iOS -- Autorelease & AutoreleasePool

時間  2019-11-07
標籤 ios autorelease autoreleasepool 欄目 iOS 简体版
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前言

內存管理一直是Objective-C 的重點，在MRC環境下，經過調用[obj autorelease]來延遲內存的釋放，在如今ARC環境下，咱們都知道編譯器會在合適的地方插入release/autorelease內存釋放語句，咱們甚至能夠不須要知道Autorelease就能很好的管理內存。雖然如今已經幾乎用不到MRC,可是瞭解 Objective-C 的內存管理機制仍然是十分必要的，看看編譯器幫助咱們怎麼來管理內存。本文僅僅是記錄本身的學習筆記。緩存

AutoreleasePool簡介

1.什麼是AutoreleasePool

AutoreleasePool：自動釋放池是 Objective-C 開發中的一種自動內存回收管理的機制，爲了替代開發人員手動管理內存，實質上是使用編譯器在適當的位置插入release、autorelease等內存釋放操做。當對象調用 autorelease方法後會被放到自動釋放池中延遲釋放時機，當緩存池須要清除dealloc時，會向這些 Autoreleased對象作 release 釋放操做。bash

2.對象何時釋放（ARC規則）

通常的說法是對象會在當前做用域大括號結束時釋放， 有這樣一個ARC環境下簡單的例子🌰：首先建立一個ZHPerson類：app

//// ZHPerson.h
#import <Foundation/Foundation.h>

NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN

@interface ZHPerson : NSObject

+(instancetype)object;
@end

////ZHPerson.m

#import "ZHPerson.h"
@implementation ZHPerson

-(void)dealloc
{
    NSLog(@"ZHPerson dealloc");
}
+(instancetype)object
{
    return [[ZHPerson alloc] init];
}
@end
複製代碼

而後在ViewController.m導入頭文件ZHPerson.h，而後在寫一段這樣的代碼：框架

__weak id temp = nil;
{
    ZHPerson *person = [[ZHPerson alloc] init];
    temp = person;
}
NSLog(@"temp = %@",temp);
複製代碼

解釋一下這個代碼：先聲明瞭一個 __weak 變量temp，由於 __weak 變量有一個特性就是它不會影響所指向對象的生命週期，而後讓變量temp指向建立的person對象，輸出以下： less

這裏超出了 person的做用域，它就被釋放了，看來是正常的。

把上面的建立對象的方法，變一變寫法：函數

__weak id temp = nil;
{
    ZHPerson *person = [ZHPerson object];
    temp = person;
}
NSLog(@"temp = %@",temp);
複製代碼

輸出以下： oop

這裏 person對象超出了其做用域仍是存在的，被延遲釋放了，也就是說其內部調用了 autorelease方法。

小總結：學習

查詢得知：以 alloc, copy, ,mutableCopy和new這些方法會被默認標記爲 __attribute((ns_returns_retained)) ，以這些方法建立的對象,編譯器在會在調用方法外圍要加上內存管理代碼retain/release，因此其在做用域結束的時候就會釋放，而不以這些關鍵字開頭的方法，會被默認標記爲__attribute((ns_returns_not_retained)),編譯器會在方法內部自動加上autorelease方法，這時建立的對象就會被註冊到自動釋放池中，同時其釋放會延遲，等到自動釋放池銷燬的時候才釋放。測試

3.AutoreleasePool的顯示建立

1.MRC下的建立

//1.生成一個NSAutoreleasePool對象
NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
//2.建立對象
id object = [[NSObject alloc] init];
//3.對象調用autorelease方法
[object autorelease];
//4.廢棄NSAutoreleasePool對象，會對釋放池中的object發送release消息
[pool drain];
複製代碼

2.ARC下的建立

@autoreleasepool {
    //LLVM會在內部插入autorelease方法
    id object = [[NSObject alloc] init];
    }
複製代碼

AutoreleasePool 的做用前面有提到過，每當一個對象調用 autorelease方法時，其實是將該對象放入當前 AutoreleasePool 中，當前AutoreleasePool 釋放時，會對添加進該 AutoreleasePool 中的對象逐一調用 release 方法。在ARC環境下，並不須要特別的去關注Autoreleasepool的使用，由於系統已經作了處理。ui

AutoreleasePool探索學習

爲了看一下AutoreleasePool到底作了什麼，先來建立一個main.m文件（Xcode -> File -> New Project -> macOS -> Command Line Tool -> main.m）;

