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[置頂] 關于自動釋放池的講解與介紹

來源：程序員人生發布時間：2016-07-14 14:42:56 閱讀次數：2652次

由于 Objective-C 中的內存管理是1個比較大的話題，所以會分為兩篇文章來對內存管理中的1些機制進行剖析，1部份分析自動釋放池和 autorelease 方法，另外一部份分析 retain、release 方法的實現和自動援用計數。

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，和方法的 autorelease 的具體實現。

從 main 函數開始

main 函數可以說是在全部 iOS 開發中非常不起眼的1個函數，它很好地隱藏在 Supporting Files 文件夾中，卻是全部 iOS 利用的入口。

main.m 文件中的內容是這樣的： int main(int argc, char * argv[]) { @autoreleasepool { return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class])); } }

在這個 @autoreleasepool block 中只包括了1行代碼，這行代碼將所有的事件、消息全部交給了 UIApplication 來處理，但是這不是本文關注的重點。

需要注意的是：全部 iOS 的利用都是包括在1個自動釋放池 block 中的。

@autoreleasepool

@autoreleasepool 究竟是甚么？我們在命令行中使用 clang -rewrite-objc main.m 讓編譯器重新改寫這個文件：

$ clang -rewrite-objc main.m

在生成了1大堆正告以后，當前目錄下多了1個 main.cpp 文件

這里刪除 main 函數中其他無用的代碼。

在這個文件中，有1個非常奇怪的 __AtAutoreleasePool 的結構體，前面的注釋寫到 /* @autoreleasepool */。也就是說 @autoreleasepool {} 被轉換為1個 __AtAutoreleasePool 結構體：

{ __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; }

想要弄清楚這行代碼的意義，我們要在 main.cpp 中查找名為 __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。

這表明，我們的 main 函數在實際工作時實際上是這樣的：

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

@autoreleasepool 只是幫助我們少寫了這兩行代碼而已，讓代碼看起來更美觀，然后要根據上述兩個方法來分析自動釋放池的實現。

AutoreleasePool 是甚么

這1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1小節會依照下面的順序逐漸解析代碼中的內容：

AutoreleasePoolPage 的結構

objc_autoreleasePoolPush 方法

objc_autoreleasePoolPop 方法

AutoreleasePoolPage 的結構

AutoreleasePoolPage 是1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 用于對當前 AutoreleasePoolPage 完全性的校驗
thread 保存了當前頁所在的線程

每個自動釋放池都是由1系列的 AutoreleasePoolPage 組成的，并且每個 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 是以雙向鏈表的情勢連接起來的：

parent 和 child 就是用來構造雙向鏈表的指針。

自動釋放池中的棧

如果我們的1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 用于存儲 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我們快速獲得 0x100816038 ~ 0x100817000 這1范圍的邊界地址。

next 指向了下1個為空的內存地址，如果 next 指向的地址加入1個 object，它就會以下圖所示移動到下1個為空的內存地址中：

關于 hiwat 和 depth 在文章中其實不會進行介紹，由于它們其實不影響全部自動釋放池的實現，也不在關鍵方法的調用棧中。

POOL_SENTINEL（哨兵對象）

到了這里，你可能想要知道 POOL_SENTINEL 究竟是甚么，還有它為何在棧中。

首先回答第1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1個 POOL_SENTINEL push 到自動釋放池的棧頂，并且返回這個 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1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1個 POOL_SENTINEL：

objc_autoreleasePoolPush 方法

了解了 POOL_SENTINEL，我們來重新回顧1下 objc_autoreleasePoolPush 方法：

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

它調用 AutoreleasePoolPage 的類方法 push，也非常簡單：

static inline void *push() { return autoreleaseFast(POOL_SENTINEL); }

在這里會進入1個比較關鍵的方法 autoreleaseFast，并傳入哨兵對象 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3種情況選擇不同的代碼履行：

有 hotPage 并且當前 page 不滿

調用 page->add(obj) 方法將對象添加至 AutoreleasePoolPage 的棧中

有 hotPage 并且當前 page 已滿

調用 autoreleaseFullPage 初始化1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 創建1個 hotPage

調用 page->add(obj) 方法將對象添加至 AutoreleasePoolPage 的棧中

最后的都會調用 page->add(obj) 將對象添加到自動釋放池中。

hotPage 可以理解為當前正在使用的 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1個壓棧的操作，將對象加入 AutoreleasePoolPage 然后移動棧頂的指針。

