一. 自动释放池源码解析
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];
}
return 0;
}
在main函数中使用如下命令重写成c++文件
clang -rewrite-objc main.m
int main(int argc, const char * argv[]) {
/* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool;
NSObject *obj = ((NSObject *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((NSObject *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("NSObject"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init"));
}
return 0;
}
通过上面的c++代码可以看到：@autoreleasepool变成了__AtAutoreleasePool __autoreleasepool。也就是说 @autoreleasepool {} 被转换为一个 __AtAutoreleasePool 结构体。
__AtAutoreleasePool结构
struct __AtAutoreleasePool {
//构造函数
// 内部调用objc_autoreleasePoolPush函数。创建一个atautoreleasepoolobj
__AtAutoreleasePool() {
atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();
}
// 析构函数
// 内部调用objc_autoreleasePoolPop函数
~__AtAutoreleasePool()
{
objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);
}
void * atautoreleasepoolobj;
};
__AtAutoreleasePool是一个结构体，内部实现了一个构造函数objc_autoreleasePoolPush()创建了一个自动释放池对象atautoreleasepoolobj和一个析构函数objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj).
由此说明自动释放池的使用就是将作用域中的代码包含在__AtAutoreleasePool的构造函数和析构函数中,由atautoreleasepoolobj对象对作用域的内存进行管理.
这个结构体会在初始化时调用 objc_autoreleasePoolPush() 方法，会在析构时调用 objc_autoreleasePoolPop 方法。
这表明，我们的 main 函数在实际工作时其实是这样的：
int main(int argc, const char * argv[]) {
{
void * atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();
// 加入自动释放池中的对象
objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);
}
return 0;
}
二.objc_autoreleasePoolPush的实现
在runtime源码中可以看到该函数的实现如下：
void *
objc_autoreleasePoolPush(void)
{
return AutoreleasePoolPage::push();
}
在objc_autoreleasePoolPush函数内部调用了AutoreleasePoolPage对象的push函数。
我们先来看下AutoreleasePoolPage 的结构
AutoreleasePoolPage结构
AutoreleasePoolPage集成自AutoreleasePoolPageData 源码如下
class AutoreleasePoolPage;
struct AutoreleasePoolPageData
{
magic_t const magic;
__unsafe_unretained id *next;
pthread_t const thread;
AutoreleasePoolPage * const parent;
AutoreleasePoolPage *child;
uint32_t const depth;
uint32_t hiwat;
// 构造函数
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)
{
}
};
- magic:用来校验AutoreleasePoolPage结构是否完整；
- next:指向最新添加的autoreleased对象的下一个位置,初始化时指向begin;
- thread:指向当前线程;
- parent：指向父结点，第一个AutoreleasePoolPage结点的父结点为nil;
- child:指向子结点，最后一个AutoreleasePoolPage结点的子结点为nil;
- depth:当前结点的深度，从0开始，往后递增;
- hiwat:代表hige water mark最大入栈数量标记;
class AutoreleasePoolPage : private AutoreleasePoolPageData
{
friend struct thread_data_t;
public:
static size_t const SIZE =
#if PROTECT_AUTORELEASEPOOL
PAGE_MAX_SIZE; // must be multiple of vm page size
#else
PAGE_MIN_SIZE; // size and alignment, power of 2
#endif
}
#define PROTECT_AUTORELEASEPOOL 0 // 说明目前版本 SIZE = PAGE_MIN_SIZE;
#define I386_PGBYTES 4096 /* bytes per 80386 page */
#define PAGE_SIZE I386_PGBYTES
#define PAGE_MIN_SIZE PAGE_SIZE
// 可以看到PAGE_MIN_SIZE的值是4096
-
