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由于 Objective-C 中的內(nèi)存管理是一個(gè)比較大的話題，所以會(huì)分為兩篇文章來(lái)對(duì)內(nèi)存管理中的一些機(jī)制進(jìn)行剖析，一部分分析自動(dòng)釋放池以及 autorelease 方法，另一部分分析 retain、release 方法的實(shí)現(xiàn)以及自動(dòng)引用計(jì)數(shù)。

寫在前面

這篇文章會(huì)在源代碼層面介紹 Objective-C 中自動(dòng)釋放池，以及方法的 autorelease 的具體實(shí)現(xiàn)。

從 main 函數(shù)開始

main 函數(shù)可以說(shuō)是在整個(gè) iOS 開發(fā)中非常不起眼的一個(gè)函數(shù)，它很好地隱藏在 Supporting Files 文件夾中，卻是整個(gè) iOS 應(yīng)用的入口。

objc-autorelease-main

main.m 文件中的內(nèi)容是這樣的：

int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));
    }
}

在這個(gè) @autoreleasepool block 中只包含了一行代碼，這行代碼將所有的事件、消息全部交給了 UIApplication 來(lái)處理，但是這不是本文關(guān)注的重點(diǎn)。

需要注意的是：整個(gè) iOS 的應(yīng)用都是包含在一個(gè)自動(dòng)釋放池 block 中的。

@autoreleasepool

@autoreleasepool 到底是什么？我們?cè)诿钚兄惺褂?clang -rewrite-objc main.m 讓編譯器重新改寫這個(gè)文件：

$ clang -rewrite-objc main.m

在生成了一大堆警告之后，當(dāng)前目錄下多了一個(gè) main.cpp 文件

objc-autorelease-main-cpp

這里刪除了 main 函數(shù)中其他無(wú)用的代碼。

在這個(gè)文件中，有一個(gè)非常奇怪的 __AtAutoreleasePool 的結(jié)構(gòu)體，前面的注釋寫到 /* @autoreleasepopl */。也就是說(shuō) @autoreleasepool {} 被轉(zhuǎn)換為一個(gè) __AtAutoreleasePool 結(jié)構(gòu)體：

{
    __AtAutoreleasePool __autoreleasepool;
}

想要弄清楚這行代碼的意義，我們要在 main.cpp 中查找名為 __AtAutoreleasePool 的結(jié)構(gòu)體：

objc-autorelease-main-cpp-struct

struct __AtAutoreleasePool {
  __AtAutoreleasePool() {atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();}
  ~__AtAutoreleasePool() {objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);}
  void * atautoreleasepoolobj;
};

這個(gè)結(jié)構(gòu)體會(huì)在初始化時(shí)調(diào)用 objc_autoreleasePoolPush() 方法，會(huì)在析構(gòu)時(shí)調(diào)用 objc_autoreleasePoolPop 方法。

這表明，我們的 main 函數(shù)在實(shí)際工作時(shí)其實(shí)是這樣的：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    {
        void * atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();
        
        // do whatever you want
        
        objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);
    }
    return 0;
}

@autoreleasepool 只是幫助我們少寫了這兩行代碼而已，讓代碼看起來(lái)更美觀，然后要根據(jù)上述兩個(gè)方法來(lái)分析自動(dòng)釋放池的實(shí)現(xiàn)。

AutoreleasePool 是什么

這一節(jié)開始分析方法 objc_autoreleasePoolPush 和 objc_autoreleasePoolPop 的實(shí)現(xiàn)：

void *objc_autoreleasePoolPush(void) {
    return AutoreleasePoolPage::push();
}

void objc_autoreleasePoolPop(void *ctxt) {
    AutoreleasePoolPage::pop(ctxt);
}

上面的方法看上去是對(duì) AutoreleasePoolPage 對(duì)應(yīng)靜態(tài)方法 push 和 pop 的封裝。

這一小節(jié)會(huì)按照下面的順序逐步解析代碼中的內(nèi)容：

AutoreleasePoolPage 的結(jié)構(gòu)
objc_autoreleasePoolPush 方法
objc_autoreleasePoolPop 方法

