iOS底層 -- 內(nèi)存管理之a(chǎn)utorelase、autoreleasepool原理

自動釋放池

  • 自動釋放池的主要底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是：__AtAutoreleasePool、AutoreleasePoolPage

  • 調(diào)用了autorelease的對象最終都是通過AutoreleasePoolPage對象來管理的

  • __AtAutoreleasePool結(jié)構(gòu)體

 struct __AtAutoreleasePool {
    __AtAutoreleasePool() { // 構(gòu)造函數(shù)，在創(chuàng)建結(jié)構(gòu)體的時候調(diào)用
        atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();
    }

    ~__AtAutoreleasePool() { // 析構(gòu)函數(shù)，在結(jié)構(gòu)體銷毀的時候調(diào)用
        objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);
    }

    void * atautoreleasepoolobj;
 };

下面將代碼進行轉(zhuǎn)換

@autoreleasepool {
    Person *p4 = [[[MJPerson alloc] init] autorelease];
}

將上述代碼轉(zhuǎn)成C++代碼

 {
    __AtAutoreleasePool __autoreleasepool;
    MJPerson *person = ((MJPerson *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((MJPerson *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((MJPerson *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("MJPerson"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init")), sel_registerName("autorelease"));
 }

去除一些不必要的代碼后變成下面這個樣子

 {
    __AtAutoreleasePool __autoreleasepool;
   MJPerson *person = [[[MJPerson alloc] init] autorelease];
 }

又因為__AtAutoreleasePool是一個結(jié)構(gòu)體，所以創(chuàng)建時會調(diào)用其構(gòu)造函數(shù)__AtAutoreleasePool()，當離開其作用域后，會調(diào)用其析構(gòu)函數(shù)~__AtAutoreleasePool()，所以上面的代碼又可以轉(zhuǎn)換成下面的代碼

atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();
Person *person = [[[Person alloc] init] autorelease];
objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);
4.1 自動釋放池
  • 自動釋放池的主要底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是：__AtAutoreleasePool、AutoreleasePoolPage
  • 調(diào)用了autorelease的對象最終都是通過AutoreleasePoolPage對象來管理的

源碼分析

  • clang重寫@autoreleasepool
  • objc4源碼：NSObject.mm

變量說明

  • magic 用來校驗 AutoreleasePoolPage 的結(jié)構(gòu)是否完整
  • next指向最新添加的 autoreleased 對象的下一個位置，初始化時指向 begin()
  • thread 指向當前線程
  • parent指向父結(jié)點，第一個結(jié)點的 parent 值為 nil
  • child 指向子結(jié)點，最后一個結(jié)點的 child 值為 nil
  • depth 代表深度，從 0 開始，往后遞增 1
  • hiwat 代表 high water mark
4.2 AutoreleasePoolPage的結(jié)構(gòu)
  • 每個AutoreleasePoolPage對象占用4096字節(jié)內(nèi)存，除了用來存放它內(nèi)部的成員變量，剩下的空間用來存放autorelease對象的地址
  • 所有的AutoreleasePoolPage對象通過雙向鏈表的形式連接在一起
atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();
Person *person = [[[Person alloc] init] autorelease];
objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);

上圖的執(zhí)行步驟說明

  • 調(diào)用push方法會將一個POOL_BOUNDARY入棧，并且返回其存放的內(nèi)存地址，即返回給atautoreleasepoolobj。
  • 調(diào)用pop方法時傳入一個POOL_BOUNDARY的內(nèi)存地址，會從最后一個入棧的對象開始發(fā)送release消息，直到遇到這個POOL_BOUNDARY
  • id *next指向了下一個能存放autorelease對象地址的區(qū)域

代碼例子如下

extern void _objc_autoreleasePoolPrint(void);

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool { //  r1 = push()

        Person *p1 = [[[Person alloc] init] autorelease];
        Person *p2 = [[[Person alloc] init] autorelease];

        @autoreleasepool { // r2 = push()
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                Person *p3 = [[[Person alloc] init] autorelease];
            }

            @autoreleasepool { // r3 = push()
                Person *p4 = [[[Person alloc] init] autorelease];
                _objc_autoreleasePoolPrint();
            } // pop(r3)
        } // pop(r2)
    } // pop(r1)
    return 0;
}

執(zhí)行結(jié)果

  1. 因為只打印了一個PAGE，所以說明他們是在同一個AutoreleasePoolPage，只是每次一個新的autoreleasepool，都會插入一個POOL_BOUNDARY。
  2. 每次釋放對象時，都是從后往前釋放，直到遇到POOL_BOUNDARY為止。

代碼例子二

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool { //  r1 = push()
        @autoreleasepool {
            MJPerson *p1 = [[[MJPerson alloc] init] autorelease];
            _objc_autoreleasePoolPrint();
        }
        return 0;
    }
}

執(zhí)行結(jié)果

代碼例子三

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool { //  r1 = push()

        MJPerson *p1 = [[[MJPerson alloc] init] autorelease];
        MJPerson *p2 = [[[MJPerson alloc] init] autorelease];

        @autoreleasepool { // r2 = push()
            for (int i = 0; i < 600; i++) {
                MJPerson *p3 = [[[MJPerson alloc] init] autorelease];
            }

            @autoreleasepool { // r3 = push()
                MJPerson *p4 = [[[MJPerson alloc] init] autorelease];
                _objc_autoreleasePoolPrint();
            } // pop(r3)

        } // pop(r2)