每一个自动释放池都是由一系列的 AutoreleasePoolPage 组成的，并且每一个 AutoreleasePoolPage 的大小都是 4096 字节（16 进制 0x1000）
-
自动释放池中的 AutoreleasePoolPage 是以双向链表的形式连接起来的,如下图
01.png
如果我们的一个AutoreleasePoolPage 被初始化在内存的 0x100816000 ~ 0x100817000 中，它在内存中的结构如下
01.png
其中有 56 bit 用于存储 AutoreleasePoolPage 的成员变量，剩下的 0x100816038 ~ 0x100817000 都是用来存储加入到自动释放池中的对象。
id * begin() {
return (id *) ((uint8_t *)this+sizeof(*this));
}
id * end() {
return (id *) ((uint8_t *)this+SIZE);
}
-
begin() 和 end() 这两个实例方法帮助我们快速获取 0x100816038 ~ 0x100817000 这一范围的边界地址。
-
next 指向了下一个为空的内存地址。
从AutoreleasePoolPage 的结构总可以看到POOL_SENTINEL对象。称之为哨兵对象。
#define POOL_SENTINEL nil
POOL_SENTINEL 哨兵对象的作用
每个自动释放池初始化在调用objc_autoreleasePoolPush的时候，都会把一个POOL_SENTINEL push到自动释放池的栈顶，并且返回这个POOL_SENTINEL的地址。
int main(int argc, const char * argv[]) {
{
// atautoreleasepoolobj指向的是哨兵对象
void * atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();
// do whatever you want
// 传入哨兵对象地址
objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);
}
return 0;
}
上面这个atautoreleasepoolobj就是一个POOL_SENTINEL。
可以看到在调用objc_autoreleasePoolPop时，会传进去这个地址：
- 根据传入的哨兵对象地址找到哨兵对象所处的page
- 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，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。
回到objc_autoreleasePoolPush的实现上来，可以看到objc_autoreleasePoolPush内部调用的是push方法。实现如下：
static inline void *push()
{
id *dest;
if (slowpath(DebugPoolAllocation)) {
// Each autorelease pool starts on a new pool page.
// 当自动释放池出现错误时停止，并允许堆调试器跟踪自动释放池 调试模式
dest = autoreleaseNewPage(POOL_BOUNDARY);
} else {
dest = autoreleaseFast(POOL_BOUNDARY);
}
ASSERT(dest == EMPTY_POOL_PLACEHOLDER || *dest == POOL_BOUNDARY);
return dest;
}
DebugPoolAllocation是调试模式，所以我们只要看autoreleaseFast函数。
可以看到调用autoreleaseFast函数时传入了 POOL_BOUNDARY哨兵对象。
autoreleaseFast函数的实现如下：
static inline id *autoreleaseFast(id obj)
{
//1 获取hotPage
AutoreleasePoolPage *page = hotPage();
if (page && !page->full()) {
// 2.1 有 hotPage 并且当前 page 不满
// 调用 page->add(obj) 方法将对象添加至 AutoreleasePoolPage 的栈中
return page->add(obj);
} else if (page) {
// 2.2 有 hotPage 并且当前 page 已满
// 调用 autoreleaseFullPage 初始化一个新的页
// 调用 page->add(obj) 方法将对象添加至新的 AutoreleasePoolPage 的栈中
return autoreleaseFullPage(obj, page);
} else {
//2.3 无 hotPage
// 调用 autoreleaseNoPage 创建一个 hotPage
// 调用 page->add(obj) 方法将对象添加至 AutoreleasePoolPage 的栈中
return autoreleaseNoPage(obj);
}
}
从上面的注释可以看到autoreleaseFast跟根据hotpage()执行不同的流程
-
1.有 hotPage 并且当前 page 不满
调用 page->add(obj) 方法将对象添加至 AutoreleasePoolPage 的栈中
-
- 有 hotPage 并且当前 page 已满
调用 autoreleaseFullPage 初始化一个新的页
调用 page->add(obj) 方法将对象添加至新的 AutoreleasePoolPage 的栈中 -
3.无 hotPage
调用 autoreleaseNoPage 创建一个 hotPage
调用 page->add(obj) 方法将对象添加至 AutoreleasePoolPage 的栈中
当hotpPage 装满时，会调用autoreleaseFullPage函数，实现如下：
// 如果当前的hotpage已经装满
static __attribute__((noinline))
id *autoreleaseFullPage(id obj, AutoreleasePoolPage *page)
{
// 对传入的page对象条件检查，必须是hotpage，必须full
// 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.
