自動釋放池的前世此生
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因爲 Objective-C 中的內存管理是一個比較大的話題，因此會分爲兩篇文章來對內存管理中的一些機制進行剖析，一部分分析自動釋放池以及
autorelease方法，另外一部分分析retain、release方法的實現以及自動引用計數。git
寫在前面
這篇文章會在源代碼層面介紹 Objective-C 中自動釋放池，以及方法的 autorelease 的具體實現。github
從 main 函數開始
main 函數能夠說是在整個 iOS 開發中很是不起眼的一個函數，它很好地隱藏在 Supporting Files 文件夾中，倒是整個 iOS 應用的入口。
objective-c
main.m 文件中的內容是這樣的：shell
int main(int argc, char * argv[]) {
@autoreleasepool {
return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));
}
}
在這個 @autoreleasepool block 中只包含了一行代碼，這行代碼將全部的事件、消息所有交給了 UIApplication 來處理，可是這不是本文關注的重點。app
須要注意的是：整個 iOS 的應用都是包含在一個自動釋放池 block 中的。less
@autoreleasepool
@autoreleasepool 究竟是什麼？咱們在命令行中使用 clang -rewrite-objc main.m 讓編譯器從新改寫這個文件：函數
$ clang -rewrite-objc main.m
在生成了一大堆警告以後，當前目錄下多了一個 main.cpp 文件測試
這裏刪除了
main函數中其餘無用的代碼。
在這個文件中，有一個很是奇怪的 __AtAutoreleasePool 的結構體，前面的註釋寫到 /* @autoreleasepopl */。也就是說 @autoreleasepool {} 被轉換爲：
{
__AtAutoreleasePool __autoreleasepool;
}
在 main.cpp 中查找名爲 __AtAutoreleasePool 的結構體：
struct __AtAutoreleasePool {
__AtAutoreleasePool() {atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();}
~__AtAutoreleasePool() {objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);}
void * atautoreleasepoolobj;
};
這個結構體會在初始化時調用 objc_autoreleasePoolPush() 方法，會在析構時調用 objc_autoreleasePoolPop 方法。
這代表，咱們的 main 函數實際上是這樣的：
int main(int argc, const char * argv[]) {
{
void * atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();
// do whatever you want
objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);
}
return 0;
}
@autoreleasepool 只是幫助咱們少寫了這兩行代碼而已，讓代碼看起來更美觀，而後要根據上述兩個方法來分析自動釋放池的實現。
AutoreleasePool 是什麼
這一節開始分析方法 objc_autoreleasePoolPush 和 objc_autoreleasePoolPop 的實現：
void *objc_autoreleasePoolPush(void) {
return AutoreleasePoolPage::push();
}
void objc_autoreleasePoolPop(void *ctxt) {
AutoreleasePoolPage::pop(ctxt);
}
上面的方法看上去是對 AutoreleasePoolPage 對應靜態方法 push 和 pop 的封裝。
這一小節會按照下面的順序逐步解析代碼中的內容：
AutoreleasePoolPage 的結構
AutoreleasePoolPage 是一個 C++ 中的類：
它在 NSObject.mm 中的定義是這樣的：
class AutoreleasePoolPage {
magic_t const magic;
id *next;
pthread_t const thread;
AutoreleasePoolPage * const parent;
AutoreleasePoolPage *child;
uint32_t const depth;
uint32_t hiwat;
};
magic用於對當前AutoreleasePoolPage完整性的校驗thread保存了當前頁所在的線程
每個自動釋放池都是由一系列的 AutoreleasePoolPage 組成的，而且每個 AutoreleasePoolPage 的大小都是 4096 字節（16 進制 0x1000）
#define I386_PGBYTES 4096 #define PAGE_SIZE I386_PGBYTES
雙向鏈表
自動釋放池中的 AutoreleasePoolPage 是以雙向鏈表的形式鏈接起來的：
parent和child就是用來構造雙向鏈表的指針。
自動釋放池中的棧
若是咱們的一個 AutoreleasePoolPage 被初始化在內存的 0x100816000 ~ 0x100817000 中，它在內存中的結構以下：
其中有 56 bit 用於存儲 AutoreleasePoolPage 的成員變量，剩下的 0x100816038 ~ 0x100817000 都是用來存儲加入到自動釋放池中的對象。
begin()和end()這兩個類的實例方法幫助咱們快速獲取0x100816038 ~ 0x100817000這一範圍的邊界地址。
