探秘AutoreleasePool实现原理

该文章属于刘小壮原创，转载请注明：刘小壮

使用

使用场景

在ARC下，AutoreleasePool主要应用在大量创建临时对象的场景，通过AutoreleasePool控制内存峰值，是一个很好的选择。

NSAutoreleasePool

在MRC可以调用NSAutoreleasePool使对象延迟释放，在ARC下这个API已经被禁用。

NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
// ...
[pool release];

@autoreleasepool

除了NSAutoreleasePool还可以使用@autoreleasepool，并且苹果推荐使用@autoreleasepool，因为这个API性能更好，在ARC下依然可以使用@autoreleasepool。

无论是MRC还是ARC，autorelease最大的作用，是在大量创建对象的同时，通过修饰让内存得到提前释放，从而降低内存峰值。

@autoreleasepool {
    NSMutableArray *channelItemsJSONArray = [NSMutableArray arrayWithContentsOfFile:[self cachedChannelItemsFile]];
    NSArray *items = [self channelItemsJSONArray];
    if (![items writeToFile:[self cachedChannelItemsFile] atomically:YES]) {
        [channelItemsJSONArray writeToFile:[self cachedChannelItemsFile] atomically:YES];
    }
    items = nil;
}

__autoreleasing

在ARC下，需要被自动释放的对象，可以用__autoreleasing修饰，让对象延迟释放。

+ (NSArray *)parseString:(NSString *)originalM3U8Str m3u8Host:(NSString *)m3u8url error:(NSError *__autoreleasing *)errorPtr;

源码分析

__AtAutoreleasePool结构体

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

@autoreleasepool本质上会被系统转换成C++的__AtAutoreleasePool结构体，@autoreleasepool的大括号开始，对应着objc_autoreleasePoolPush函数。大括号结束，对应着objc_autoreleasePoolPop函数。通过clang命令将OC代码转成C++代码，可以看到有一个__AtAutoreleasePool结构体。

__AtAutoreleasePool结构体在创建的时候会执行objc_autoreleasePoolPush函数，在释放的时候会执行析构函数，并执行objc_autoreleasePoolPop函数。在这两个函数内部，会调用AutoreleasePoolPage的push和pop函数。

AutoreleasePoolPage

在运行时代码中，objc_autoreleasePoolPop和objc_autoreleasePoolPush，都调用了AutoreleasePoolPage类的实现。

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

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

在AutoreleasePoolPage的定义中，可以看到有parent和child的定义，当page中对象太多存储不下时，会创建其他的page对象来存储，AutoreleasePoolPage的结构是一个双向链表。在插入新的autorelease对象时，也会从链表头向后查找，直到找到未满的page。

class AutoreleasePoolPage 
{
    magic_t const magic;                // 校验page的结构是否完整
    id *next;                           // 指向下一个可以存放autorelease对象的地址
    pthread_t const thread;             // 当前所在的线程
    AutoreleasePoolPage * const parent; // 当前page的父节点
    AutoreleasePoolPage *child;         // 当前page的子节点
    uint32_t const depth;               // page的深度
    uint32_t hiwat;
}

AutoreleasePoolPage是一个C++的类，每个page占4096个字节，也就是16进制的0x1000，也就是4kb的空间。这些空间中，其自身的成员变量只占56个字节，也就是下面七个成员变量，每个占8字节，总共56个字节。其他的四千多个字节，都用来存放被autorelease修饰的对象内存地址。

POOL_BOUNDARY

POOL_BOUNDARY的作用是，区分不同的自动释放池，也就是不同的@autoreleasepool。调用push时，会传入POOL_BOUNDARY并返回一个地址例如0x1038，0x1038是不存储@autorelease对象的地址的，起到一个标识作用，用来分割不同的@autoreleasepool。

调用pop时，会传入end的地址，并从后到前调用对象的release方法，直到POOL_BOUNDARY为止。如果存在多个page，会从child的page的最末尾开始调用，直到POOL_BOUNDARY。page的结构是一个栈结构，释放的时候也是从栈顶开始释放。

next指针指向栈顶，是栈里面很常见的一个设计。AutoreleasePoolPage和POOL_BOUNDARY的区别在于，AutoreleasePoolPage负责维护存储区域，而POOL_BOUNDARY则负责分割存储在page中的对象地址，以@autoreleasepool为单位进行分割。