AutoreleasePoolPage 的結(jié)構(gòu)

AutoreleasePoolPage 是一個(gè) C++ 中的類：

objc-autorelease-AutoreleasePoolPage

它在 NSObject.mm 中的定義是這樣的：

class AutoreleasePoolPage {
    magic_t const magic;
    id *next;
    pthread_t const thread;
    AutoreleasePoolPage * const parent;
    AutoreleasePoolPage *child;
    uint32_t const depth;
    uint32_t hiwat;
};

magic 用于對(duì)當(dāng)前 AutoreleasePoolPage 完整性的校驗(yàn)
thread 保存了當(dāng)前頁(yè)所在的線程

每一個(gè)自動(dòng)釋放池都是由一系列的 AutoreleasePoolPage 組成的，并且每一個(gè) AutoreleasePoolPage 的大小都是 4096 字節(jié)（16 進(jìn)制 0x1000）

#define I386_PGBYTES 4096
#define PAGE_SIZE I386_PGBYTES

雙向鏈表

自動(dòng)釋放池中的 AutoreleasePoolPage 是以雙向鏈表的形式連接起來(lái)的：

objc-autorelease-AutoreleasePoolPage-linked-list

parent 和 child 就是用來(lái)構(gòu)造雙向鏈表的指針。

自動(dòng)釋放池中的棧

如果我們的一個(gè) AutoreleasePoolPage 被初始化在內(nèi)存的 0x100816000 ~ 0x100817000 中，它在內(nèi)存中的結(jié)構(gòu)如下：

objc-autorelease-page-in-memory

其中有 56 bit 用于存儲(chǔ) AutoreleasePoolPage 的成員變量，剩下的 0x100816038 ~ 0x100817000 都是用來(lái)存儲(chǔ)加入到自動(dòng)釋放池中的對(duì)象。

begin() 和 end() 這兩個(gè)類的實(shí)例方法幫助我們快速獲取 0x100816038 ~ 0x100817000 這一范圍的邊界地址。

next 指向了下一個(gè)為空的內(nèi)存地址，如果 next 指向的地址加入一個(gè) object，它就會(huì)如下圖所示移動(dòng)到下一個(gè)為空的內(nèi)存地址中：

objc-autorelease-after-insert-to-page

關(guān)于 hiwat 和 depth 在文章中并不會(huì)進(jìn)行介紹，因?yàn)樗鼈儾⒉挥绊懻麄€(gè)自動(dòng)釋放池的實(shí)現(xiàn)，也不在關(guān)鍵方法的調(diào)用棧中。

POOL_SENTINEL（哨兵對(duì)象）

到了這里，你可能想要知道 POOL_SENTINEL 到底是什么，還有它為什么在棧中。

首先回答第一個(gè)問(wèn)題： POOL_SENTINEL 只是 nil 的別名。

#define POOL_SENTINEL nil

在每個(gè)自動(dòng)釋放池初始化調(diào)用 objc_autoreleasePoolPush 的時(shí)候，都會(huì)把一個(gè) POOL_SENTINEL push 到自動(dòng)釋放池的棧頂，并且返回這個(gè) POOL_SENTINEL 哨兵對(duì)象。

int main(int argc, const char * argv[]) {
    {
        void * atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();
        