next 指向了下一個爲空的內存地址，若是 next 指向的地址加入一個 object，它就會以下圖所示移動到下一個爲空的內存地址中：
關於
hiwat和depth在文章中並不會進行介紹，由於它們並不影響整個自動釋放池的實現，也不在關鍵方法的調用棧中。
POOL_SENTINEL（哨兵對象）
到了這裏，你可能想要知道 POOL_SENTINEL 究竟是什麼，還有它爲何在棧中。
首先回答第一個問題： POOL_SENTINEL 只是 nil 的別名。
#define POOL_SENTINEL nil
在每一個自動釋放池初始化調用 objc_autoreleasePoolPush 的時候，都會把一個 POOL_SENTINEL push 到自動釋放池的棧頂，而且返回這個 POOL_SENTINEL 哨兵對象。
int main(int argc, const char * argv[]) {
{
void * atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();
// do whatever you want
objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);
}
return 0;
}
上面的
atautoreleasepoolobj就是一個POOL_SENTINEL。
而當方法 objc_autoreleasePoolPop 調用時，就會向自動釋放池中的對象發送 release 消息，直到第一個 POOL_SENTINEL：
objc_autoreleasePoolPush 方法
瞭解了 POOL_SENTINEL，咱們來從新回顧一下 objc_autoreleasePoolPush 方法：
void *objc_autoreleasePoolPush(void) {
return AutoreleasePoolPage::push();
}
它調用 AutoreleasePoolPage 的類方法 push，也很是簡單：
static inline void *push() {
return autoreleaseFast(POOL_SENTINEL);
}
在這裏會進入一個比較關鍵的方法 autoreleaseFast，並傳入哨兵對象 POOL_SENTINEL：
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);
}
}
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。
page->add 添加對象
id *add(id obj) 將對象添加到自動釋放池頁中：
id *add(id obj) {
id *ret = next;
*next = obj;
next++;
return ret;
}
筆者對這個方法進行了處理，更方便理解。
這個方法其實就是一個壓棧的操做，將對象加入 AutoreleasePoolPage 而後移動棧頂的指針。
autoreleaseFullPage（當前 hotPage 已滿）
autoreleaseFullPage 會在當前的 hotPage 已滿的時候調用：
static id *autoreleaseFullPage(id obj, AutoreleasePoolPage *page) {
do {
if (page->child) page = page->child;
else page = new AutoreleasePoolPage(page);
} while (page->full());
setHotPage(page);
return page->add(obj);
}
它會從傳入的 page 開始遍歷整個雙向鏈表，直到：
查找到一個未滿的
AutoreleasePoolPage使用構造器傳入
parent建立一個新的AutoreleasePoolPage
在查找到一個可使用的 AutoreleasePoolPage 以後，會將該頁面標記成 hotPage，而後調動上面分析過的 page->add 方法添加對象。
autoreleaseNoPage（沒有 hotPage)
若是當前內存中不存在 hotPage，就會調用 autoreleaseNoPage 方法初始化一個 AutoreleasePoolPage：
static id *autoreleaseNoPage(id obj) {
AutoreleasePoolPage *page = new AutoreleasePoolPage(nil);
setHotPage(page);
if (obj != POOL_SENTINEL) {
page->add(POOL_SENTINEL);
}
return page->add(obj);
}
既然當前內存中不存在 AutoreleasePoolPage，就要從頭開始構建這個自動釋放池的雙向鏈表，也就是說，新的 AutoreleasePoolPage 是沒有 parent 指針的。
初始化以後，將當前頁標記爲 hotPage，而後會先向這個 page 中添加一個 POOL_SENTINEL 對象，來確保在 pop 調用的時候，不會出現異常。
最後，將 obj 添加到自動釋放池中。
objc_autoreleasePoolPop 方法
一樣，回顧一下上面提到的 objc_autoreleasePoolPop 方法：
void objc_autoreleasePoolPop(void *ctxt) {
AutoreleasePoolPage::pop(ctxt);
}
看起來傳入任何一個指針都是能夠的，可是在整個工程並無發現傳入其餘對象的例子。不過在這個方法中傳入其它的指針也是可行的，會將自動釋放池釋放到相應的位置。
咱們通常都會在這個方法中傳入一個哨兵對象 POOL_SENTINEL，以下圖同樣釋放對象：
對 objc_autoreleasePoolPop 行爲的測試
在繼續分析這個方法以前作一個小測試，在 objc_autoreleasePoolPop 傳入非哨兵對象，測試一下這個方法的行爲。
下面是 main.m 文件中的源代碼：
#import <Foundation/Foundation.h>