#import <Foundation/Foundation.h>

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        NSLog(@"Hello, World!");
    }
    return 0;
}
複製代碼

而後，使用編譯器clang編譯main.m轉化成main.cpp文件（在終端使用命令：clang -rewrite-objc main.m），滑到main.cpp文件的最後，有這樣一段代碼：

這個代碼是把 @autoreleasePool轉換成一個 __AtAutoreleasePool類型的局部私有變量 __AtAutoreleasePool __autoreleasepool;

接着在 main.cpp文件中查詢__AtAutoreleasePool，來看一下它具體的實現：

能夠看到 __AtAutoreleasePool是結構體類型，而且實現了兩個函數：構造函數 __AtAutoreleasePool()和析構函數 ~__AtAutoreleasePool()。

也就是說在聲明 __autoreleasepool 變量時，構造函數 __AtAutoreleasePool() 被調用，即執行 atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush(); ；當出了當前做用域時，析構函數 ~__AtAutoreleasePool()被調用，即執行 objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj); 那麼上面的main.m中的代碼能夠用這種形式代替：

#import <Foundation/Foundation.h>

int main(int argc, const char * argv[]) {
   // @autoreleasepool
    {
        void *atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();
        // insert code here...
        NSLog(@"Hello, World!");
        objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);
    }
    return 0;
}
複製代碼

接下來看一下析構函數和構造函數分別實現了什麼內容？這裏須要一份objc_runtime的源碼(源碼地址)，這裏使用的是objc4-756.2.tar.gz:

這裏兩個函數本質上就是分別調用了 AutoreleasePoolPage的 push方法和 pop方法(這裏::是 C++調用方法的形式，相似於點語法)。

1.AutoreleasePoolPage

AutoreleasePoolPage是一個C++實現的類，它的具體實現代碼是：

class AutoreleasePoolPage 
{ 
# define POOL_BOUNDARY nil //哨兵對象(能夠看作是一個邊界)
    static size_t const COUNT = SIZE / sizeof(id);    // 對象數量

    magic_t const magic;    //用來校驗 `AutoreleasePoolPage`的結構是否完整；
    id *next;    //指向最新添加的 `autoreleased` 對象的下一個位置，初始化時指向 `begin()` ；
    pthread_t const thread;    //指向當前線程；
    AutoreleasePoolPage * const parent;    //指向父結點，第一個結點的 `parent` 值爲 `nil` ；
    AutoreleasePoolPage *child;    //指向子結點，最後一個結點的 `child` 值爲 `nil` ；
    uint32_t const depth;    //表明深度，從 `0` 開始，日後遞增 `1`；
    uint32_t hiwat;    //表明 `high water mark` ;
//剩下代碼省略......
}
複製代碼

經過源碼能夠知道這是一個典型的雙向列表結構，因此 AutoreleasePool是由若干個 AutoreleasePoolPage以雙向鏈表的形式組合而成。

AutoreleasePoolPage每一個對象會開闢4096字節內存（虛擬內存一頁的大小），除了上面的實例變量所佔空間，剩下的空間所有用來儲存autorelease對象的地址，AutoreleasepoolPage 經過壓棧的方式來存儲每一個autorelease的對象(從低地址到高地址)。其中next指針做爲遊標指向棧頂最新add進來的autorelease對象的下一個位置,當 next指針指向begin時，表示 AutoreleasePoolPage爲空；當 next指針指向end時，表示 AutoreleasePoolPage 已滿,此時會新建一個AutoreleasePoolPage對象，鏈接鏈表，後來的autorelease對象在新的AutoreleasePoolPage插入，一樣的新AutoreleasePoolPage的next指針被初始化在棧底（指向begin的位置）。

2.AutoreleasePoolPage::push()

既然已經知道了autorelease的對象會經過壓棧的方式插入到AutoreleasePoolPage當中，那麼顯然AutoreleasePoolPage的push方法就承包了AutoreleasePoolPage的建立和插入。

接着看下push方法的源碼：

static inline void *push() 
{
    id *dest;
    //判斷是否已經初始化AutoreleasePoolPage
    if (DebugPoolAllocation) {
        // Each autorelease pool starts on a new pool page.
        dest = autoreleaseNewPage(POOL_BOUNDARY);
    } else {
        dest = autoreleaseFast(POOL_BOUNDARY);
    }
    assert(dest == EMPTY_POOL_PLACEHOLDER || *dest == POOL_BOUNDARY);
    return dest;
}
複製代碼

