autoreleasepool原理分析

@autoreleasepool {
    // Code benefitting from a local autorelease pool.
}

1、原理分析

1.1、__AtAutoreleasePool

下面我们先通过macOS工程来分析@autoreleasepool的底层原理。 macOS工程中的main()函数什么都没做，只是放了一个@autoreleasepool。

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {}
    return 0;
}

通过 Clang clang -rewrite-objc main.m 将以上代码转换为 C++ 代码。

struct __AtAutoreleasePool {
    __AtAutoreleasePool() { // 构造函数，在创建结构体的时候调用
        atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();
    }
    ~__AtAutoreleasePool() { // 析构函数，在结构体销毁的时候调用
        objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);
    }
    void * atautoreleasepoolobj;
};

int main(int argc, const char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ 
    { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool;  }
    return 0;
}

可以看到：

• @autoreleasepool底层是创建了一个__AtAutoreleasePool结构体对象；

• 在创建__AtAutoreleasePool结构体时会在构造函数中调用objc_autoreleasePoolPush()函数，并返回一个atautoreleasepoolobj(POOL_BOUNDARY存放的内存地址，下面会讲到)；

• 在释放__AtAutoreleasePool结构体时会在析构函数中调用objc_autoreleasePoolPop()函数，并将atautoreleasepoolobj传入。

1.2、AutoreleasePoolPage

下面我们进入Runtime objc4源码查看以上提到的两个函数的实现。

// NSObject.mm
void * objc_autoreleasePoolPush(void)
{
    return AutoreleasePoolPage::push();
}

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

可以得知，
objc_autoreleasePoolPush()和objc_autoreleasePoolPop()两个函数其实是调用了AutoreleasePoolPage类的两个类方法push()和pop()。所以@autoreleasepool底层就是使用AutoreleasePoolPage类来实现的。

自动释放池的数据结构

• 自动释放池的主要数据结构是：__AtAutoreleasePool、AutoreleasePoolPage；
• 调用了 autorelease的对象最终都是通过 AutoreleasePoolPage对象来管理的；

下面我们来看一下AutoreleasePoolPage类的定义：

class AutoreleasePoolPage 
{
#   define EMPTY_POOL_PLACEHOLDER ((id*)1)  // EMPTY_POOL_PLACEHOLDER：表示一个空自动释放池的占位符
#   define POOL_BOUNDARY nil                // POOL_BOUNDARY：哨兵对象
    static pthread_key_t const key = AUTORELEASE_POOL_KEY;
    static uint8_t const SCRIBBLE = 0xA3;   // 用来标记已释放的对象
    static size_t const SIZE =              // 每个 Page 对象占用 4096 个字节内存
#if PROTECT_AUTORELEASEPOOL                 // PAGE_MAX_SIZE = 4096
        PAGE_MAX_SIZE;  // must be muliple of vm page size
#else
        PAGE_MAX_SIZE;  // size and alignment, power of 2
#endif
    static size_t const COUNT = SIZE / sizeof(id);  // Page 的个数

    magic_t const magic;                // 用来校验 Page 的结构是否完整
    id *next;                           // 指向下一个可存放 autorelease 对象地址的位置，初始化指向 begin()
    pthread_t const thread;             // 指向当前线程
    AutoreleasePoolPage * const parent; // 指向父结点，首结点的 parent 为 nil
    AutoreleasePoolPage *child;         // 指向子结点，尾结点的 child  为 nil
    uint32_t const depth;               // Page 的深度，从 0 开始递增
    uint32_t hiwat;
    ......
}

整个程序运行过程中，可能会有多个AutoreleasePoolPage对象。从它的定义可以得知：

• 自动释放池（即所有的AutoreleasePoolPage对象）是以栈为结点通过双向链表的形式组合而成；

• 自动释放池与线程一一对应；

• 每个AutoreleasePoolPage对象占用4096字节内存，其中56个字节用来存放它内部的成员变量，剩下的空间（4040个字节）用来存放autorelease对象的地址。

其内存分布图如下：

图片.png

1.2.1、POOL_BOUNDARY

在分析这些方法之前，先介绍一下POOL_BOUNDARY。

• POOL_BOUNDARY的前世叫做POOL_SENTINEL，称为哨兵对象或者边界对象；
• POOL_BOUNDARY用来区分不同的自动释放池，以解决自动释放池嵌套的问题；
• 每当创建一个自动释放池，就会调用push()方法将一个POOL_BOUNDARY入栈，并返回其存放的内存地址；
• 当往自动释放池中添加autorelease对象时，将autorelease对象的内存地址入栈，它们前面至少有一个POOL_BOUNDARY；
• 当销毁一个自动释放池时，会调用pop()方法并传入一个POOL_BOUNDARY，会从自动释放池中最后一个对象开始，依次给它们发送release消息，直到遇到这个POOL_BOUNDARY。