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
NSString *s = @"Draveness";
[s stringByAppendingString:@"-Suffix"];
}
return 0;
}
在代碼的這一行打一個斷點，由於這裏會調用 autorelease 方法，將字符串加入自動釋放池：
當代碼運行到這裏時，經過 lldb 打印出當前 hotPage 中的棧內容：
經過
static方法獲取當前hotPage打印
AutoreleasePoolPage中的內容打印當前
next指針指向的內容，以及以前的內容，-2時已經到了begin()位置使用
print()和printAll()打印自動釋放池中內容
而後將字符串 @"Draveness-Suffix" 的指針傳入 pop 方法，測試 pop 方法可否傳入非哨兵參數。
再次打印當前 AutoreleasePoolPage 的內容時，字符串已經不存在了，這說明向 pop 方法傳入非哨兵參數是可行的，只是咱們通常不會傳入非哨兵對象。
讓咱們從新回到對 objc_autoreleasePoolPop 方法的分析，也就是 AutoreleasePoolPage::pop 方法的調用：
static inline void pop(void *token) {
AutoreleasePoolPage *page = pageForPointer(token);
id *stop = (id *)token;
page->releaseUntil(stop);
if (page->child) {
if (page->lessThanHalfFull()) {
page->child->kill();
} else if (page->child->child) {
page->child->child->kill();
}
}
}
在這個方法中刪除了大量無關的代碼，以及對格式進行了調整。
該靜態方法總共作了三件事情：
使用
pageForPointer獲取當前token所在的AutoreleasePoolPage調用
releaseUntil方法釋放棧中的對象，直到stop調用
child的kill方法
我到如今也不是很清楚爲何要根據當前頁的不一樣狀態
kill掉不一樣child的頁面。
if (page->lessThanHalfFull()) {
page->child->kill();
} else if (page->child->child) {
page->child->child->kill();
}
pageForPointer 獲取 AutoreleasePoolPage
pageForPointer 方法主要是經過內存地址的操做，獲取當前指針所在頁的首地址：
static AutoreleasePoolPage *pageForPointer(const void *p) {
return pageForPointer((uintptr_t)p);
}
static AutoreleasePoolPage *pageForPointer(uintptr_t p) {
AutoreleasePoolPage *result;
uintptr_t offset = p % SIZE;
assert(offset >= sizeof(AutoreleasePoolPage));
result = (AutoreleasePoolPage *)(p - offset);
result->fastcheck();
return result;
}
將指針與頁面的大小，也就是 4096 取模，獲得當前指針的偏移量，由於全部的 AutoreleasePoolPage 在內存中都是對齊的：
p = 0x100816048 p % SIZE = 0x48 result = 0x100816000
而最後調用的方法 fastCheck() 用來檢查當前的 result 是否是一個 AutoreleasePoolPage。
經過檢查
magic_t結構體中的某個成員是否爲0xA1A1A1A1。
releaseUntil 釋放對象
releaseUntil 方法的實現以下：
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_SENTINEL) {
objc_release(obj);
}
}
setHotPage(this);
}
它的實現仍是很容易的，用一個 while 循環持續釋放 AutoreleasePoolPage 中的內容，直到 next 指向了 stop 。
使用 memset 將內存的內容設置成 SCRIBBLE，而後使用 objc_release 釋放對象。
kill() 方法
到這裏，沒有分析的方法就只剩下 kill 了，而它會將當前頁面以及子頁面所有刪除：
void kill() {
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);
}
autorelease 方法
咱們已經對自動釋放池生命週期有一個比較好的瞭解，最後須要瞭解的話題就是 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)
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;
}
因爲在上面已經分析過 autoreleaseFast 方法的實現，這裏就不會多說了。
小結
整個自動釋放池 AutoreleasePool 的實現以及 autorelease 方法都已經分析完了，咱們再來回顧一下文章中的一些內容：
自動釋放池是由
AutoreleasePoolPage以雙向鏈表的方式實現的當對象調用
autorelease方法時，會將對象加入AutoreleasePoolPage的棧中調用
AutoreleasePoolPage::pop方法會向棧中的對象發送release消息
參考資料
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- 1. Autorelease Pool-自動釋放池
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