// page 为hotpage
ASSERT(page == hotPage());
// page full
ASSERT(page->full() || DebugPoolAllocation);
// 通过page的 child指针，获取下一个page对象，如果下一个page对象为空，则调用AutoreleasePoolPage创建一个新的page对象
// while 循环判断page，直到page 没有装满
do {
if (page->child) page = page->child;
else page = new AutoreleasePoolPage(page);
} while (page->full());
// 将while循环得到的page对象设置为hotpage
setHotPage(page);
// 将obj对象加入到page中
return page->add(obj);
}
从上面的源码中可以看出autoreleaseFullPage的实现逻辑：
- 传入的page必须是hotpage，必须full。
- 通过 child指针，while遍历，从当前page寻找，直到获取到一个没有装满的page，或者创建一个新的page。
- 3.将while遍历获取到的page设置为hotPage，并且将obj加入到page中
在上面的autoreleaseFast函数中我们通过hotPage()函数获取到了最上层的page。
hotPage 实现
static inline AutoreleasePoolPage *hotPage()
{
AutoreleasePoolPage *result = (AutoreleasePoolPage *)
tls_get_direct(key); // 通过 tls 查询可用 AutoreleasePoolPage 对象
if ((id *)result == EMPTY_POOL_PLACEHOLDER) return nil; // 如果查询结果为 EMPTY_POOL_PLACEHOLDER，返回 nil
if (result) result->fastcheck(); // 如果 result 不为空，则调用 fastcheck 方法，这里面做了检测线程的工作
return result;
}
自动释放池 full 实现
bool full() {
return next == end();
}
id * end() {
return (id *) ((uint8_t *)this+SIZE);
}
判断next指向是不是最后一个位置。
page->add(obj)实现
// 将对象添加到自动释放池中，压栈操作
id *add(id obj)
{
// page没有装满
ASSERT(!full());
unprotect();
// 获取当前的位置
id *ret = next; // faster than `return next-1` because of aliasing
//将下一个位置指向obj
*next++ = obj;
protect();
return ret;
}
autoreleaseNoPage实现
//创建AutoreleasePoolPage
static __attribute__((noinline))
id *autoreleaseNoPage(id obj)
{
// "No page" could mean no pool has been pushed
// or an empty placeholder pool has been pushed and has no contents yet
ASSERT(!hotPage());
bool pushExtraBoundary = false;
if (haveEmptyPoolPlaceholder()) {
// We are pushing a second pool over the empty placeholder pool
// or pushing the first object into the empty placeholder pool.
// Before doing that, push a pool boundary on behalf of the pool
// that is currently represented by the empty placeholder.
pushExtraBoundary = true;
}
else if (obj != POOL_BOUNDARY && DebugMissingPools) {
// We are pushing an object with no pool in place,
// and no-pool debugging was requested by environment.
_objc_inform("MISSING POOLS: (%p) Object %p of class %s "
"autoreleased with no pool in place - "
"just leaking - break on "
"objc_autoreleaseNoPool() to debug",
objc_thread_self(), (void*)obj, object_getClassName(obj));
objc_autoreleaseNoPool(obj);
return nil;
}
else if (obj == POOL_BOUNDARY && !DebugPoolAllocation) {
// We are pushing a pool with no pool in place,
// and alloc-per-pool debugging was not requested.
// Install and return the empty pool placeholder.
return setEmptyPoolPlaceholder();
}
// We are pushing an object or a non-placeholder'd pool.
// 初始化第一个AutoreleasePoolPage，parent为nil
// Install the first page.
AutoreleasePoolPage *page = new AutoreleasePoolPage(nil);
//设置为hotpage
setHotPage(page);
// Push a boundary on behalf of the previously-placeholder'd pool.
