iOS AutoreleasePool的底層原理總結(jié)

一，概念

AutoreleasePool 顧名思義是自動(dòng)釋放池的概念，就是將iOS項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中的對(duì)象的內(nèi)存通通都放入一個(gè)池子中，統(tǒng)一管理，如果最后這個(gè)內(nèi)存池釋放了，那所有的對(duì)象也就銷(xiāo)毀了。本文主要轉(zhuǎn)載來(lái)著這里

AutoreleasePool（自動(dòng)釋放池）是OC中的一種內(nèi)存自動(dòng)回收機(jī)制，它可以延遲加入AutoreleasePool中的變量release的時(shí)機(jī)。在正常情況下，創(chuàng)建的變量會(huì)在超出其作用域的時(shí)候release，但是如果將變量加入AutoreleasePool，那么release將延遲執(zhí)行。

二，AutoreleasePool的創(chuàng)建和釋放

2.1創(chuàng)建

  • App啟動(dòng)后，蘋(píng)果在主線(xiàn)程 RunLoop 里注冊(cè)了兩個(gè) Observer，其回調(diào)都是 _wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler()。

  • 第一個(gè) Observer 監(jiān)視的事件是 Entry(即將進(jìn)入Loop)，其回調(diào)內(nèi)會(huì)調(diào)用 _objc_autoreleasePoolPush() 創(chuàng)建自動(dòng)釋放池。其 order 是-2147483647，優(yōu)先級(jí)最高，保證創(chuàng)建釋放池發(fā)生在其他所有回調(diào)之前。

2.2釋放

  • 第二個(gè) Observer 監(jiān)視了兩個(gè)事件： BeforeWaiting(準(zhǔn)備進(jìn)入休眠) 時(shí)調(diào)用_objc_autoreleasePoolPop() 和 _objc_autoreleasePoolPush() 釋放舊的池并創(chuàng)建新池；Exit(即將退出Loop) 時(shí)調(diào)用 _objc_autoreleasePoolPop() 來(lái)釋放自動(dòng)釋放池。這個(gè) Observer 的 order 是 2147483647，優(yōu)先級(jí)最低，保證其釋放池子發(fā)生在其他所有回調(diào)之后。

  • 在主線(xiàn)程執(zhí)行的代碼，通常是寫(xiě)在諸如事件回調(diào)、Timer回調(diào)內(nèi)的。這些回調(diào)會(huì)被 RunLoop 創(chuàng)建好的 AutoreleasePool 環(huán)繞著，所以不會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存泄漏，開(kāi)發(fā)者也不必顯示創(chuàng)建 Pool 了。

也就是說(shuō)AutoreleasePool創(chuàng)建是在一個(gè)RunLoop事件開(kāi)始之前(push)，AutoreleasePool釋放是在一個(gè)RunLoop事件即將結(jié)束之前(pop)。
AutoreleasePool里的Autorelease對(duì)象的加入是在RunLoop事件中，AutoreleasePool里的Autorelease對(duì)象的釋放是在AutoreleasePool釋放時(shí)。

三，AutoreleasePool的實(shí)現(xiàn)原理以及源碼初探

在終端中使用clang -rewrite-objc命令將下面的OC代碼重寫(xiě)成C++的實(shí)現(xiàn)：

#import <Foundation/Foundation.h>

int main(int argc, char * argv[]) {
   
    @autoreleasepool {
        
        NSLog(@"autorelease 的初探");
       
    }
    return 0;
}

在我們clang以后生成的main.cpp文件代碼中我們找到main函數(shù)代碼如下：

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

    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 

        NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_3x_wf7c93yj3w1_vyck5jt84mk80000gn_T_main_8f4729_mi_0);

    }
    return 0;
}

可以看到蘋(píng)果通過(guò)聲明一個(gè)__AtAutoreleasePool類(lèi)型的局部變量__autoreleasepool實(shí)現(xiàn)了@autoreleasepool{}。

  • __AtAutoreleasePool的定義如下:
extern "C" __declspec(dllimport) void * objc_autoreleasePoolPush(void);
extern "C" __declspec(dllimport) void objc_autoreleasePoolPop(void *);

