iOS. Autorelease

前言

Autorelease机制是iOS开发者管理对象内存的好伙伴，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，它们是如何协作来正确管理内存的呢？刨根问底，一起来探究下黑幕背后的Autorelease机制。

Autorelease对象什么时候释放？

这个问题拿来做面试题，问过很多人，没有几个能答对的。很多答案都是“当前作用域大括号结束时释放”，显然木有正确理解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

测试

__weak id reference = nil;
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    NSString *str = [NSString stringWithFormat:@"sunnyxx"];
    // str是一个autorelease对象，设置一个weak的引用来观察它
    reference = str;
}
- (void)viewWillAppear:(BOOL)animated {
    [super viewWillAppear:animated];
    NSLog(@"%@", reference); // Console: sunnyxx
}
- (void)viewDidAppear:(BOOL)animated {
    [super viewDidAppear:animated];
    NSLog(@"%@", reference); // Console: (null)
}

这个实验同时也证明了viewDidLoad和viewWillAppear是在同一个runloop调用的，而viewDidAppear是在之后的某个runloop调用的。
由于这个vc在loadView之后便add到了window层级上，所以viewDidLoad和viewWillAppear是在同一个runloop调用的，因此在viewWillAppear中，这个autorelease的变量依然有值。

当然，我们也可以手动干预Autorelease对象的释放时机：

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    @autoreleasepool {
        NSString *str = [NSString stringWithFormat:@"sunnyxx"];
    }
    NSLog(@"%@", str); // Console: (null)
}

Autorelease原理

AutoreleasePoolPage

class AutoreleasePoolPage 
{
    // EMPTY_POOL_PLACEHOLDER is stored in TLS when exactly one pool is 
    // pushed and it has never contained any objects. This saves memory 
    // when the top level (i.e. libdispatch) pushes and pops pools but 
    // never uses them.
#   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
//#define I386_PGBYTES        4096        /* bytes per 80386 page */
//#define PAGE_MAX_SIZE           PAGE_SIZE
        PAGE_MAX_SIZE;  // size and alignment, power of 2
#endif
    static size_t const COUNT = SIZE / sizeof(id);
//magic用来校验AutoreleasePoolPage结构是否完整
    magic_t const magic;
//next指向第一个可用的地址
    id *next;
//thread指向当前的线程；
    pthread_t const thread;
//parent指向父类
    AutoreleasePoolPage * const parent;
//child指向子类
    AutoreleasePoolPage *child;
    uint32_t const depth;
    uint32_t hiwat;
......
}

ARC下，我们使用@autoreleasepool{}来使用一个AutoreleasePool，随后编译器将其改写成下面的样子：

void *context = objc_autoreleasePoolPush();
// {}中的代码
objc_autoreleasePoolPop(context);

而这两个函数都是对AutoreleasePoolPage的简单封装，所以自动释放机制的核心就在于这个类。

AutoreleasePoolPage是一个C++实现的类

• 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）
• AutoreleasePool是按线程一一对应的（结构中的thread指针指向当前线程）
• 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
• 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

所以，若当前线程中只有一个AutoreleasePoolPage对象，并记录了很多autorelease对象地址时内存如下图：

图中的情况，这一页再加入一个autorelease对象就要满了（也就是next指针马上指向栈顶），这时就要执行上面说的操作，建立下一页page对象，与这一页链表连接完成后，新page的next指针被初始化在栈底（begin的位置），然后继续向栈顶添加新对象。

所以，向一个对象发送- autorelease消息，就是将这个对象加入到当前AutoreleasePoolPage的栈顶next指针指向的位置

释放时刻

每当进行一次objc_autoreleasePoolPush调用时，runtime向当前的AutoreleasePoolPage中add进一个哨兵对象，值为0（也就是个nil），那么这一个page就变成了下面的样子：

objc_autoreleasePoolPush的返回值正是这个哨兵对象的地址，被objc_autoreleasePoolPop(哨兵对象)作为入参，于是：

• 1、根据传入的哨兵对象地址找到哨兵对象所处的page
• 2、在当前page中，将晚于哨兵对象插入的所有autorelease对象都发送一次- release消息，并向回移动next指针到正确位置
• 3、补充2：从最新加入的对象一直向前清理，可以向前跨越若干个page，直到哨兵所在的page

刚才的objc_autoreleasePoolPop执行后，最终变成了下面的样子：

嵌套的AutoreleasePool

知道了上面的原理，嵌套的AutoreleasePool就非常简单了，pop的时候总会释放到上次push的位置为止，多层的pool就是多个哨兵对象而已，就像剥洋葱一样，每次一层，互不影响。

Autorelease返回值的快速释放机制

值得一提的是，ARC下，runtime有一套对autorelease返回值的优化策略。
比如一个工厂方法：

+ (instancetype)createSark {
    return [self new];
}
// caller
Sark *sark = [Sark createSark];

秉着谁创建谁释放的原则，返回值需要是一个autorelease对象才能配合调用方正确管理内存，于是乎编译器改写成了形如下面的代码：

+ (instancetype)createSark {
    id tmp = [self new];
    return objc_autoreleaseReturnValue(tmp); // 代替我们调用autorelease
}
// caller
id tmp = objc_retainAutoreleasedReturnValue([Sark createSark]) // 代替我们调用retain
Sark *sark = tmp;
objc_storeStrong(&sark, nil); // 相当于代替我们调用了release

一切看上去都很好，不过既然编译器知道了这么多信息，干嘛还要劳烦autorelease这个开销不小的机制呢？于是乎，runtime使用了一些黑魔法将这个问题解决了。

黑魔法之Thread Local Storage

Thread Local Storage（TLS）线程局部存储，目的很简单，将一块内存作为某个线程专有的存储，以key-value的形式进行读写，比如在非arm架构下，使用pthread提供的方法实现：

void* pthread_getspecific(pthread_key_t);
int pthread_setspecific(pthread_key_t , const void *);

说它是黑魔法可能被懂pthread的笑话- -

在返回值身上调用objc_autoreleaseReturnValue方法时，runtime将这个返回值object储存在TLS中，然后直接返回这个object（不调用autorelease）；同时，在外部接收这个返回值的objc_retainAutoreleasedReturnValue
里，发现TLS中正好存了这个对象，那么直接返回这个object（不调用retain）。
于是乎，调用方和被调方利用TLS做中转，很有默契的免去了对返回值的内存管理。

于是问题又来了，假如被调方和主调方只有一边是ARC环境编译的该咋办？（比如我们在ARC环境下用了非ARC编译的第三方库，或者反之）
只能动用更高级的黑魔法。