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 開始遍歷全部雙向鏈表，直到：

查找到1個未滿的 AutoreleasePoolPage
使用構造器傳入 parent 創建1個新的 AutoreleasePoolPage

在查找到1個可使用的 AutoreleasePoolPage 以后，會將該頁面標記成 hotPage，然后調動上面分析過的 page->add 方法添加對象。

autoreleaseNoPage（沒有 hotPage)

如果當前內存中不存在 hotPage，就會調用 autoreleaseNoPage 方法初始化1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。

初始化以后，將當前頁標記為 hotPage，然后會先向這個 page 中添加1個 POOL_SENTINEL 對象，來確保在 pop 調用的時候，不會出現異常。

最后，將 obj 添加到自動釋放池中。

objc_autoreleasePoolPop 方法

一樣，回顧1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1個指針都是可以的，但是在全部工程并沒有發現傳入其他對象的例子。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。

我們1般都會在這個方法中傳入1個哨兵對象 POOL_SENTINEL，以下圖1樣釋放對象：

objc-autorelease-pop-stack (1).png

對 objc_autoreleasePoolPop 行動的測試

在繼續分析這個方法之前做1個小測試，在 objc_autoreleasePoolPop 傳入非哨兵對象，測試1下這個方法的行動。

下面是 main.m 文件中的源代碼：

#import int main(int argc, const char * argv[]) { @autoreleasepool { NSString *s = @"Draveness"; [s stringByAppendingString:@"-Suffix"]; } return 0; }

在代碼的這1行打1個斷點，由于這里會調用 autorelease 方法，將字符串加入自動釋放池：

當代碼運行到這里時，通過 lldb 打印出當前 hotPage 中的棧內容：

通過 static 方法獲得當前 hotPage
打印 AutoreleasePoolPage 中的內容
打印當前 next 指針指向的內容，和之前的內容，⑵時已到了 begin() 位置
使用 print()和 printAll()打印自動釋放池中內容

然后將字符串 @"Draveness-Suffix" 的指針傳入 pop 方法，測試 pop 方法能否傳入非哨兵參數。

再次打印當前 AutoreleasePoolPage 的內容時，字符串已不存在了，這說明向 pop 方法傳入非哨兵參數是可行的，只是我們1般不會傳入非哨兵對象。

讓我們重新回到對 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(); } } }

在這個方法中刪除大量無關的代碼，和對格式進行了調劑。

該靜態方法總共做了3件事情：

使用 pageForPointer 獲得當前 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

我到現在也不是很清楚為何要根據當前頁的不同狀態 kill 掉不同 child 的頁面。

if (page->lessThanHalfFull()) { page->child->kill(); } else if (page->child->child) { page->child->child->kill(); }

pageForPointer 獲得 AutoreleasePoolPage

pageForPointer 方法主要是通過內存地址的操作，獲得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，得到當前指針的偏移量，由于所有的 AutoreleasePoolPage 在內存中都是對齊的：

p = 0x100816048

p % SIZE = 0x48

result = 0x100816000

而最后調用的方法 fastCheck() 用來檢查當前的 result 是否是1個 AutoreleasePoolPage。

通過檢查 magic_t 結構體中的某個成員是不是為 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); }

它的實現還是很容易的，用1個 while 循環延續釋放 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，然后使用 objc_release 釋放對象。

kill() 方法

到這里，沒有分析的方法就只剩下 kill 了，而它會將當前頁面和子頁面全部刪除：

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

我們已對自動釋放池生命周期有1個比較好的了解，最后需要了解的話題就是 autorelease 方法的實現，先來看1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，終究都會調用上面提到的 autoreleaseFast 方法，將當前對象加到 AutoreleasePoolPage 中。

這1小節中這些方法的實現都非常容易，只是進行了1些參數上的檢查，終究還要調用 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; }

由于在上面已分析過 autoreleaseFast 方法的實現，這里就不會多說了。

小結

全部自動釋放池 AutoreleasePool 的實現和 autorelease 方法都已分析完了，我們再來回顧1下文章中的1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

深入了解各第3方的源代碼分析：iOS-Source-Code-Analyze

What is autoreleasepool? - Objective-C

Using Autorelease Pool Blocks

NSAutoreleasePool

黑幕背后的 Autorelease