Autoreleasepool自动释放池-源码

Autoreleasepool相关的内容是在面试中比较容易被问到的。之前呢,谈到Autoreleasepool只能粗浅的了解到自动释放池与内存的管理有关,具体是怎么样来管理和释放对象,并没有深入的学习,本文是笔者在深入学习Autoreleasepool之后的总结和心得,希望对大家有帮助。

main函数

首先我们从main函数开始,main函数是我们应用的入口。

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

可以看出,我们整个iOS应用都是包含在一个自动释放池中。
而且在现在的ARC环境中,自动释放池的用法就是这样子 @autoreleasepool {}

@autoreleasepool

这个@autoreleasepool{}大家都会用,我们的代码直接写在这个大括号内即可。我们代码中的对象是怎样加到自动释放池中的,最后又是怎么样被释放的呢 ?

我们要先知道这个@autoreleasepool到底是什么。

从网上的一些博客中可以学到的,在命令行使用clang -rewrite-objc main.m 让编译器重新改写main函数所在的这个文件。当然了这一步我并没有操作,直接“盗用”了大家的结果。

objc-autorelease-main-cpp

从上图中可以看出,@autoreleasepool被转换为了一个__AtAutoreleasePool结构体。然后通过在main.cpp中查找找到这个结构体的定义。

objc-autorelease-main-cpp-struct

struct __AtAutoreleasePool {
  __AtAutoreleasePool() {atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();}
  ~__AtAutoreleasePool() {objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);}
  void * atautoreleasepoolobj;
};

这个结构体在初始化是调用objc_autoreleasePoolPush(),在析构时调用objc_autoreleasePoolPop()

经过整理,可以把main函数中实际的代码应该是类似这样的。

int main(int argc, const char * argv[]) {
    {
        void * atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();
        
        // do whatever you want
        
        objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);
    }
    return 0;
}

下面就是正式的通过源码来学习Autoreleasepool了

Autoreleasepool源码

上面我们提到了mian函数中的@autoreleasepool其实最终转成了objc_autoreleasePoolPush()objc_autoreleasePoolPop()这两个方法的调用,我们去源码中搜一下这两个函数。

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

有源码可以看出,这两个函数就是对AutoreleasePoolPage类的pish和pop方法的封装,所以我们来着重看AutoreleasePoolPage类。

AutoreleasePoolPage

简化一下代码,先看类的部分属性

class AutoreleasePoolPage {

    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

    magic_t const magic;
    id *next;
    pthread_t const thread;
    AutoreleasePoolPage * const parent;
    AutoreleasePoolPage *child;
    uint32_t const depth;
    uint32_t hiwat;
};

熟悉链表的朋友,看到这个parent和child就差不多能猜出来了,每一个自动释放池其实是一个双向链表,链表的每一个结点就是这个AutoreleasePoolPage,每个AutoreleasePoolPage的大小为4096字节

#define I386_PGBYTES 4096
#define PAGE_SIZE I386_PGBYTES
自动释放池中的栈(转载)

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:

objc-autorelease-page-in-memory

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。

begin()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,如果next指向的地址加入一个 object,它就会如下图所示移动到下一个为空的内存地址中:

objc-autorelease-after-insert-to-page

从图片中我们可以看到在AutoreleasePoolPage的栈中出现了一个POOL_SENTINEL,我们称之为哨兵对象。

#define POOL_SENTINEL nil

其实哨兵对象只是nil的别名,他有啥作用呢 ?

每个自动释放池初始化在调用objc_autoreleasePoolPush的时候,都会把一个POOL_SENTINELpush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[]) {
    {
        void * atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();
        
        // do whatever you want
        
        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:

  1. 根据传入的哨兵对象地址找到哨兵对象所处的page
  2. 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
  3. 补充2: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

因为自动释放池是一个双向链表,而且每一个page的空间有限,所以会存在当前page已满的情况,也就出现了一个自动释放池跨越几个page的情况,所以在release的时候,也要顺着链表全部清理掉。

objc_autoreleasePoolPush
    static inline void *push() 
    {
        id *dest;
        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;
    }

经查阅,DebugPoolAllocation是来区别调试模式的,我们主要看autoreleaseFast这个函数。

    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);
        }
    }

hotPage( )我们可以理解为获取当前的AutoreleasePoolPage,获取到当前page之后又根据page是否已满来区别处理。

  • 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 AutoreleasePoolPage 的栈中
  • 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
    static __attribute__((noinline))
    id *autoreleaseFullPage(id obj, AutoreleasePoolPage *page)
    {
        // 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.
        assert(page == hotPage());
        assert(page->full()  ||  DebugPoolAllocation);

        do {
            if (page->child) page = page->child;
            else page = new AutoreleasePoolPage(page);
        } while (page->full());

        setHotPage(page);
        return page->add(obj);
    }

上面代码中的函数是在page已满的时候调用,从源码中可以看出通过传入的page遍历链表,直到找到一个未满的page,如果遍历到最后一个结点也没有未满的,就新建一个new AutoreleasePoolPage(page);。并且要把找到的满足条件的这个page设置为hotPage。

objc_autoreleasePoolPop

我们看一下pop的源码,里面内容很多,我们精简了一下。

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

    page->releaseUntil(stop);
    
    if (page->child) {
    // 不清楚为什么要用下面这个if分类
        if (page->lessThanHalfFull()) {
            page->child->kill();
        } else if (page->child->child) {
            page->child->child->kill();
        }
    }
}

通过token调用pageForPointer()方法获取到当前的AutoreleasePoolPage,然后调用releaseUntil()释放page中的对象,直到stop,child节点调用kill()方法。

void kill() {
   AutoreleasePoolPage *page = this;
   //通过循环先找到最后一个节点
   while (page->child) page = page->child;

   AutoreleasePoolPage *deathptr;
   //通过do-while循环,依次从后往前置为nil
   do {
       deathptr = page;
       page = page->parent;
       if (page) {
           page->unprotect();
           page->child = nil;
           page->protect();
       }
       delete deathptr;
   } while (deathptr != this);
}

pageForPointer()主要是通过内存地址的操作,获取当前指针所在页的首地址, releaseUntil()也是通过一个循环来释放所有的对象,具体的源码大家可以自己看一下。

Autorelease对象什么时候释放

在没有手动加AutoreleasePool的情况下,Autorelease对象都是在当前的runloop迭代结束时释放的,因为系统在每个runloop迭代中都加入了自动释放池Push和Pop。

这个问题又要跟runloop联系到一起了,等我们研究过runloop的源码,对这个问题应该就有更深刻的认识了。

参考文章

自动释放池的前世今生
黑幕背后的Autorelease

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