AutoreleasePool的原理和实现

作者: IFeng_iOSer | 来源:发表于2021-09-29 14:32 被阅读0次

底层原理

在ARC中，看一下@autoreleasepool底层代码具体是什么。

1.查看@autoreleasepool{ }编译成C++代码

使用编译器clang编译main.m转化成main.cpp文件（在终端：clang -rewrite-objc main.m）

编译之后的main.cpp的代码，把主要的代码拷贝出来如下

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;
  };

可以从以上代码看出来@autoreleasepool其实是objc_autoreleasePoolPush 和 objc_autoreleasePoolPop这两个方法组成的。

总之：@autoreleasepool是由objc_autoreleasePoolPush 和 objc_autoreleasePoolPop方法构成的一个结构体。

2.查看objc_autoreleasePoolPush和objc_autoreleasePoolPop

参照苹果开源代码找到objc_autoreleasePoolPush和objc_autoreleasePoolPop两个方法，两个方法在NSObject.mm中实现（苹果开源代码：https://opensource.apple.com/tarballs/objc4/）

void *objc_autoreleasePoolPush(void){    
    if (UseGC) return nil;
    return AutoreleasePoolPage::push();
}
void objc_autoreleasePoolPop(void *ctxt){    
    if (UseGC) return;    // fixme rdar://9167170   
    if (!ctxt) return;  
    AutoreleasePoolPage::pop(ctxt);
}

从上面可以发现，C++类AutoreleasePoolPage才是实际的实现所在，找到AutoreleasePoolPage：

class AutoreleasePoolPage 
{
#define POOL_SENTINEL 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      // 通过查询  PAGE_MAX_SIZE =  4096
    static size_t const COUNT = SIZE / sizeof(id);

    magic_t const magic;                              // 验证码
    id *next;                                                  //栈顶地址
    pthread_t const thread;                          // 所属线程
    AutoreleasePoolPage * const parent;    //父节点
    AutoreleasePoolPage *child;                  // 子节点
    uint32_t const depth;                             //page的复杂度                   
    uint32_t hiwat;
    ……

magic用来校验AutoreleasePoolPage的结构是否完整；

next指向下一个即将产生的autoreleased对象的存放位置（当next == begin()时，表示AutoreleasePoolPage为空；当next == end()时，表示AutoreleasePoolPage已满）

thread指向当前线程，一个AutoreleasePoolPage只会对应一个线程，但一个线程可以对应多个AutoreleasePoolPage；

parent指向父结点，第一个结点的 parent 值为 nil；

child指向子结点，最后一个结点的 child 值为 nil；

depth代表深度，第一个page的depth为0，往后每递增一个page，depth会加1；

hiwat代表 high water mark

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
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

示意图

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

3.创建自动释放池

void* objc_autoreleasePoolPush()内部实际调用的是AutoreleasePoolPage::push()函数，其实现如下：

//  objc_autoreleasePoolPush()内部实际调用
void * objc_autoreleasePoolPush(void)
{
    if (UseGC) return nil;
    return AutoreleasePoolPage::push();
}

//  AutoreleasePoolPage::push()的 push方法

static inline void *push() 
    {
        id *dest = autoreleaseFast(POOL_SENTINEL);
        assert(*dest == POOL_SENTINEL);
        return dest;
    }

static inline id *autoreleaseFast(id obj)
    {
        AutoreleasePoolPage *page = hotPage();
        if (page && !page->full()) {  // 如果页面不为空并且存在
            return page->add(obj);    // 添加对象到自动释放池入栈
        } else if (page) {     // 如果自动释放池页存在 且 页面满了
            return autoreleaseFullPage(obj, page);  // 
        } else {      // 
            return autoreleaseNoPage(obj);
        }
    }

从以上开源代码可以看出，hotPage()是找出当前的正在使用的page

hotPage存在且未满，AutoreleasePoolPage对象作为自动释放池加入栈中
hotPage存在且hotPage页面满了，AutoreleasePoolPage创建新的Page并把对象添加到栈中
hotPage不存在。添加一个新的AutoreleasePoolPage页面添加对象。
POOL_SENTINEL哨兵对象，在每次自动释放池创建时，进行插入作为标记，当释放的时候，通过栈顶一直找到哨兵所在位置的所有对象进行释放。
hotPage不存在，执行的方法

   id *autoreleaseNoPage(id obj)
    {
        // No pool in place.
        assert(!hotPage());

        if (obj != POOL_SENTINEL  &&  DebugMissingPools) {
            // We are pushing an object with no pool in place, 
            // and no-pool debugging was requested by environment.
            _objc_inform("MISSING POOLS: Object %p of class %s "
                         "autoreleased with no pool in place - "
                         "just leaking - break on "
                         "objc_autoreleaseNoPool() to debug", 
                         (void*)obj, object_getClassName(obj));
            objc_autoreleaseNoPool(obj);
            return nil;
        }

        // Install the first page.
        AutoreleasePoolPage *page = new AutoreleasePoolPage(nil);
        setHotPage(page);

        // Push an autorelease pool boundary if it wasn't already requested.
        if (obj != POOL_SENTINEL) {
            page->add(POOL_SENTINEL);
        }