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

根據(jù)構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)的特點(diǎn)（自動(dòng)局部變量的構(gòu)造函數(shù)是在程序執(zhí)行到聲明這個(gè)對(duì)象的位置時(shí)調(diào)用的，而對(duì)應(yīng)的析構(gòu)函數(shù)是在程序執(zhí)行到離開(kāi)這個(gè)對(duì)象的作用域時(shí)調(diào)用），我們可以將上面兩段代碼簡(jiǎn)化成如下形式:


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

    /* @autoreleasepool */ {
        void *atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();
        NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_kb_06b822gn59df4d1zt99361xw0000gn_T_main_d39a79_mi_0);
        objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);
    }

    return 0;
}

至此，我們可以分析出，單個(gè)自動(dòng)釋放池的執(zhí)行過(guò)程就是objc_autoreleasePoolPush() —> [object autorelease] —> objc_autoreleasePoolPop(void *)。

來(lái)看一下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。
下面分析一下AutoreleasePoolPage的實(shí)現(xiàn)，揭開(kāi)AutoreleasePool的實(shí)現(xiàn)原理。

AutoreleasePoolPage的實(shí)現(xiàn)

AutoreleasePoolPage 是一個(gè) C++ 中的類(lèi)，它在 NSObject.mm 中的定義是這樣的：

class AutoreleasePoolPage {
#   define EMPTY_POOL_PLACEHOLDER ((id*)1)

#   define POOL_BOUNDARY nil
    static pthread_key_t const key = AUTORELEASE_POOL_KEY;
    static uint8_t const SCRIBBLE = 0xA3;  // 0xA3A3A3A3 after releasing
    static size_t const SIZE = 
#if PROTECT_AUTORELEASEPOOL
        PAGE_MAX_SIZE;  // must be multiple of vm page size
#else
        PAGE_MAX_SIZE;  // size and alignment, power of 2
#endif
    static size_t const COUNT = SIZE / sizeof(id);

    magic_t const magic;
    id *next;
    pthread_t const thread;
    AutoreleasePoolPage * const parent;
    AutoreleasePoolPage *child;
    uint32_t const depth;
    uint32_t hiwat;
};
  • magic 檢查校驗(yàn)完整性的變量
  • next 指向新加入的autorelease對(duì)象
  • thread page當(dāng)前所在的線(xiàn)程，AutoreleasePool是按線(xiàn)程一一對(duì)應(yīng)的（結(jié)構(gòu)中的thread指針指向當(dāng)前線(xiàn)程）
  • parent 父節(jié)點(diǎn) 指向前一個(gè)page
  • child 子節(jié)點(diǎn) 指向下一個(gè)page
  • depth 鏈表的深度，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)
  • hiwat high water mark 數(shù)據(jù)容納的一個(gè)上限
  • EMPTY_POOL_PLACEHOLDER 空池占位
  • POOL_BOUNDARY 是一個(gè)邊界對(duì)象 nil,之前的源代碼變量名是 POOL_SENTINEL哨兵對(duì)象,用來(lái)區(qū)別每個(gè)page即每個(gè) AutoreleasePoolPage 邊界* PAGE_MAX_SIZE = 4096, 為什么是4096呢？其實(shí)就是虛擬內(nèi)存每個(gè)扇區(qū)4096個(gè)字節(jié),4K對(duì)齊的說(shuō)法。* COUNT 一個(gè)page里對(duì)象數(shù)

雙向鏈表

AutoreleasePool并沒(méi)有單獨(dú)的結(jié)構(gòu)，而是由若干個(gè)AutoreleasePoolPage以雙向鏈表的形式組合而成的棧結(jié)構(gòu)（分別對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)中的parent指針和child指針）


圖片.png

parent和child就是用來(lái)構(gòu)造雙向鏈表的指針。parent指向前一個(gè)page, child指向下一個(gè)page。
一個(gè)AutoreleasePoolPage的空間被占滿(mǎn)時(shí)，會(huì)新建一個(gè)AutoreleasePoolPage對(duì)象，連接鏈表，后來(lái)的autorelease對(duì)象在新的page加入。

objc_autoreleasePoolPush

圖片.png

每當(dāng)自動(dòng)釋放池調(diào)用objc_autoreleasePoolPush時(shí)都會(huì)把邊界對(duì)象放進(jìn)棧頂,然后返回邊界對(duì)象,用于釋放。

atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();

atautoreleasepoolobj就是返回的邊界對(duì)象(POOL_BOUNDARY)

push實(shí)現(xiàn)如下：

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

它調(diào)用AutoreleasePoolPage的類(lèi)方法push：

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

在這里會(huì)進(jìn)入一個(gè)比較關(guān)鍵的方法autoreleaseFast，并傳入邊界對(duì)象(POOL_BOUNDARY)：

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(mǎn)，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(mǎn)，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。

