AutoreleasePool底層實現原理

時間  2019-11-30
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AutoreleasePool（自動釋放池）是OC中的一種內存自動回收機制，它能夠延遲加入AutoreleasePool中的變量release的時機。在正常狀況下，建立的變量會在超出其做用域的時候release，可是若是將變量加入AutoreleasePool，那麼release將延遲執行。bash

AutoreleasePool建立和釋放

  • App啓動後，蘋果在主線程 RunLoop 裏註冊了兩個 Observer，其回調都是 _wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler()。
  • 第一個 Observer 監視的事件是 Entry(即將進入Loop)，其回調內會調用 _objc_autoreleasePoolPush() 建立自動釋放池。其 order 是-2147483647，優先級最高，保證建立釋放池發生在其餘全部回調以前。
  • 第二個 Observer 監視了兩個事件： BeforeWaiting(準備進入休眠) 時調用_objc_autoreleasePoolPop() 和 _objc_autoreleasePoolPush() 釋放舊的池並建立新池；Exit(即將退出Loop) 時調用 _objc_autoreleasePoolPop() 來釋放自動釋放池。這個 Observer 的 order 是 2147483647，優先級最低，保證其釋放池子發生在其餘全部回調以後。
  • 在主線程執行的代碼，一般是寫在諸如事件回調、Timer回調內的。這些回調會被 RunLoop 建立好的 AutoreleasePool 環繞着，因此不會出現內存泄漏，開發者也沒必要顯示建立 Pool 了。

也就是說AutoreleasePool建立是在一個RunLoop事件開始以前(push)，AutoreleasePool釋放是在一個RunLoop事件即將結束以前(pop)。 AutoreleasePool裏的Autorelease對象的加入是在RunLoop事件中，AutoreleasePool裏的Autorelease對象的釋放是在AutoreleasePool釋放時。less

AutoreleasePool實現原理

在終端中使用clang -rewrite-objc命令將下面的OC代碼重寫成C++的實現：函數

#import <Foundation/Foundation.h>

int main(int argc, const char * argv[]) {
    
    @autoreleasepool {
        NSLog(@"Hello, World!");
    }
 
    return 0;
}
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在cpp文件代碼中咱們找到main函數代碼以下：oop

int main(int argc, const char * argv[]) {

    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 
        NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_kb_06b822gn59df4d1zt99361xw0000gn_T_main_d39a79_mi_0);
    }

    return 0;
}
複製代碼

能夠看到蘋果經過聲明一個__AtAutoreleasePool類型的局部變量__autoreleasepool實現了@autoreleasepool{}。 __AtAutoreleasePool的定義以下:ui

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;
};
複製代碼

根據構造函數和析構函數的特色（自動局部變量的構造函數是在程序執行到聲明這個對象的位置時調用的，而對應的析構函數是在程序執行到離開這個對象的做用域時調用），咱們能夠將上面兩段代碼簡化成以下形式：this

int main(int argc, const char * argv[]) {

    /* @autoreleasepool */ {
        void *atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();
        NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_kb_06b822gn59df4d1zt99361xw0000gn_T_main_d39a79_mi_0);
        objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);
    }

    return 0;
}
複製代碼

至此，咱們能夠分析出，單個自動釋放池的執行過程就是objc_autoreleasePoolPush() —> [object autorelease] —> objc_autoreleasePoolPop(void *)。spa

來看一下objc_autoreleasePoolPush 和 objc_autoreleasePoolPop 的實現：線程

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

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

上面的方法看上去是對 AutoreleasePoolPage 對應靜態方法 push 和 pop 的封裝。 下面分析一下AutoreleasePoolPage的實現，揭開AutoreleasePool的實現原理。debug

AutoreleasePoolPage實現

AutoreleasePoolPage介紹

AutoreleasePoolPage 是一個 C++ 中的類，它在 NSObject.mm 中的定義是這樣的：指針

class AutoreleasePoolPage {
# 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
        PAGE_MAX_SIZE;  // size and alignment, power of 2
#endif
    static size_t const COUNT = SIZE / sizeof(id);

    magic_t const magic;
    id *next;
    pthread_t const thread;
    AutoreleasePoolPage * const parent;
    AutoreleasePoolPage *child;
    uint32_t const depth;
    uint32_t hiwat;
};
複製代碼
  • magic 檢查校驗完整性的變量
  • next 指向新加入的autorelease對象
  • thread page當前所在的線程，AutoreleasePool是按線程一一對應的（結構中的thread指針指向當前線程）
  • parent 父節點 指向前一個page
  • child 子節點 指向下一個page
  • depth 鏈表的深度，節點個數
  • hiwat high water mark 數據容納的一個上限
  • EMPTY_POOL_PLACEHOLDER 空池佔位
  • POOL_BOUNDARY 是一個邊界對象 nil,以前的源代碼變量名是 POOL_SENTINEL哨兵對象,用來區別每一個page即每一個 AutoreleasePoolPage 邊界
  • PAGE_MAX_SIZE = 4096, 爲何是4096呢？其實就是虛擬內存每一個扇區4096個字節,4K對齊的說法。
  • COUNT 一個page裏對象數

