Autorelease Pool 知识汇总

作者: 哈豊玛奥 | 来源:发表于2019-02-21 16:33 被阅读0次

一、Autorelease Pool是什么

AutoreleasePool（自动释放池）是OC中的一种内存自动回收机制，它可以延迟加入AutoreleasePool中的变量release的时机。在正常情况下，创建的变量会在超出其作用域的时候release，但是如果将变量加入AutoreleasePool，那么release将延迟执行。

二、Autorelease对象到底什么时候被释放

很多人说在“当前作用域大括号结束时释放”，显然没有正确理解Autorelease机制。
在没有手加 Autorelease Pool的情况下，Autorelease 对象是在当前的 runloop迭代结束 时释放的，而它能够释放的原因是系统在每个 runloop 迭代中都加入了 自动释放池Push和Pop

三、在MRC中，调用[obj autorelease]来延迟内存的释放是一件简单自然的事，ARC下，我们甚至可以完全不知道Autorelease就能管理好内存。而在这背后，objc和编译器都帮我们做了哪些事呢?

如下Demo：

#import <Foundation/Foundation.h>
// 生成两个全局weak变量用来观察实验对象
__weak NSString *weak_String;
__weak NSString *weak_StringAutorelease;

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];

    @autoreleasepool {
        [self createStr];
        NSLog(@"------in the autoreleasepool------");
        NSLog(@"%@", weak_String);
        NSLog(@"%@\n\n", weak_StringAutorelease);
    }
    NSLog(@"------in the main()------");
    NSLog(@"%@", weak_String);
    NSLog(@"%@\n\n", weak_StringAutorelease);
}

-(void)createStr
{
    // 创建常规对象
    NSString *string = [[NSString alloc] initWithFormat:@"Hello, World!"];
    // 创建autorelease对象
    NSString *stringAutorelease = [NSString stringWithFormat:@"Hello, World! Autorelease"];
    weak_String = string;
    weak_StringAutorelease = stringAutorelease;
    
    NSLog(@"------in the createString()------");
    NSLog(@"%@", weak_String);
    NSLog(@"%@\n\n", weak_StringAutorelease);
}

运行结果如下：

屏幕快照 2019-02-21 下午2.50.03.png

首先在createString函数中创建了一个常规NSString对象和一个autorelease对象，然后分别赋值给两个weak全局变量用于观察目标对象。通过打印结果可以看到，在createString函数中两个对象都是正常存在的，出了createString函数在autoreleasepool中，常规对象已经被释放，而autorelease对象依然存在。在autoreleasepool外，autorelease对象也被释放了。

四、AutoreleasePool 的底层实现

苹果通过声明一个__AtAutoreleasePool类型的局部变量__autoreleasepool实现了@autoreleasepool{}。
看看__AtAutoreleasePool的定义：

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;
};

我们可以分析出，单个自动释放池的执行过程就是：
objc_autoreleasePoolPush() —> [object autorelease] —> objc_autoreleasePoolPop(void *)

五、AutoreleasePoolPage

在objc_autoreleasePoolPush()函数的实现：

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

同样objc_autoreleasePoolPop()函数的实现：

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

我们发现这两个函数的实现都是调用了AutoreleasePoolPage类中的方法。于是我们可以断定，AutoreleasePool是通过AutoreleasePoolPage类来实现的。

看看AutoreleasePoolPage定义的属性：

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

1、AutoreleasePool并没有单独的结构，而是由若干个AutoreleasePoolPage以双向链表的形式组合而成（分别对应结构中的parent指针和child指针）
2、AutoreleasePool是按线程一一对应的（结构中的thread指针指向当前线程）
3、AutoreleasePoolPage每个对象会开辟4096字节内存（也就是虚拟内存一页的大小），除了上面的实例变量所占空间，剩下的空间全部用来储存autorelease对象的地址
4、上面的id *next指针作为游标指向栈顶最新add进来的autorelease对象的下一个位置，一个AutoreleasePoolPage的空间被占满时，会新建一个AutoreleasePoolPage对象，连接链表，后来的autorelease对象在新的page加入
5、栈中存放的指针指向加入需要release的对象或者POOL_SENTINEL（哨兵对象，用于分隔autoreleasepool）。
6、栈中指向POOL_SENTINEL的指针就是autoreleasepool的一个标记。当autoreleasepool进行出栈操作，每一个比这个哨兵对象后进栈的对象都会被release。

image

当 next == begin() 时，表示 AutoreleasePoolPage 为空；
当 next == end() 时，表示 AutoreleasePoolPage 已满。