1.2.2、push

    static inline void *push() 
    {
        id *dest;
        if (DebugPoolAllocation) { // 出错时进入调试状态
            // Each autorelease pool starts on a new pool page.
            dest = autoreleaseNewPage(POOL_BOUNDARY);
        } else {
            dest = autoreleaseFast(POOL_BOUNDARY);  // 传入 POOL_BOUNDARY 哨兵对象
        }
        assert(dest == EMPTY_POOL_PLACEHOLDER || *dest == POOL_BOUNDARY);
        return dest;
    }

当创建一个自动释放池时，会调用push()方法。push()方法中调用了autoreleaseFast()方法并传入了POOL_BOUNDARY哨兵对象。
下面我们来看一下autoreleaseFast()方法的实现：

    static inline id *autoreleaseFast(id obj)
    {
        AutoreleasePoolPage *page = hotPage();     // 双向链表中的最后一个 Page
        if (page && !page->full()) {        // 如果当前 Page 存在且未满
            return page->add(obj);                 // 将 autorelease 对象入栈，即添加到当前 Page 中；
        } else if (page) {                  // 如果当前 Page 存在但已满
            return autoreleaseFullPage(obj, page); // 创建一个新的 Page，并将 autorelease 对象添加进去
        } else {                            // 如果当前 Page 不存在，即还没创建过 Page
            return autoreleaseNoPage(obj);         // 创建第一个 Page，并将 autorelease 对象添加进去
        }
    }

autoreleaseFast()中先是调用了hotPage()方法获得未满的Page，从AutoreleasePoolPage类的定义可知，每个Page的内存大小为 4096个字节，每当Page满了的时候，就会创建一个新的Page。hotPage()方法就是用来获得这个新创建的未满的Page。
autoreleaseFast()在执行过程中有三种情况：

• ① 当前Page存在且未满时，通过page->add(obj)将autorelease对象入栈，即添加到当前Page中；
  ② 当前Page存在但已满时，通过autoreleaseFullPage(obj, page)创建一个新的Page，并将autorelease对象添加进去；
  ③ 当前Page不存在，即还没创建过Page，通过autoreleaseNoPage(obj)创建第一个Page，并将autorelease对象添加进去。

1.2.3、pop

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

        if (token == (void*)EMPTY_POOL_PLACEHOLDER) {
            // Popping the top-level placeholder pool.
            if (hotPage()) {
                // Pool was used. Pop its contents normally.
                // Pool pages remain allocated for re-use as usual.
                pop(coldPage()->begin());
            } else {
                // Pool was never used. Clear the placeholder.
                setHotPage(nil);
            }
            return;
        }

        page = pageForPointer(token);
        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 (PrintPoolHiwat) printHiwat();

        page->releaseUntil(stop);

        // memory: delete empty children
        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();
            }
        }
    }

pop()方法的传参token即为POOL_BOUNDARY对应在Page中的地址。当销毁自动释放池时，会调用pop()方法将自动释放池中的autorelease对象全部释放（实际上是从自动释放池的中的最后一个入栈的autorelease对象开始，依次给它们发送一条release消息，直到遇到这个POOL_BOUNDARY）。pop()方法的执行过程如下：

• ① 判断token是不是EMPTY_POOL_PLACEHOLDER，是的话就清空这个自动释放池；
• ② 如果不是的话，就通过pageForPointer(token)拿到token所在的Page（自动释放池的首个Page）；
• ③ 通过page->releaseUntil(stop)将自动释放池中的autorelease对象全部释放，传参stop即为POOL_BOUNDARY的地址；
• ④ 判断当前Page是否有子Page，有的话就销毁。

1.2.4、begin、end、empty、full

下面再来看一下begin、end、empty、full这些方法的实现。

• begin的地址为：Page自己的地址+Page对象的大小56个字节；
• end的地址为：Page自己的地址+4096个字节；
• empty判断Page是否为空的条件是next地址是不是等于begin；
• full判断Page是否已满的条件是next地址是不是等于end（栈顶）。

    id * begin() {
        return (id *) ((uint8_t *)this+sizeof(*this));
    }

    id * end() {
        return (id *) ((uint8_t *)this+SIZE);
    }

    bool empty() {
        return next == begin();
    }

    bool full() { 
        return next == end();
    }

2、查看自动释放池的情况

可以通过以下私有函数来查看自动释放池的情况：

extern void _objc_autoreleasePoolPrint(void);