AutoreleasePoolPage::autorelease(id obj)

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;
}

autorelease函數(shù)和push函數(shù)一樣，關(guān)鍵代碼都是調(diào)用autoreleaseFast函數(shù)向自動(dòng)釋放池的鏈表?xiàng)Ｖ刑砑右粋€(gè)對(duì)象，
不過(guò)push函數(shù)的入棧的是一個(gè)邊界對(duì)象，而autorelease函數(shù)入棧的是需要加入autoreleasepool的對(duì)象。

objc_autoreleasePoolPop
圖片.png

自動(dòng)釋放池釋放是傳入 push 返回的邊界對(duì)象,

objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);

然后將邊界對(duì)象指向的這一頁(yè) AutoreleasePoolPage 內(nèi)的對(duì)象釋放
atautoreleasepoolobj就是返回的邊界對(duì)象(POOL_BOUNDARY)

AutoreleasePoolPage::pop()實(shí)現(xiàn)：

static inline void pop(void *token)   // token指針指向棧頂?shù)牡刂?{
    AutoreleasePoolPage *page;
    id *stop;

    page = pageForPointer(token);   // 通過(guò)棧頂?shù)牡刂氛业綄?duì)應(yīng)的page
    stop = (id *)token;
    if (DebugPoolAllocation  &&  *stop != POOL_SENTINEL) {
        // This check is not valid with DebugPoolAllocation off
        // after an autorelease with a pool page but no pool in place.
        _objc_fatal("invalid or prematurely-freed autorelease pool %p; ", 
                    token);
    }

    if (PrintPoolHiwat) printHiwat();   // 記錄最高水位標(biāo)記

    page->releaseUntil(stop);   // 從棧頂開(kāi)始操作出棧，并向棧中的對(duì)象發(fā)送release消息，直到遇到第一個(gè)哨兵對(duì)象

    // memory: delete empty children
    // 刪除空掉的節(jié)點(diǎn)
    if (DebugPoolAllocation  &&  page->empty()) {
        // special case: delete everything during page-per-pool debugging
        AutoreleasePoolPage *parent = page->parent;
        page->kill();
        setHotPage(parent);
    } else if (DebugMissingPools  &&  page->empty()  &&  !page->parent) {
        // special case: delete everything for pop(top) 
        // when debugging missing autorelease pools
        page->kill();
        setHotPage(nil);
    } 
    else if (page->child) {
        // hysteresis: keep one empty child if page is more than half full
        if (page->lessThanHalfFull()) {
            page->child->kill();
        }
        else if (page->child->child) {
            page->child->child->kill();
        }
    }
}

該過(guò)程主要分為兩步：

  • page->releaseUntil(stop)，對(duì)棧頂（page->next）到stop地址（POOL_SENTINEL）之間的所有對(duì)象調(diào)用objc_release()，進(jìn)行引用計(jì)數(shù)減1
  • 清空page對(duì)象page->kill()，有兩句注釋

// hysteresis: keep one empty child if this page is more than half full
// special case: delete everything for pop(0)
除非是pop(0)方式調(diào)用，這樣會(huì)清理掉所有page對(duì)象；
否則，在當(dāng)前page存放的對(duì)象大于一半時(shí)，會(huì)保留一個(gè)空的子page，
這樣估計(jì)是為了可能馬上需要新建page節(jié)省創(chuàng)建page的開(kāi)銷(xiāo)。

小結(jié)

  • 自動(dòng)釋放池是一個(gè)個(gè) AutoreleasePoolPage 組成的一個(gè)page是4096字節(jié)大小,每個(gè) AutoreleasePoolPage 以雙向鏈表連接起來(lái)形成一個(gè)自動(dòng)釋放池
  • 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
  • pop 時(shí)是傳入邊界對(duì)象,然后對(duì)page 中的對(duì)象發(fā)送release 的消息
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