// 先添加POOL_BOUNDARY 哨兵对象
if (pushExtraBoundary) {
page->add(POOL_BOUNDARY);
}
// 再将对象加入到自动释放池
// Push the requested object or pool.
return page->add(obj);
}
既然当前内存中不存在 AutoreleasePoolPage，就要从头开始构建这个自动释放池的双向链表，也就是说，新的 AutoreleasePoolPage 是没有 parent 指针的。
初始化之后，将当前页标记为 hotPage，然后会先向这个 page 中添加一个 POOL_SENTINEL 对象，来确保在 pop 调用的时候，不会出现异常。
最后，将 obj 添加到自动释放池中。
三. objc_autoreleasePoolPop 方法
自动释放池结束时，会调用析构函数objc_autoreleasePoolPop。objc_autoreleasePoolPop实现如下：
void
_objc_autoreleasePoolPop(void *ctxt)
{
objc_autoreleasePoolPop(ctxt);
}
void
objc_autoreleasePoolPop(void *ctxt)
{
AutoreleasePoolPage::pop(ctxt);
}
通过runtime源码发现，最后调用的是AutoreleasePoolPage的pop函数，传入的参数是POOL_SENTINEL哨兵对象
pop函数实现
// 参数token:POOL_BOUNDARY的地址
static inline void
pop(void *token)
{
AutoreleasePoolPage *page;
id *stop;
if (token == (void*)EMPTY_POOL_PLACEHOLDER) {
// Popping the top-level placeholder pool.
// 获取顶层的自动释放池
page = hotPage();
if (!page) {
// Pool was never used. Clear the placeholder.
// page 为空，自动释放池还未使用，清空placeholder
return setHotPage(nil);
}
// Pool was used. Pop its contents normally.
// Pool pages remain allocated for re-use as usual.
// 将page设置为cold page
page = coldPage();
// token指向起始位置
token = page->begin();
} else {
//通过POOL_BOUNDARY找到对应的page
page = pageForPointer(token);
}
//停止标志
stop = (id *)token;
if (*stop != POOL_BOUNDARY) {
if (stop == page->begin() && !page->parent) {
// Start of coldest page may correctly not be POOL_BOUNDARY:
// 1. top-level pool is popped, leaving the cold page in place
// 2. an object is autoreleased with no pool
} else {
// Error. For bincompat purposes this is not
// fatal in executables built with old SDKs.
return badPop(token);
}
}
if (slowpath(PrintPoolHiwat || DebugPoolAllocation || DebugMissingPools)) {
return popPageDebug(token, page, stop);
}
// 调用popPage
return popPage<false>(token, page, stop);
}
在 pageForPointer函数中，通过传入的token(哨兵对象的地址)，获取到对应的page，然后执行popPage函数释放池中的对象
如何通过token找到当前page
在上面说到通过pageForPointer函数能获取当前page，实现如下：
// 通过哨兵对象的地址找到对应的page
static AutoreleasePoolPage *pageForPointer(const void *p)
{
return pageForPointer((uintptr_t)p);
}
static AutoreleasePoolPage *pageForPointer(uintptr_t p)
{
// p :POOL_BOUNDARY 在对应page中的地址
AutoreleasePoolPage *result;
//SIZE: 4096,每页page的大小
// p % SIZE : 获取p 在page中的偏移地址
uintptr_t offset = p % SIZE;
// 边界检测： 偏移地址 <= page 的内存大小
ASSERT(offset >= sizeof(AutoreleasePoolPage));
//获取p所在page的起始地址
result = (AutoreleasePoolPage *)(p - offset);
result->fastcheck();
return result;
}
从源码中可以看到 将指针与页面的大小，也就是 4096 取模，得到当前指针的偏移量，然后用指针地址减去偏移量就是page的起始地址
我们获取到了当前的page，就要调用 popPage去释放自动释放池中的对象了。
popPage实现
template<bool allowDebug>
static void
popPage(void *token, AutoreleasePoolPage *page, id *stop)
{
if (allowDebug && PrintPoolHiwat) printHiwat();
//释放page中的对象
page->releaseUntil(stop);
// memory: delete empty children 删除空的子page
// 1.当前page为空，直接kill掉当前page，然后把parent设置为hotpage
if (allowDebug && DebugPoolAllocation && page->empty()) {
// special case: delete everything during page-per-pool debugging
// 取出parent page