3、iOS 工程示例分析

在iOS工程中，方法里的autorelease对象是什么时候释放的呢？

有系统干预释放和手动干预释放两种情况。

• 系统干预释放是不指定@autoreleasepool，所有autorelease对象都由主线程的RunLoop创建的@autoreleasepool来管理。
• 手动干预释放就是将autorelease对象添加进我们手动创建的@autoreleasepool中。

下面还是在MRC环境下进行分析。

3.1、系统干预释放

我们先来看以下 Xcode 11 版本的iOS程序中的main()函数，和旧版本的差异。

// Xcode 11
int main(int argc, char * argv[]) {
    NSString * appDelegateClassName;
    @autoreleasepool {
        // Setup code that might create autoreleased objects goes here.
        appDelegateClassName = NSStringFromClass([AppDelegate class]);
    }
    return UIApplicationMain(argc, argv, nil, appDelegateClassName);
}

// Xcode 旧版本
int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));
    }
}

新版本 Xcode 11 中的 main 函数发生了哪些变化？
旧版本是将整个应用程序运行放在@autoreleasepool内，由于RunLoop的存在，要return即程序结束后@autoreleasepool作用域才会结束，这意味着程序结束后main函数中的@autoreleasepool中的autorelease对象才会释放。
而在 Xcode 11中，触发主线程RunLoop的UIApplicationMain函数放在了@autoreleasepool外面，这可以保证@autoreleasepool中的autorelease对象在程序启动后立即释放。正如新版本的@autoreleasepool中的注释所写 “Setup code that might create autoreleased objects goes here.”（如上代码），可以将autorelease对象放在此处。

接着我们来看 “系统干预释放” 情况的示例：

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];    
    Person *person = [[[Person alloc] init] autorelease];    
    NSLog(@"%s", __func__);
}

- (void)viewWillAppear:(BOOL)animated
{
    [super viewWillAppear:animated];    
    NSLog(@"%s", __func__);
}

- (void)viewDidAppear:(BOOL)animated
{
    [super viewDidAppear:animated];    
    NSLog(@"%s", __func__);
}

// -[ViewController viewDidLoad]
// -[ViewController viewWillAppear:]
// -[Person dealloc]
// -[ViewController viewDidAppear:]

可以看到，调用了autorelease方法的person对象不是在viewDidLoad方法结束后释放，而是在viewWillAppear方法结束后释放，说明在viewWillAppear方法结束的时候，调用了pop()方法释放了person对象。
其实这是由RunLoop控制的，下面来讲解一下RunLoop和@autoreleasepool的关系。

3.2、RunLoop 与 @autoreleasepool

iOS在主线程的RunLoop中注册了两个Observer。

第1个Observer

• 监听了kCFRunLoopEntry事件，会调用objc_autoreleasePoolPush()；

第2个Observer

• ① 监听了kCFRunLoopBeforeWaiting事件，会调用objc_autoreleasePoolPop()、objc_autoreleasePoolPush()；
• ② 监听了kCFRunLoopBeforeExit事件，会调用objc_autoreleasePoolPop()。

图片.png

所以，在iOS工程中系统干预释放的autorelease对象的释放时机是由RunLoop控制的，会在当前RunLoop每次循环结束时释放。以上person对象在viewWillAppear方法结束后释放，说明viewDidLoad和viewWillAppear方法在同一次循环里。

• kCFRunLoopEntry：在即将进入RunLoop时，会自动创建一个__AtAutoreleasePool结构体对象，并调用objc_autoreleasePoolPush()函数。
  -kCFRunLoopBeforeWaiting：在RunLoop即将休眠时，会自动销毁一个__AtAutoreleasePool对象，调用objc_autoreleasePoolPop()。然后创建一个新的__AtAutoreleasePool对象，并调用objc_autoreleasePoolPush()。
• kCFRunLoopBeforeExit，在即将退出RunLoop时，会自动销毁最后一个创建的__AtAutoreleasePool对象，并调用objc_autoreleasePoolPop()。

3.3、手动干预释放

我们再来看一下手动干预释放的情况。

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];    
    @autoreleasepool {
        Person *person = [[[Person alloc] init] autorelease];  
    }  
    NSLog(@"%s", __func__);
}

- (void)viewWillAppear:(BOOL)animated
{
    [super viewWillAppear:animated];    
    NSLog(@"%s", __func__);
}

- (void)viewDidAppear:(BOOL)animated
{
    [super viewDidAppear:animated];    
    NSLog(@"%s", __func__);
}

// -[Person dealloc]
// -[ViewController viewDidLoad]
// -[ViewController viewWillAppear:]
// -[ViewController viewDidAppear:]

可以看到，添加进手动指定的@autoreleasepool中的autorelease对象，在@autoreleasepool大括号结束时就会释放，不受RunLoop控制。