iOS 自动释放池原理

简介

自动释放池（autoreleasepool）是OC的一种内存自动回收机制。正常情况下，创建的变量超出作用域时释放，自动释放池可以延迟对象的释放。

原理

OC代码

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

使用clang命令将OC代码重写成C++

xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc  main.m

C++代码

int main(int argc, char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 
        return UIApplicationMain(argc, argv, __null, NSStringFromClass(((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("AppDelegate"), sel_registerName("class"))));
    }
}

__AtAutoreleasePool实际是一个结构体，内部首先执行objc_autoreleasePoolPush()，然后在调用objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj)

struct __AtAutoreleasePool {
 **构造函数，在创建结构体时调用**
  __AtAutoreleasePool() {
  atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();
}

**析构函数，在结构体销毁的时候调用**
  ~__AtAutoreleasePool() {
  objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);
}
  void * atautoreleasepoolobj;
};

objc4-818源码

源码中可以看出，objc_autoreleasePoolPush()函数内调用了AutoreleasePoolPage的push()方法，objc_autoreleasePoolPop()则调用了AutoreleasePoolPage的pop()方法。
也就是说，需要Autorelease的对象，都是由AutoreleasePoolPage对象来管理的。

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

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

AutoreleasePoolPage对象源码：

class AutoreleasePoolPage;
struct AutoreleasePoolPageData
{
#if SUPPORT_AUTORELEASEPOOL_DEDUP_PTRS
    struct AutoreleasePoolEntry {
        uintptr_t ptr: 48;
        uintptr_t count: 16;

        static const uintptr_t maxCount = 65535; // 2^16 - 1
    };
    static_assert((AutoreleasePoolEntry){ .ptr = MACH_VM_MAX_ADDRESS }.ptr == MACH_VM_MAX_ADDRESS, "MACH_VM_MAX_ADDRESS doesn't fit into AutoreleasePoolEntry::ptr!");
#endif

    ////用来校验AutoreleasePoolPage的结构是否完整
    magic_t const magic; //16字节
    //下次新添加的autoreleased对象的位置，初始化时指向begin()
    __unsafe_unretained id *next;//8字节
    //当前线程
    pthread_t const thread;//8字节
    //指向父节点，即上一个页面，第一个页面的parent值为nil
    AutoreleasePoolPage * const parent;//8字节
    //指向子节点，即下一个页面，最后一个页面的child值为nil
    AutoreleasePoolPage *child;//8字节
    //表示页面深度，从0开始，往后递增1
    uint32_t const depth; //4字节
    //high water mark，表示最大入栈数量标记
    uint32_t hiwat;
 //初始化
    AutoreleasePoolPageData(__unsafe_unretained id* _next, pthread_t _thread, AutoreleasePoolPage* _parent, uint32_t _depth, uint32_t _hiwat)
        : magic(), next(_next), thread(_thread),
          parent(_parent), child(nil),
          depth(_depth), hiwat(_hiwat)
    {
    }
};

一个AutoreleasePoolPage对象占用4096字节内存，除了存放自己内部变量以外，剩下的内存空间就用来存放需要Autorelease的对象地址。
所有AutoreleasePoolPage对象都是以栈为节点通过双向链表的形式连接在一起

AutoreleasePool是由多个AutoreleasePoolPage对象组成的，以双向链表组成，其中parent指针指向上一个AutoreleasePoolPage对象，child指针指向下一个AutoreleasePoolPage对象，如下图：

AutoreleasePoolPage管理Autorelease对象的过程

• AutoreleasePoolPage对象中的next指针指向下一个能存放Autorelease对象地址的区域。

• 上文讲到，push()调用时，内部会将一个POOL_BOUNDARY哨兵入栈，并返回其存放的内存地址，然后next指针指向POOL_BOUNDARY后面第一个内存地址。（POOL_BOUNDARY作用应该是起到标记的作用）

• 当有Autorelease对象入栈时，会存放在next指针指向的内存空间，然后next指针指向Autorelease对象地址后面的内存空间
  如下图：
  

  

• 当前的AutoreleasePoolPage对象存放满了，就会创建新的AutoreleasePoolPage对象，用来存放Autorelease对象。

• 但自动释放池结束时，会调用objc_autoreleasePoolPop()函数，然后调用AutoreleasePoolPage的pop()方法，在pop()方法内部会通过next指针找到最后一个入栈的Autorelease对象，开始发送release消息进行释放，直到找到POOL_BOUNDARY为止，这样释放池里面的Autorelease对象就能全部释放。

Autorelease对象添加过程

当我们调用autorelease方法时，底层做了哪些操作

**autorelease 函数内部实现**
- (id)autorelease {
    return ((id)self)->rootAutorelease();
}

rootAutorelease内部实现

id _objc_rootAutorelease(id obj)
{
    assert(obj);
    return obj->rootAutorelease();
}

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

    return rootAutorelease2();
}

rootAutorelease2函数内部实现

id  objc_object::rootAutorelease2()
{
    assert(!isTaggedPointer());
    return AutoreleasePoolPage::autorelease((id)this);
}

AutoreleasePoolPage 对象的autorelease 函数实现

public:
    static inline id autorelease(id obj)
    {
        assert(obj);
        assert(!obj->isTaggedPointer());
        id *dest __unused = autoreleaseFast(obj);
        assert(!dest  ||  dest == EMPTY_POOL_PLACEHOLDER  ||  *dest == obj);
        return obj;
    }

autoreleaseFast 函数内部实现

    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);
        }
    }

通过源码可以看到，当调用autorelease方法时：

• 底层调用rootAutorelease函数，然后调用rootAutorelease2函数，然后调用AutoreleasePoolPage对象的autorelease方法
• AutoreleasePoolPage对象的autorelease方法调用autoreleaseFast函数，函数内将Autorelease对象添加到AutoreleasePoolPage中。

自动释放池释放时机

系统自动释放

自动释放池寄生于Runloop：程序启动后，主线程会注册两个Observer，回调都是_wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler()
1、监测Enter（即将进入Loop）状态，回调内会调用_objc_autoreleasePoolPush()创建自动释放池，优先级最高。
2、监测BeforeWaiting（准备进入休眠）和Exit（即将推出Loop）。BeforeWaiting时调用_objc_autoreleasePoolPop()和 _objc_autoreleasePoolPush() 释放旧的池并创建新池；Exit时_objc_autoreleasePoolPop() 来释放自动释放池；优先级最低。
总结：

• 程序启动时，Runloop启动，创建第一个自动释放池，事件优先级最高。
• Runloop即将进入休眠时，清理需要释放的对象，调用pop()，事件优先级最低。
• Runloop退出时，销毁最后一个自动释放池。
• Runloop休眠时会释放旧的并创建新的自动释放池。

手动释放

当特定场景时我们自己创建自动释放池时，在当前作用域大括号结束时释放。

手动使用AutoreleasePool场景

• 写给予命令行的程序时，就是没有UI框架；
• 写循环，循环里边包含了大量临时创建的对象；
• 创建了新的线程；
• 长时间在后台运行的任务

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