    } // pop(r1)
    return 0;
}

執(zhí)行結(jié)果

4.3 Runloop和Autorelease

iOS在主線程的Runloop中注冊了2個Observer

  • 第1個Observer監(jiān)聽了kCFRunLoopEntry事件，會調(diào)用objc_autoreleasePoolPush()

  • 第2個Observer

<1> 監(jiān)聽了kCFRunLoopBeforeWaiting事件，會調(diào)用objc_autoreleasePoolPop()、objc_autoreleasePoolPush()
<2> 監(jiān)聽了kCFRunLoopBeforeExit事件，會調(diào)用objc_autoreleasePoolPop()

4.4 autorelease對象在什么時機會被調(diào)用release

代碼例子如下

  • MRC環(huán)境下
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];

    // 這個Person什么時候調(diào)用release，是由RunLoop來控制的
    // 它可能是在某次RunLoop循環(huán)中，RunLoop休眠之前調(diào)用了release
    MJPerson *person = [[[MJPerson alloc] init] autorelease];
    NSLog(@"%s", __func__);
}

- (void)viewWillAppear:(BOOL)animated
{
    [super viewWillAppear:animated];

    NSLog(@"%s", __func__);
}

- (void)viewDidAppear:(BOOL)animated
{
    [super viewDidAppear:animated];

    NSLog(@"%s", __func__);
}

運行結(jié)果如下

  1. 得出結(jié)論，autorelease并不是根據(jù)對象的作用域來決定釋放時機。
  2. 實際上，autorelease釋放對象的依據(jù)是Runloop，簡單說，runloop就是iOS中的消息循環(huán)機制，當一個runloop結(jié)束時系統(tǒng)才會一次性清理掉被autorelease處理過的對象，其實本質(zhì)上說是在本次runloop迭代結(jié)束時清理掉被本次迭代期間被放到autorelease pool中的對象的。至于何時runloop結(jié)束并沒有固定的duration。
  3. 本次runloop迭代休眠之前調(diào)用了objc_autoreleasePoolPop()方法，然后調(diào)用release，從而釋放Person對象。
4.5 方法里有局部對象， 出了方法后會立即釋放嗎
  • ARC環(huán)境下
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];

    Person *person = [[Person alloc] init];
    NSLog(@"%s", __func__);
}

- (void)viewWillAppear:(BOOL)animated {
    [super viewWillAppear:animated];

    NSLog(@"%s", __func__);
}

- (void)viewDidAppear:(BOOL)animated {
    [super viewDidAppear:animated];

    NSLog(@"%s", __func__);
}
image

通過打印結(jié)果可知，當person對象出了其作用域后就銷毀，即系統(tǒng)會在它出作用域的時候，自動調(diào)用其release方法。

五、擴展

既然由runloop來決定對象釋放時機而不是作用域，那么，在一個{}內(nèi)使用循環(huán)大量創(chuàng)建對象就有可能帶來內(nèi)存上的問題，大量對象會被創(chuàng)建而沒有及時釋放，這時候就需要靠我們?nèi)斯さ母深A(yù)autorelease的釋放了。

上文有提到autorelease pool，一旦一個對象被autorelease，則該對象會被放到iOS的一個池：autorelease pool，其實這個pool本質(zhì)上是一個stack，扔到pool中的對象等價于入棧。我們把需要及時釋放掉的代碼塊放入我們生成的autorelease pool中，結(jié)束后清空這個自定義的pool，主動地讓pool清空掉，從而達到及時釋放內(nèi)存的目的。優(yōu)化代碼如下

@autoreleasePool{
    //domeSomeThing;
}
什么時候用@autoreleasepool

根據(jù) Apple的文檔 ，使用場景如下：

  • 寫基于命令行的的程序時，就是沒有UI框架，如AppKit等Cocoa框架時。
  • 寫循環(huán)，循環(huán)里面包含了大量臨時創(chuàng)建的對象。（本文的例子）
  • 創(chuàng)建了新的線程。（非Cocoa程序創(chuàng)建線程時才需要）
  • 長時間在后臺運行的任務(wù)。
  1. autorelease 機制基于 UI framework。因此寫非UI framework的程序時，需要自己管理對象生存周期。
  2. autorelease 觸發(fā)時機發(fā)生在下一次runloop的時候。因此如何在一個大的循環(huán)里不斷創(chuàng)建autorelease對象，那么這些對象在下一次runloop回來之前將沒有機會被釋放，可能會耗盡內(nèi)存。這種情況下，可以在循環(huán)內(nèi)部顯式使用@autoreleasepool {}將autorelease對象釋放。
  3. 自己創(chuàng)建的線程。Cocoa的應(yīng)用都會維護自己autoreleasepool。因此，代碼里spawn的線程，需要顯式添加autoreleasepool。注意：如果是使用POSIX API 創(chuàng)建線程，而不是NSThread，那么不能使用Cocoa，因為Cocoa只能在多線程（multithreading）狀態(tài)下工作。但可以使用NSThread創(chuàng)建一個馬上銷毀的線程，使得Cocoa進入multithreading狀態(tài)。
什么對象會加入Autoreleasepool中
  • 使用alloc、new、copy、mutableCopy的方法進行初始化時，由系統(tǒng)管理對象，在適當?shù)奈恢胷elease。
  • 使用array會自動將返回值的對象注冊到Autoreleasepool。
  • __weak修飾的對象，為了保證在引用時不被廢棄，會注冊到Autoreleasepool中。
  • id的指針或對象的指針，在沒有顯示指定時會被注冊到Autoleasepool中。
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