        // Push the requested object.
        return page->add(obj);
    }

3.2.hotPage存在且hotPage页面满，执行的方法

static __attribute__((noinline))
    id *autoreleaseFullPage(id obj, AutoreleasePoolPage *page)
    {
        // The hot page is full. 
        // Step to the next non-full page, adding a new page if necessary.
        // Then add the object to that page.
        assert(page == hotPage()  &&  page->full());

        do {
            if (page->child) page = page->child;
            else page = new AutoreleasePoolPage(page);
        } while (page->full());

        setHotPage(page);
        return page->add(obj);
    }

3.3.hotPage存在且未满，执行添加对象

 id *add(id obj)
    {
        assert(!full());
        unprotect();
        id *ret = next;  // faster than `return next-1` because of aliasing
        *next++ = obj;
        protect();
        return ret;
    }

综上可以看出在添加自动释放池，所有操作都是对双向堆栈AutoreleasePoolPage的一个创建和添加的操作。

4.销毁自动释放池

首先autoreleasepool的释放工作交给objc_autoreleasePoolPop方法，bjc_autoreleasePoolPop方法如下，自动释放主要交给AutoreleasePoolPage::pop(ctxt);进行

void
objc_autoreleasePoolPop(void *ctxt)
{
    if (UseGC) return;

    // fixme rdar://9167170
    if (!ctxt) return;

    AutoreleasePoolPage::pop(ctxt);
}

自动释放的方法如下，更具传入的token，查找需要删除的那个页面，进行删除操作。

static inline void pop(void *token) 
    {
        AutoreleasePoolPage *page;
        id *stop;

        if (token) {
            page = pageForPointer(token);
            stop = (id *)token;
            assert(*stop == POOL_SENTINEL);
        } else {
            // Token 0 is top-level pool
            page = coldPage();
            assert(page);
            stop = page->begin();
        }

        if (PrintPoolHiwat) printHiwat();

        page->releaseUntil(stop);

        // memory: delete empty children
        // hysteresis: keep one empty child if this page is more than half full
        // special case: delete everything for pop(0)
        // special case: delete everything for pop(top) with DebugMissingPools
        if (!token  ||  
            (DebugMissingPools  &&  page->empty()  &&  !page->parent)) 
        {
            page->kill();
            setHotPage(nil);
        } else if (page->child) {
            if (page->lessThanHalfFull()) {
                page->child->kill();
            }
            else if (page->child->child) {
                page->child->child->kill();
            }
        }
    }

释放自动释放池内内存，双向堆栈中，删除一个AutoreleasePoolPage，根据这个AutoreleasePoolPage对象找到，通过while循环找到AutoreleasePoolPage下方的对象，就像二叉树找到叶子节点。通过节点，首先记录这个节点的地址，找出这个节点的父节点。通过父节点把子节点置空，删除这个节点的指针指向，在通过delete删除对象A的内存空间。通过while循环，直到删除到最初的节点。

void kill() 
    {
        // Not recursive: we don't want to blow out the stack 
        // if a thread accumulates a stupendous amount of garbage
        AutoreleasePoolPage *page = this;
        while (page->child) page = page->child;

        AutoreleasePoolPage *deathptr;
        do {
            deathptr = page;
            page = page->parent;
            if (page) {
                page->unprotect();
                page->child = nil;
                page->protect();
            }
            delete deathptr;
        } while (deathptr != this);
    }

系统创建的自动释放池

App启动后，苹果在主线程 RunLoop 里注册了两个 Observer，其回调都是 _wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler()。
第一个 Observer 监视的事件是 Entry(即将进入Loop)，其回调内会调用 _objc_autoreleasePoolPush() 创建自动释放池。其 order 是-2147483647，优先级最高，保证创建释放池发生在其他所有回调之前。
第二个 Observer 监视了两个事件： BeforeWaiting(准备进入休眠) 时调用_objc_autoreleasePoolPop() 和 _objc_autoreleasePoolPush() 释放旧的池并创建新池；Exit(即将退出Loop) 时调用 _objc_autoreleasePoolPop() 来释放自动释放池。这个 Observer 的 order 是 2147483647，优先级最低，保证其释放池子发生在其他所有回调之后。
在主线程执行的代码，通常是写在诸如事件回调、Timer回调内的。这些回调会被 RunLoop 创建好的 AutoreleasePool 环绕着，所以不会出现内存泄漏，开发者也不必显示创建 Pool 了。

也就是说AutoreleasePool创建是在一个RunLoop事件开始之前(push)，AutoreleasePool释放是在一个RunLoop事件即将结束之前(pop)。
AutoreleasePool里的Autorelease对象的加入是在RunLoop事件中，AutoreleasePool里的Autorelease对象的释放是在AutoreleasePool释放时。

其他Autorelease相关知识点

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，所以，还是新版的block版本枚举器更加方便，但是性能还是for in循环最高
下面三种情况是需要我们手动添加autoreleasepool
- 如果你编写的程序不是基于 UI 框架的，比如：命令行工具；
- for循环中遍历产生大量autorelease变量时，就需要手动添加加局部autoreleasePool来进行手动干预
- 如果你创建了一个子线程，一般会自定义继承自NSOperation的操作，在main方法中要加上@autoreleasepool{...}，这段代码是在子线程上执行是无法访问主线程的自动释放池的，所以得自己创建

AutoreleasePool的原理和实现

底层原理

1.查看@autoreleasepool{ }编译成C++代码

2.查看objc_autoreleasePoolPush和objc_autoreleasePoolPop

3.创建自动释放池

3.3.hotPage存在且未满，执行添加对象

4.销毁自动释放池

系统创建的自动释放池

其他Autorelease相关知识点

相关文章

网友评论

延伸阅读

深度阅读

栏目导航

热点阅读