objc_retain:
2169
2170 ``id objc_retain(id value);``
2171 -----------------------------
2172
2173 *Precondition:* ``value`` is null or a pointer to a valid object.
2174
2175 If ``value`` is null, this call has no effect.  Otherwise, it performs a retain
2176 operation exactly as if the object had been sent the ``retain`` message.
2177
2178 Always returns ``value``.
2179
2180 .. _arc.runtime.objc_retainAutorelease:
2181
2182 ``id objc_retainAutorelease(id value);``
2183 ----------------------------------------
2184
2185 *Precondition:* ``value`` is null or a pointer to a valid object.
2186
2187 If ``value`` is null, this call has no effect.  Otherwise, it performs a retain
2188 operation followed by an autorelease operation.  Equivalent to the following
2189 code:
2190
2191 .. code-block:: objc
2192
2193   id objc_retainAutorelease(id value) {
2194     return objc_autorelease(objc_retain(value));
2195   }
2196
2197 Always returns ``value``.
2198
2199 .. _arc.runtime.objc_retainAutoreleaseReturnValue:
2200
2201 ``id objc_retainAutoreleaseReturnValue(id value);``
2202 ---------------------------------------------------
2203
2204 *Precondition:* ``value`` is null or a pointer to a valid object.
2205
2206 If ``value`` is null, this call has no effect.  Otherwise, it performs a retain
2207 operation followed by the operation described in
2208 :ref:`objc_autoreleaseReturnValue <arc.runtime.objc_autoreleaseReturnValue>`.
2209 Equivalent to the following code:
2210
2211 .. code-block:: objc
2212
2213   id objc_retainAutoreleaseReturnValue(id value) {
2214     return objc_autoreleaseReturnValue(objc_retain(value));
2215   }
2216
2217 Always returns ``value``.
2218
2219 .. _arc.runtime.objc_retainAutoreleasedReturnValue:
2220
2221 ``id objc_retainAutoreleasedReturnValue(id value);``
2222 ----------------------------------------------------
2223
2224 *Precondition:* ``value`` is null or a pointer to a valid object.
2225
2226 If ``value`` is null, this call has no effect.  Otherwise, it attempts to
2227 accept a hand off of a retain count from a call to
2228 :ref:`objc_autoreleaseReturnValue <arc.runtime.objc_autoreleaseReturnValue>` on
2229 ``value`` in a recently-called function or something it calls.  If that fails,
2230 it performs a retain operation exactly like :ref:`objc_retain
2231 <arc.runtime.objc_retain>`.
2232
2233 Always returns ``value``.
2234
2235 .. _arc.runtime.objc_retainBlock:
2236
2237 ``id objc_retainBlock(id value);``
2238 ----------------------------------
2239
2240 *Precondition:* ``value`` is null or a pointer to a valid block object.
2241
2242 If ``value`` is null, this call has no effect.  Otherwise, if the block pointed
2243 to by ``value`` is still on the stack, it is copied to the heap and the address
2244 of the copy is returned.  Otherwise a retain operation is performed on the
2245 block exactly as if it had been sent the ``retain`` message.
2246
2247 .. _arc.runtime.objc_storeStrong:
2248
2249 ``id objc_storeStrong(id *object, id value);``
2250 ----------------------------------------------
2251
2252 *Precondition:* ``object`` is a valid pointer to a ``__strong`` object which is
2253 adequately aligned for a pointer.  ``value`` is null or a pointer to a valid
2254 object.
2255
2256 Performs the complete sequence for assigning to a ``__strong`` object of
2257 non-block type [*]_.  Equivalent to the following code:
2258
2259 .. code-block:: objc
2260
2261   id objc_storeStrong(id *object, id value) {
2262     value = [value retain];
2263     id oldValue = *object;
2264     *object = value;
2265     [oldValue release];
2266     return value;
2267   }
2268
2269 Always returns ``value``.
2270
2271 .. [*] This does not imply that a ``__strong`` object of block type is an
2272    invalid argument to this function. Rather it implies that an ``objc_retain``
2273    and not an ``objc_retainBlock`` operation will be emitted if the argument is
2274    a block.
2275
2276 .. _arc.runtime.objc_storeWeak:
2277
2278 ``id objc_storeWeak(id *object, id value);``
2279 --------------------------------------------
2280
2281 *Precondition:* ``object`` is a valid pointer which either contains a null
2282 pointer or has been registered as a ``__weak`` object.  ``value`` is null or a
2283 pointer to a valid object.
2284
2285 If ``value`` is a null pointer or the object to which it points has begun
2286 deallocation, ``object`` is assigned null and unregistered as a ``__weak``
2287 object.  Otherwise, ``object`` is registered as a ``__weak`` object or has its
2288 registration updated to point to ``value``.
2289
2290 Returns the value of ``object`` after the call.
2291