下面来看看实现`AutoreleasePool`的几个关键函数是如何实现的

AutoreleasePoolPage::push()

   static inline void *push() 
    {
        id *dest;
        if (DebugPoolAllocation) {    // 区别调试模式
            // Each autorelease pool starts on a new pool page.
            // 调试模式下将新建一个链表节点，并将一个哨兵对象添加到链表栈中
            dest = autoreleaseNewPage(POOL_SENTINEL);
        } else {
            dest = autoreleaseFast(POOL_SENTINEL);    // 添加一个哨兵对象到自动释放池的链表栈中
        }
        assert(*dest == POOL_SENTINEL);
        return dest;
    }

    static inline id *autoreleaseFast(id obj)
    {
        AutoreleasePoolPage *page = hotPage();    // 获取最新的page（即链表上最新的节点）
        if (page && !page->full()) {
            return page->add(obj);    // 在这个page存在且不满的情况下，直接将需要autorelease的对象加入栈中
        } else if (page) {
            return autoreleaseFullPage(obj, page);    // 在这个page已经满了的情况下，新建一个page并将obj对象放入新的page（即入栈）
        } else {
            return autoreleaseNoPage(obj);    // 在没有page的情况下，新建一个page并将obj对象放入新的page（即入栈）
        }
    }

autoreleaseFullPage(obj, page)和autoreleaseNoPage(obj)的区别在于autoreleaseFullPage(obj, page)会将当前page的child指向新建的page，而autoreleaseNoPage(obj)会在新建的page中先入栈一个POOL_SENTINEL（哨兵对象），再将obj入栈。

    id *add(id obj)   // 入栈操作
    {
        assert(!full());
        unprotect();    // 解除保护
        id *ret = next;  // faster than `return next-1` because of aliasing
        *next++ = obj;    // 将obj入栈到栈顶并重新定位栈顶
        protect();    // 添加保护
        return ret;
    }

AutoreleasePoolPage::pop(ctxt)

    static inline void pop(void *token)   // token指针指向栈顶的地址
    {
        AutoreleasePoolPage *page;
        id *stop;

        page = pageForPointer(token);   // 通过栈顶的地址找到对应的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();   // 记录最高水位标记

        page->releaseUntil(stop);   // 从栈顶开始操作出栈，并向栈中的对象发送release消息，直到遇到第一个哨兵对象
        // memory: delete empty children
        // 删除空掉的节点
        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();
            }
        }
    }

`AutoreleasePoolPage::autorelease((id)this);`

    static inline id autorelease(id obj)
    {
        assert(obj);
        assert(!obj->isTaggedPointer());
        id *dest __unused = autoreleaseFast(obj);   //  添加obj对象到自动释放池的链表栈中
        assert(!dest  ||  *dest == obj);
        return obj;
    }

autorelease函数和push函数一样，关键代码都是调用autoreleaseFast函数向自动释放池的链表栈中添加一个对象，不过push函数的入栈的是一个哨兵对象，而autorelease函数入栈的是需要加入autoreleasepool的对象。

六、补充

使用容器的block版本的枚举器时，内部会自动添加一个AutoreleasePool：

[array enumerateObjectsUsingBlock:^(id obj, NSUInteger idx, BOOL *stop) {
    // 这里被一个局部@autoreleasepool包围着
}];

普通for循环和for in循环中没有，for循环中遍历产生大量autorelease变量时，就需要手加局部AutoreleasePool。

下面三种情况下是需要我们手动添加 autoreleasepool 的：

1、你编写的程序不是基于 UI 框架的，比如说命令行工具；
2、你编写的循环中创建了大量的临时对象；
3、你创建了一个辅助线程。

参考链接

http://blog.sunnyxx.com/2014/10/15/behind-autorelease/
http://blog.leichunfeng.com/blog/2015/05/31/objective-c-autorelease-pool-implementation-principle/#jtss-tsina

Autorelease Pool 知识汇总

下面来看看实现`AutoreleasePool`的几个关键函数是如何实现的

`AutoreleasePoolPage::autorelease((id)this);`

下面三种情况下是需要我们手动添加 autoreleasepool 的：

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`AutoreleasePoolPage::autorelease((id)this);`