這裏的POOL_BOUNDARY能夠理解爲哨兵對象，或者理解爲一種邊界標識，並且這個POOL_BOUNDARY值爲0，是個nil。

接下來，先來看一下autoreleaseFast這個方法，

static inline id *autoreleaseFast(id obj)
{
    //獲取到當前page,這個hotPage是從當前線程的局部私有空間取出來的
    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

咱們知道鏈表是有空間的，因此上面👆的源碼能夠理解爲：

(1). 當前page存在且沒有滿時，直接將對象添加到當前page中，即next指向的位置；

(2). 當前page存在而且已滿時，建立一個新的page，並將對象添加到新建立的page 中，而後將這兩個鏈表節點進行連接。

(3). 當前page不存在時，建立第一個page ，並將對象添加到新建立的page中。

這裏重點看一下page->add(obj)這個方法，

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

能夠看到這裏返回的ret其實next指針指向的地址，由上面的push方法的源碼可知，這裏page->add(obj)傳入的obj其實就是POOL_BOUNDARY，也就是說每一次調用push方法，都會插入一個POOL_BOUNDARY,因此objc_autoreleasePoolPush的返回值就是這個哨兵對象的地址。

3.AutoreleasePoolPage::pop(ctxt)

經過上面對構造函數objc_autoreleasePoolPush的學習，已經知道objc_autoreleasePoolPush返回的是哨兵對象的地址，那麼在調用析構函數objc_autoreleasePoolPop的時候傳入的也就是這個哨兵對象的地址。隨着方法的一步步調用，緊接着來看下AutoreleasePoolPage的pop方法的實現：

static inline void pop(void *token)
{
    AutoreleasePoolPage *page;
    id *stop;
    if (token == (void*)EMPTY_POOL_PLACEHOLDER) {
        if (hotPage()) {
            pop(coldPage()->begin());
        } else {
            setHotPage(nil);
        }
        return;
    }
            
    page = pageForPointer(token);  //根據傳入的哨兵對象的地址，獲取到page中的哨兵對象以後的地址空間
    stop = (id *)token;
    if (*stop != POOL_BOUNDARY) {
        if (stop == page->begin()  &&  !page->parent) {
        } else {
            return badPop(token);
        }
    }
    if (PrintPoolHiwat) printHiwat();
            
    page->releaseUntil(stop); //對當前鏈表當中的對象進行release操做
    if (DebugPoolAllocation  &&  page->empty()) {
    //釋放 `Autoreleased` 對象後，銷燬多餘的 page
        AutoreleasePoolPage *parent = page->parent;
        page->kill();
        setHotPage(parent);
    } else if (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();
        }
    }
}
複製代碼

這裏重點看一下page->releaseUntil(stop)方法：

void releaseUntil(id *stop)
{
    while (this->next != stop) {
        AutoreleasePoolPage *page = hotPage();
        while (page->empty()) {
            page = page->parent;
            setHotPage(page);
        }
    
        page->unprotect();
        id obj = *--page->next;
        memset((void*)page->next, SCRIBBLE, sizeof(*page->next));
        page->protect();
        
        if (obj != POOL_BOUNDARY) {
            objc_release(obj);
        }
    }
    setHotPage(this);
}
複製代碼

這裏的stop一樣是POOL_BOUNDARY的地址，這裏分析一下這個方法：

(1). 外部循環挨個遍歷autoreleased 對象，直到遍歷到哨兵對象POOL_BOUNDARY。

(2). 若是當前page沒有 POOL_BOUNDARY，而且爲空，則將hotPage設置爲當前page的父節點。

(3). 給當前autoreleased對象發送release消息。

(4). 最後再次配置hotPage。

4.autorelease

經過上面的分析已經知道了構造方法objc_autoreleasePoolPush會建立AutoreleasePoolPage，並插入哨兵對象POOL_BOUNDARY，析構方法objc_autoreleasePoolPop會對哨兵對象以後插入的對象發送release消息，那麼在這兩個方法之間，對象經過調用autorelease是怎麼插入到AutoreleasePoolPage的呢？下面來看下autorelease的源碼實現：