        // do whatever you want
        
        objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);
    }
    return 0;
}

上面的 atautoreleasepoolobj 就是一個(gè) POOL_SENTINEL。

而當(dāng)方法 objc_autoreleasePoolPop 調(diào)用時(shí)，就會(huì)向自動(dòng)釋放池中的對(duì)象發(fā)送 release 消息，直到第一個(gè) POOL_SENTINEL：

objc-autorelease-pop-stack

<a id='objc_autoreleasePoolPush'></a>objc_autoreleasePoolPush 方法

了解了 POOL_SENTINEL，我們來(lái)重新回顧一下 objc_autoreleasePoolPush 方法：

void *objc_autoreleasePoolPush(void) {
    return AutoreleasePoolPage::push();
}

它調(diào)用 AutoreleasePoolPage 的類方法 push，也非常簡(jiǎn)單：

static inline void *push() {
   return autoreleaseFast(POOL_SENTINEL);
}

<a id='autoreleaseFast'></a>在這里會(huì)進(jìn)入一個(gè)比較關(guān)鍵的方法 autoreleaseFast，并傳入哨兵對(duì)象 POOL_SENTINEL：

static inline id *autoreleaseFast(id obj)
{
   AutoreleasePoolPage *page = hotPage();
   if (page && !page->full()) {
       return page->add(obj);
   } else if (page) {
       return autoreleaseFullPage(obj, page);
   } else {
       return autoreleaseNoPage(obj);
   }
}

上述方法分三種情況選擇不同的代碼執(zhí)行：

有 hotPage 并且當(dāng)前 page 不滿
- 調(diào)用 page->add(obj) 方法將對(duì)象添加至 AutoreleasePoolPage 的棧中
有 hotPage 并且當(dāng)前 page 已滿
- 調(diào)用 autoreleaseFullPage 初始化一個(gè)新的頁(yè)
- 調(diào)用 page->add(obj) 方法將對(duì)象添加至 AutoreleasePoolPage 的棧中
無(wú) hotPage
- 調(diào)用 autoreleaseNoPage 創(chuàng)建一個(gè) hotPage
- 調(diào)用 page->add(obj) 方法將對(duì)象添加至 AutoreleasePoolPage 的棧中

最后的都會(huì)調(diào)用 page->add(obj) 將對(duì)象添加到自動(dòng)釋放池中。

hotPage 可以理解為當(dāng)前正在使用的 AutoreleasePoolPage。

page->add 添加對(duì)象

id *add(id obj) 將對(duì)象添加到自動(dòng)釋放池頁(yè)中：

id *add(id obj) {
    id *ret = next;
    *next = obj;
    next++;
    return ret;
}

筆者對(duì)這個(gè)方法進(jìn)行了處理，更方便理解。

這個(gè)方法其實(shí)就是一個(gè)壓棧的操作，將對(duì)象加入 AutoreleasePoolPage 然后移動(dòng)棧頂?shù)闹羔槨?/p>

autoreleaseFullPage（當(dāng)前 hotPage 已滿）

autoreleaseFullPage 會(huì)在當(dāng)前的 hotPage 已滿的時(shí)候調(diào)用：

static id *autoreleaseFullPage(id obj, AutoreleasePoolPage *page) {
    do {
        if (page->child) page = page->child;
        else page = new AutoreleasePoolPage(page);
    } while (page->full());

    setHotPage(page);
    return page->add(obj);
}

它會(huì)從傳入的 page 開始遍歷整個(gè)雙向鏈表，直到：

查找到一個(gè)未滿的 AutoreleasePoolPage
使用構(gòu)造器傳入 parent 創(chuàng)建一個(gè)新的 AutoreleasePoolPage

在查找到一個(gè)可以使用的 AutoreleasePoolPage 之后，會(huì)將該頁(yè)面標(biāo)記成 hotPage，然后調(diào)動(dòng)上面分析過(guò)的 page->add 方法添加對(duì)象。

autoreleaseNoPage（沒(méi)有 hotPage)

如果當(dāng)前內(nèi)存中不存在 hotPage，就會(huì)調(diào)用 autoreleaseNoPage 方法初始化一個(gè) AutoreleasePoolPage：

static id *autoreleaseNoPage(id obj) {
    AutoreleasePoolPage *page = new AutoreleasePoolPage(nil);
    setHotPage(page);

    if (obj != POOL_SENTINEL) {
        page->add(POOL_SENTINEL);
    }

    return page->add(obj);
}

既然當(dāng)前內(nèi)存中不存在 AutoreleasePoolPage，就要從頭開始構(gòu)建這個(gè)自動(dòng)釋放池的雙向鏈表，也就是說(shuō)，新的 AutoreleasePoolPage 是沒(méi)有 parent 指針的。