雙向鏈表

AutoreleasePool並無單獨的結構，而是由若干個AutoreleasePoolPage以雙向鏈表的形式組合而成的棧結構（分別對應結構中的parent指針和child指針）

parent和child就是用來構造雙向鏈表的指針。parent指向前一個page, child指向下一個page。 一個AutoreleasePoolPage的空間被佔滿時，會新建一個AutoreleasePoolPage對象，鏈接鏈表，後來的autorelease對象在新的page加入。

objc_autoreleasePoolPush

每當自動釋放池調用objc_autoreleasePoolPush時都會把邊界對象放進棧頂,而後返回邊界對象,用於釋放。

atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();
複製代碼

atautoreleasepoolobj就是返回的邊界對象(POOL_BOUNDARY)

push實現以下：

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

它調用AutoreleasePoolPage的類方法push：

static inline void *push() {
   return autoreleaseFast(POOL_BOUNDARY);
}
複製代碼

在這裏會進入一個比較關鍵的方法autoreleaseFast，並傳入邊界對象(POOL_BOUNDARY)：

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);
   }
}
複製代碼

上述方法分三種狀況選擇不一樣的代碼執行：

  • 有 hotPage 而且當前 page 不滿，調用 page->add(obj) 方法將對象添加至 AutoreleasePoolPage 的棧中
  • 有 hotPage 而且當前 page 已滿，調用 autoreleaseFullPage 初始化一個新的頁，調用 page->add(obj) 方法將對象添加至 AutoreleasePoolPage 的棧中
  • 無 hotPage，調用 autoreleaseNoPage 建立一個 hotPage，調用 page->add(obj) 方法將對象添加至 AutoreleasePoolPage 的棧中

最後的都會調用 page->add(obj) 將對象添加到自動釋放池中。 hotPage 能夠理解爲當前正在使用的 AutoreleasePoolPage。

AutoreleasePoolPage::autorelease(id obj)

autorelease方法的實現，先來看一下方法的調用棧：

- [NSObject autorelease]
└── id objc_object::rootAutorelease()
    └── id objc_object::rootAutorelease2()
        └── static id AutoreleasePoolPage::autorelease(id obj)
            └── static id AutoreleasePoolPage::autoreleaseFast(id obj)
                ├── id *add(id obj)
                ├── static id *autoreleaseFullPage(id obj, AutoreleasePoolPage *page)
                │   ├── AutoreleasePoolPage(AutoreleasePoolPage *newParent)
                │   └── id *add(id obj)
                └── static id *autoreleaseNoPage(id obj)
                    ├── AutoreleasePoolPage(AutoreleasePoolPage *newParent)
                    └── id *add(id obj)
複製代碼

在autorelease方法的調用棧中，最終都會調用上面提到的 autoreleaseFast方法，將當前對象加到AutoreleasePoolPage 中。

這一小節中這些方法的實現都很是容易，只是進行了一些參數上的檢查，最終還要調用autoreleaseFast方法：

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

    return rootAutorelease2();
}

__attribute__((noinline,used)) id objc_object::rootAutorelease2() {
    return AutoreleasePoolPage::autorelease((id)this);
}

static inline id autorelease(id obj) {
   id *dest __unused = autoreleaseFast(obj);
   return obj;
}
複製代碼

autorelease函數和push函數同樣，關鍵代碼都是調用autoreleaseFast函數向自動釋放池的鏈表棧中添加一個對象， 不過push函數的入棧的是一個邊界對象，而autorelease函數入棧的是須要加入autoreleasepool的對象。

objc_autoreleasePoolPop

自動釋放池釋放是傳入 push 返回的邊界對象,

objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);
複製代碼

而後將邊界對象指向的這一頁 AutoreleasePoolPage 內的對象釋放 atautoreleasepoolobj就是返回的邊界對象(POOL_BOUNDARY)

AutoreleasePoolPage::pop()實現：

static inline void pop(void *token)   // token指針指向棧頂的地址
{
    AutoreleasePoolPage *page;
    id *stop;

    page = pageForPointer(token);   // 經過棧頂的地址找到對應的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();   // 記錄最高水位標記

    page->releaseUntil(stop);   // 從棧頂開始操做出棧，並向棧中的對象發送release消息，直到遇到第一個哨兵對象

    // memory: delete empty children
    // 刪除空掉的節點
    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();
        }
    }
}
複製代碼

該過程主要分爲兩步：

  • page->releaseUntil(stop)，對棧頂（page->next）到stop地址（POOL_SENTINEL）之間的全部對象調用objc_release()，進行引用計數減1
  • 清空page對象page->kill()，有兩句註釋
// hysteresis: keep one empty child if this page is more than half full

// special case: delete everything for pop(0)
除非是pop(0)方式調用，這樣會清理掉全部page對象；
不然，在當前page存放的對象大於一半時，會保留一個空的子page，
這樣估計是爲了可能立刻須要新建page節省建立page的開銷。
複製代碼

小結

  • 自動釋放池是一個個 AutoreleasePoolPage 組成的一個page是4096字節大小,每一個 AutoreleasePoolPage 以雙向鏈表鏈接起來造成一個自動釋放池
  • 當對象調用 autorelease 方法時，會將對象加入 AutoreleasePoolPage 的棧中
  • pop 時是傳入邊界對象,而後對page 中的對象發送release 的消息
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