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;
}
複製代碼

這裏的重點仍是autoreleaseFast(obj);因爲這裏插入對象的方法和AutoreleasePoolPage調用push方法的實現是同樣的，只不過push操做插入的是一個 POOL_BOUNDARY，而autorelease操做插入的是一個具體的autoreleased對象,在此處就不作多餘分析。

經過上面👆的這些分析，已經大概知道AutoreleasePool是怎樣的一個構造，以及內如是如何實現自動釋放的。

5.AutoreleasePool的嵌套

對於嵌套的AutoreleasePool也是一樣的原理，在pop的時候總會釋放對象到上次push的位置爲止，也就是哨兵位置，多層的pool就是插入多個哨兵對象而已，而後根據哨兵對象來進行釋放，就像剝洋蔥同樣一層一層的，互不影響。

那麼這裏有個疑問，若是在AutoreleasePool多層嵌套中是同一個對象呢，那麼會怎麼釋放？下面經過一個小例子🌰來看一下：

@autoreleasepool {
    ZHPerson *person = [ZHPerson object];
    NSLog(@"current count %d",_objc_rootRetainCount(person));
    @autoreleasepool {
        ZHPerson *person1 = person;
        NSLog(@"current count %d",_objc_rootRetainCount(person));
        @autoreleasepool {
            ZHPerson *person2 = person;
            NSLog(@"current count %d",_objc_rootRetainCount(person));
        }
    }
}
複製代碼

打印結果以下：

這裏 dealloc方法只調用了一次，由上面的代碼可知：當前 person1和 person2是對 person的引用，若是系統會爲每一次引用都自動插入一個 autorelease，那麼對象在執行第一個 autorelease的時候，會調用 objc_release(obj)來釋放當前的對象，那麼當調用 rootRelease()的時候就會報錯，由於當前對象已經被釋放了，那麼也就是說對於引用的對象只會被釋放一次。(同一個對象不可以反覆的 autorelease)

NSthread、NSRunLoop、AutoReleasePool

1.NSthread和AutoReleasePool

先來看個簡單的例子：

在 temp的位置設置一個斷點，而後在控制檯輸入 watchpoint set variable temp,
等到這個線程執行結束以後，來看一下左側邊欄的內容：
當執行到 NSLog(@"thread end");這句代碼，表示線程執行結束，這裏，其實線程會先調用 [NSthread exit],而後執行 _pthread_tsd_cleanup,清除當前線程的有關資源,而後調用 tls_dealloc,也就是把當前線程關聯的 AutoReleasePool釋放掉，最後調用 weak_clear_no_lock清除指針。

那麼這一系列過程就說明了：在NSThread退出了以後，與NSThread對應的AutoReleasePool也會被自動清空，因此當一個線程結束的時候，就會回收♻️AutoReleasePool中自動釋放的對象。

結論：

每個線程都會維護本身的AutoReleasePool，而每個AutoReleasePool都會對應惟一一個線程，可是線程能夠對應多個AutoReleasePool。

2.NSRunLoop和AutoReleasePool

對於NSThread只是一個簡單的線程，若是把它換成一個常駐線程呢？

這裏建立一個 NSTimer，並將其常駐。利用一樣的方式， watchpoint set variable temp,：

能夠看到這裏 NStimer是被加入到子線程當中的，可是在子線程中，咱們並無去寫關於 AutoReleasePool的內容，咱們只知道 test作了 autorelease操做。下面回到源碼中來看： 

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;
}

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);
    }
}

id *autoreleaseNoPage(id obj)
{
   AutoreleasePoolPage *page = new AutoreleasePoolPage(nil);
   setHotPage(page);
}
//這裏省略了部分代碼
複製代碼

因此從上面的源碼咱們能夠得出結論：子線程在使用autorelease對象的時候，會懶加載出來一個AutoreleasePoolPage,而後將對象插入進去。

那麼問題又來了，autorelease對象在何時釋放的呢？也就說AutoreleasePoolPage在何時調用了pop方法？

其實在上面建立一個NSThread的時候，在調用[NSthread exit]的時候，會釋放當前資源，也就是把當前線程關聯的autoReleasePool釋放掉，而在這裏當RunLoop執行完成退出的時候，也會執行pop方法，這就說明了爲何在子線程當中，咱們沒有顯示的調用pop，它也能釋放當前AutoreleasePool的資源的緣由。