初始化之后，將當(dāng)前頁(yè)標(biāo)記為 hotPage，然后會(huì)先向這個(gè) page 中添加一個(gè) POOL_SENTINEL 對(duì)象，來(lái)確保在 pop 調(diào)用的時(shí)候，不會(huì)出現(xiàn)異常。

最后，將 obj 添加到自動(dòng)釋放池中。

<a id='objc_autoreleasePoolPop'></a>objc_autoreleasePoolPop 方法

同樣，回顧一下上面提到的 objc_autoreleasePoolPop 方法：

void objc_autoreleasePoolPop(void *ctxt) {
    AutoreleasePoolPage::pop(ctxt);
}

看起來(lái)傳入任何一個(gè)指針都是可以的，但是在整個(gè)工程并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)傳入其他對(duì)象的例子。不過(guò)在這個(gè)方法中傳入其它的指針也是可行的，會(huì)將自動(dòng)釋放池釋放到相應(yīng)的位置。

我們一般都會(huì)在這個(gè)方法中傳入一個(gè)哨兵對(duì)象 POOL_SENTINEL，如下圖一樣釋放對(duì)象：

objc-autorelease-pop-stack

對(duì) objc_autoreleasePoolPop 行為的測(cè)試

在繼續(xù)分析這個(gè)方法之前做一個(gè)小測(cè)試，在 objc_autoreleasePoolPop 傳入非哨兵對(duì)象，測(cè)試一下這個(gè)方法的行為。

下面是 main.m 文件中的源代碼：

#import <Foundation/Foundation.h>

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {

        NSString *s = @"Draveness";
        [s stringByAppendingString:@"-Suffix"];

    }
    return 0;
}

在代碼的這一行打一個(gè)斷點(diǎn)，因?yàn)檫@里會(huì)調(diào)用 autorelease 方法，將字符串加入自動(dòng)釋放池：

objc-autorelease-breakpoint-main

當(dāng)代碼運(yùn)行到這里時(shí)，通過(guò) lldb 打印出當(dāng)前 hotPage 中的棧內(nèi)容：

objc-autorelease-print-pool-content

通過(guò) static 方法獲取當(dāng)前 hotPage
打印 AutoreleasePoolPage 中的內(nèi)容
打印當(dāng)前 next 指針指向的內(nèi)容，以及之前的內(nèi)容，-2時(shí)已經(jīng)到了 begin() 位置
使用 print()和 printAll()打印自動(dòng)釋放池中內(nèi)容

然后將字符串 @"Draveness-Suffix" 的指針傳入 pop 方法，測(cè)試 pop 方法能否傳入非哨兵參數(shù)。

objc-autorelease-pop-string

再次打印當(dāng)前 AutoreleasePoolPage 的內(nèi)容時(shí)，字符串已經(jīng)不存在了，這說(shuō)明向 pop 方法傳入非哨兵參數(shù)是可行的，只是我們一般不會(huì)傳入非哨兵對(duì)象。

讓我們重新回到對(duì) objc_autoreleasePoolPop 方法的分析，也就是 AutoreleasePoolPage::pop 方法的調(diào)用：

static inline void pop(void *token) {
    AutoreleasePoolPage *page = pageForPointer(token);
    id *stop = (id *)token;

    page->releaseUntil(stop);

    if (page->child) {
        if (page->lessThanHalfFull()) {
            page->child->kill();
        } else if (page->child->child) {
            page->child->child->kill();
        }
    }
}

在這個(gè)方法中刪除了大量無(wú)關(guān)的代碼，以及對(duì)格式進(jìn)行了調(diào)整。

該靜態(tài)方法總共做了三件事情：

使用 pageForPointer 獲取當(dāng)前 token 所在的 AutoreleasePoolPage
調(diào)用 releaseUntil 方法釋放棧中的對(duì)象，直到 stop
調(diào)用 child 的 kill 方法