AutoreleasePoolPage *parent = page->parent;
// 释放当前page
page->kill();
// 设置parent page 为hotPage
setHotPage(parent);
} else if (allowDebug && DebugMissingPools && page->empty() && !page->parent) {
// special case: delete everything for pop(top)
// when debugging missing autorelease pools
// 2. 当前page为空，而且没有parent，kill掉当前page，hotpage置为空；
page->kill();
setHotPage(nil);
} else if (page->child) {
// hysteresis: keep one empty child if page is more than half full
//3.当前page不为空，但是有child
// 如果当前page 的使用不超过一半
if (page->lessThanHalfFull()) {
// 从子 page开始释放
page->child->kill();
}
else if (page->child->child) {
// 如果当前page的使用超过一半，并且还有 子子child（孙子 child），则从孙子child开始释放
// 这里如果当前的page使用已经超过一半，意味着当前page可能很快就要用完，这个时候就保留 child page,从孙子page开始释放。创建page需要时间，这里牺牲一个page的内存空间，提升了新能
page->child->child->kill();
}
}
}
1.当前page为空，直接kill掉当前page，然后把parent设置为hotpage；
2.当前page为空，而且没有parent，kill掉当前page，hotpage置为空；
3.当前page不为空，但是有child，如果当前page的空间占用不到一半，释放child，如果当前page的空间占用超过一半，且child还有child，直接释放这个孙子辈的page。这里牺牲一个page的内存空间，提升了新能
releaseUntil 释放对象
releaseUntil 方法的实现如下：
// 循环释放对象，直到stop
void releaseUntil(id *stop)
{
// Not recursive: we don't want to blow out the stack
// if a thread accumulates a stupendous amount of garbage
// while循环，直到next == stop
while (this->next != stop) {
// Restart from hotPage() every time, in case -release
// autoreleased more objects
//获取hotPage
AutoreleasePoolPage *page = hotPage();
// fixme I think this `while` can be `if`, but I can't prove it
// 如果page为空，利用parent指针找到一个不为空的page，并设置为hotpage
while (page->empty()) {
page = page->parent;
setHotPage(page);
}
//将page所在的内存区域设置为可读可写
page->unprotect();
//通过next指针获取page中记录的对象，next -1 前移
id obj = *--page->next;
// void *memset(void *s, int ch, size_t n);
// 将s中当前位置后面的n个字节 （typedef unsigned int size_t ）用 ch 替换并返回 s 。
// 将当前对象的 8个字节 用0xA3 替换
memset((void*)page->next, SCRIBBLE, sizeof(*page->next));
// 修改完page中的值后，设置page所在的内存区域为只读
page->protect();
// 如果对象不是哨兵对象则释放
if (obj != POOL_BOUNDARY) {
objc_release(obj);
}
}
// 把当前 page 设置 hotpage
setHotPage(this);
#if DEBUG
// we expect any children to be completely empty
for (AutoreleasePoolPage *page = child; page; page = page->child) {
ASSERT(page->empty());
}
#endif
}
使用while循环释放page中的内容，直到next == stop，通过memset底层函数，将释放的地方用0xA3常量填充替换。
releaseUntil函数只是将page中的对象 释放了，并且对应的位置用0xA3填充，但是child/parent 指针没有清空，也就是说page还在内存中，没有释放。释放page的操作在kill函数中进行的
kill实现
kill 方法的实现如下：
// 清空child指针，释放page
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;
// 通过while获取尾部的page
while (page->child) page = page->child;
AutoreleasePoolPage *deathptr;
do {
deathptr = page;
page = page->parent;
if (page) {
page->unprotect();
// 清空child 指针，释放子page
page->child = nil;
page->protect();
}
delete deathptr;
} while (deathptr != this);
}
kill会将当前页面以及子页面全部删除,释放AutoreleasePoolPage占用空间，是从最尾部的子page开始释放
调试自动释放池
可以通过_objc_autoreleasePooPrint()函数调试
// 声明
extern void _objc_autoreleasePooPrint();
// 执行函数
_objc_autoreleasePoolPrint()
参考
自动释放池的前世今生 ---- 深入解析
黑幕背后的Autorelease
iOS 底层拾遗：AutoreleasePool
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