3.主線程的NSRunLoop和AutoReleasePool

那麼在主線程的RunLoop到底何時把對象進行釋放回收的呢？

簡單粗暴點，直接在控制檯經過po [NSRunloop currentRunloop]打印主線程的RunLoop:

這裏，系統在主線程的RunLoop裏註冊了兩個Observer，回調都是_wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler,第一個Observer的狀態是activities = 0x1,第二個Observer的狀態是activities = 0xa0,這兩種狀態表明什麼意思呢？

先在這裏插入一點RunLoop的內容(RunLoop的狀態枚舉)：

typedef CF_OPTIONS(CFOptionFlags, CFRunLoopActivity) {
    kCFRunLoopEntry = (1UL << 0),              // 1
    kCFRunLoopBeforeTimers = (1UL << 1),       // 2
    kCFRunLoopBeforeSources = (1UL << 2),      // 4
    kCFRunLoopBeforeWaiting = (1UL << 5),      // 32
    kCFRunLoopAfterWaiting = (1UL << 6),       // 64
    kCFRunLoopExit = (1UL << 7),               // 128
    kCFRunLoopAllActivities = 0x0FFFFFFFU
};
複製代碼

0x1表明的是kCFRunLoopEntry，也就是說第一個 Observer監視的事件是Entry(即將進入Loop時),其回調內會調用_objc_autoreleasePoolPush()建立一個自動釋放池。其order優先級是-2147483647，優先級最高，保證建立自動釋放池發生在其餘全部回調以前。

0xa0對應的是kCFRunLoopBeforeWaiting和kCFRunLoopExit,也就是說第二個Observer監視了兩個事件：kCFRunLoopBeforeWaiting準備進入休眠，kCFRunLoopExit即將退出RunLoop。在kCFRunLoopBeforeWaiting事件時調用 _objc_autoreleasePoolPop()和_objc_autoreleasePoolPush() 釋放舊的自動釋放池並建立新的自動釋放池；在kCFRunLoopExit事件時調用_objc_autoreleasePoolPop() 來釋放自動釋放池，同時這個Observer的order優先級是 2147483647，優先級最低，保證其釋放自動釋放池的操做發生在其餘全部回調以後。

因此在沒有手動增長AutoreleasePool的狀況下，Autorelease對象都是在當前的runloop迭代結束時釋放的，而它可以釋放的緣由是系統在每一個runloop迭代中都加入了自動釋放池push和pop操做。

總結：

對於不一樣線程，應當建立本身的AutoReleasePool。若是應用長期存在，應該按期drain和建立新的AutoReleasePool,AutoReleasePool與RunLoop 與線程是一一對應的關係,AutoReleasePool在RunLoop在開始迭代時作push操做，在RunLoop休眠或者迭代結束時作pop操做。

AutoreleasePool的應用場景

一般狀況下咱們是不須要手動建立AutoreleasePool，可是也有一些特殊的：

  1. 編寫的程序不基於UI框架，如命令行程序。

  2. 在循環中建立大量臨時對象時用以下降內存佔用峯值。

  3. 在主線程以外建立新的線程，在新線程開始執行處，建立本身的AutoreleasePool，不然將致使內存泄漏。

下面就來簡單看下第二種狀況,直接來個for循環：

for (int i = 0; i < 100000000; i ++) {
        NSString * str = [NSString stringWithFormat:@"noAutoReleasePool"];
        NSString *tempstr = str;
    }
}
複製代碼

來看一下Memory的使用狀況:

相反的，若是加上AutoreleasePool，來看一下：

for (int i = 0; i < 100000000; i ++) {
    @autoreleasepool {
        NSString * str = [NSString stringWithFormat:@"AutoReleasePool"];
        NSString *tempstr = str;
    }
}
複製代碼

來看一下這種狀況下的Memory的使用狀況:

這個對比傷害就很明顯了。

這個作個備註：在主函數main.m文件中的@autoreleasepool,若是在這裏作個測試，使用for循環建立大量的臨時對象，是否加上這個@autoreleasepool對Memory的使用狀況沒有特別大的影響。

總結

寫到這裏，對於AutoReleasePool學習內容就暫告一段了，正常狀況下，咱們不須要去關心AutoReleasePool的建立和釋放，可是學習理解了AutoReleasePool可以使咱們更加理解ARC模式下系統是怎樣來管理內存的。

文中內容若有不當之處，還請指出，謝謝您！

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