我到現(xiàn)在也不是很清楚為什么要根據(jù)當(dāng)前頁(yè)的不同狀態(tài) kill 掉不同 child 的頁(yè)面。

if (page->lessThanHalfFull()) {
    page->child->kill();
} else if (page->child->child) {
    page->child->child->kill();
}

pageForPointer 獲取 AutoreleasePoolPage

pageForPointer 方法主要是通過(guò)內(nèi)存地址的操作，獲取當(dāng)前指針?biāo)陧?yè)的首地址：

static AutoreleasePoolPage *pageForPointer(const void *p) {
    return pageForPointer((uintptr_t)p);
}

static AutoreleasePoolPage *pageForPointer(uintptr_t p) {
    AutoreleasePoolPage *result;
    uintptr_t offset = p % SIZE;

    assert(offset >= sizeof(AutoreleasePoolPage));

    result = (AutoreleasePoolPage *)(p - offset);
    result->fastcheck();

    return result;
}

將指針與頁(yè)面的大小，也就是 4096 取模，得到當(dāng)前指針的偏移量，因?yàn)樗械?AutoreleasePoolPage 在內(nèi)存中都是對(duì)齊的：

p = 0x100816048
p % SIZE = 0x48
result = 0x100816000

而最后調(diào)用的方法 fastCheck() 用來(lái)檢查當(dāng)前的 result 是不是一個(gè) AutoreleasePoolPage。

通過(guò)檢查 magic_t 結(jié)構(gòu)體中的某個(gè)成員是否為 0xA1A1A1A1。

releaseUntil 釋放對(duì)象

releaseUntil 方法的實(shí)現(xiàn)如下：

void releaseUntil(id *stop) {
    while (this->next != stop) {
        AutoreleasePoolPage *page = hotPage();

        while (page->empty()) {
            page = page->parent;
            setHotPage(page);
        }

        page->unprotect();
        id obj = *--page->next;
        memset((void*)page->next, SCRIBBLE, sizeof(*page->next));
        page->protect();

        if (obj != POOL_SENTINEL) {
            objc_release(obj);
        }
    }

    setHotPage(this);
}

它的實(shí)現(xiàn)還是很容易的，用一個(gè) while 循環(huán)持續(xù)釋放 AutoreleasePoolPage 中的內(nèi)容，直到 next 指向了 stop 。

使用 memset 將內(nèi)存的內(nèi)容設(shè)置成 SCRIBBLE，然后使用 objc_release 釋放對(duì)象。

kill() 方法

到這里，沒(méi)有分析的方法就只剩下 kill 了，而它會(huì)將當(dāng)前頁(yè)面以及子頁(yè)面全部刪除：

void kill() {
    AutoreleasePoolPage *page = this;
    while (page->child) page = page->child;

    AutoreleasePoolPage *deathptr;
    do {
        deathptr = page;
        page = page->parent;
        if (page) {
            page->unprotect();
            page->child = nil;
            page->protect();
        }
        delete deathptr;
    } while (deathptr != this);
}

autorelease 方法

我們已經(jīng)對(duì)自動(dòng)釋放池生命周期有一個(gè)比較好的了解，最后需要了解的話題就是 autorelease 方法的實(shí)現(xiàn)，先來(lái)看一下方法的調(diào)用棧：

- [NSObject autorelease]
└── id objc_object::rootAutorelease()
    └── id objc_object::rootAutorelease2()
        └── static id AutoreleasePoolPage::autorelease(id obj)
            └── static id AutoreleasePoolPage::autoreleaseFast(id obj)
                ├── id *add(id obj)
                ├── static id *autoreleaseFullPage(id obj, AutoreleasePoolPage *page)
                │   ├── AutoreleasePoolPage(AutoreleasePoolPage *newParent)
                │   └── id *add(id obj)
                └── static id *autoreleaseNoPage(id obj)
                    ├── AutoreleasePoolPage(AutoreleasePoolPage *newParent)
                    └── id *add(id obj)

在 autorelease 方法的調(diào)用棧中，最終都會(huì)調(diào)用上面提到的 autoreleaseFast 方法，將當(dāng)前對(duì)象加到 AutoreleasePoolPage 中。

這一小節(jié)中這些方法的實(shí)現(xiàn)都非常容易，只是進(jìn)行了一些參數(shù)上的檢查，最終還要調(diào)用 autoreleaseFast 方法：

inline id objc_object::rootAutorelease() {
    if (isTaggedPointer()) return (id)this;
    if (prepareOptimizedReturn(ReturnAtPlus1)) return (id)this;

    return rootAutorelease2();
}

__attribute__((noinline,used)) id objc_object::rootAutorelease2() {
    return AutoreleasePoolPage::autorelease((id)this);
}

static inline id autorelease(id obj) {
   id *dest __unused = autoreleaseFast(obj);
   return obj;
}

由于在上面已經(jīng)分析過(guò) autoreleaseFast 方法的實(shí)現(xiàn)，這里就不會(huì)多說(shuō)了。

小結(jié)

整個(gè)自動(dòng)釋放池 AutoreleasePool 的實(shí)現(xiàn)以及 autorelease 方法都已經(jīng)分析完了，我們?cè)賮?lái)回顧一下文章中的一些內(nèi)容：

自動(dòng)釋放池是由 AutoreleasePoolPage 以雙向鏈表的方式實(shí)現(xiàn)的
當(dāng)對(duì)象調(diào)用 autorelease 方法時(shí)，會(huì)將對(duì)象加入 AutoreleasePoolPage 的棧中
調(diào)用 AutoreleasePoolPage::pop 方法會(huì)向棧中的對(duì)象發(fā)送 release 消息

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自動(dòng)釋放池的前世今生 ---- 深入解析 Autoreleasepool

自動(dòng)釋放池的前世今生 ---- 深入解析 Autoreleasepool

寫在前面

從 main 函數(shù)開始

@autoreleasepool

AutoreleasePool 是什么

AutoreleasePoolPage 的結(jié)構(gòu)

雙向鏈表

自動(dòng)釋放池中的棧

POOL_SENTINEL（哨兵對(duì)象）

<a id='objc_autoreleasePoolPush'></a>objc_autoreleasePoolPush 方法

page->add 添加對(duì)象

autoreleaseFullPage（當(dāng)前 hotPage 已滿）

autoreleaseNoPage（沒(méi)有 hotPage)

<a id='objc_autoreleasePoolPop'></a>objc_autoreleasePoolPop 方法

對(duì) objc_autoreleasePoolPop 行為的測(cè)試

pageForPointer 獲取 AutoreleasePoolPage

releaseUntil 釋放對(duì)象

kill() 方法

autorelease 方法

小結(jié)

參考資料

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自動(dòng)釋放池的前世今生 ---- 深入解析 Autoreleasepool

寫在前面

從 main 函數(shù)開始

@autoreleasepool

AutoreleasePool 是什么

AutoreleasePoolPage 的結(jié)構(gòu)

雙向鏈表

自動(dòng)釋放池中的棧

POOL_SENTINEL（哨兵對(duì)象）

<a id='objc_autoreleasePoolPush'></a>objc_autoreleasePoolPush 方法

page->add 添加對(duì)象

autoreleaseFullPage（當(dāng)前 hotPage 已滿）

autoreleaseNoPage（沒(méi)有 hotPage)

<a id='objc_autoreleasePoolPop'></a>objc_autoreleasePoolPop 方法

對(duì) objc_autoreleasePoolPop 行為的測(cè)試

pageForPointer 獲取 AutoreleasePoolPage

releaseUntil 釋放對(duì)象

kill() 方法

autorelease 方法

小結(jié)

參考資料

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