多层嵌套

@autoreleasepool {
    NSObject *p1 = [[NSObject alloc] init];
    NSObject *p2 = [[NSObject alloc] init];
    @autoreleasepool {
        NSObject *p3 = [[NSObject alloc] init];
        @autoreleasepool {
            NSObject *p4 = [[NSObject alloc] init];
        }
    }
}

如果是多层@autoreleasepool的嵌套，会用同一个AutoreleasePoolPage对象。以下面的三个嵌套为例，在同一个page中的顺序是下图这样。不同的@autoreleasepool以POOL_BOUNDARY做分割。

push

创建一个autoreleasePool之后，就会调用push函数。在push函数中会判断是否调试模式下，如果调试模式会每次生成一个新的page。debug环境代码可以直接忽略，只保留autoreleaseFast函数。

static inline void *push() 
{
    id *dest;
    if (DebugPoolAllocation) {
        dest = autoreleaseNewPage(POOL_BOUNDARY);
    } else {
        dest = autoreleaseFast(POOL_BOUNDARY);
    }
    return dest;
}

autoreleaseFast

在函数内部，会通过hotPage获取当前的page，hotPage函数内部本质上是一个page和key的映射。

  1. 如果page不为空并且有空间，则调用page的add函数将对象添加到page中，并将POOL_BOUNDARY添加在当前的位置。
  2. 如果page已经被创建但没有空间，会调用autoreleaseFullPage函数创建新的page，并且将链表的末尾指向新创建的page。
  3. 如果没有创建page，则调用autoreleaseNoPage函数创建一个新的page，并且将当前线程的hotPage设置为新创建的page。
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);
    }
}

autoreleaseFullPage

  1. 在autoreleaseFullPage函数中，会从page的链表中，从前往后找到末尾的节点。
  2. 创建一个新的page，在创建函数AutoreleasePoolPage中会处理parent和child指针的问题，返回的page可以直接用。
  3. 调用setHotPage将page设置到哈希表中，并且调用page的add函数将autorelease修饰的对象，添加到page中。
static __attribute__((noinline))
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);
}

autoreleaseNoPage

autoreleaseNoPage函数的核心代码比较简单，就是创建一个新的page，随后设置POOL_BOUNDARY标志，并且把对象添加进去。在函数中需要留意POOL_BOUNDARY标志，很多地方都用来做page是否为空的判断。

static __attribute__((noinline))
id *autoreleaseNoPage(id obj)
{
    AutoreleasePoolPage *page = new AutoreleasePoolPage(nil);
    setHotPage(page);
    
    if (pushExtraBoundary) {
        page->add(POOL_BOUNDARY);
    }
    return page->add(obj);
}

add

add函数比较简单，核心逻辑就是将obj放入next指针的位置，并且对next指针进行++，指向下一个位置。*next++表示先用后加，先将obj存入next的地址，随后+1。

id *add(id obj)
{
    ASSERT(!full());
    unprotect();
    id *ret = next;  
    *next++ = obj;
    protect();
    return ret;
}

pop

调用pop函数时，有三步处理。

  1. 判断autoreleasepool是否为空，通过EMPTY_POOL_PLACEHOLDER占位符判断，为空则清空这个page。
  2. 传入的stop是否不等于POOL_BOUNDARY标识，如果不等于则可能是一个有问题的page。
  3. 调用popPage方法，释放对象。
static inline void
pop(void *token)
{
    AutoreleasePoolPage *page;
    id *stop;
    // 1.
    if (token == (void*)EMPTY_POOL_PLACEHOLDER) {
        page = hotPage();
        if (!page) {
            return setHotPage(nil);
        }
        page = coldPage();
        token = page->begin();
    } else {
        page = pageForPointer(token);
    }
    
    // 2.
    stop = (id *)token;
    if (*stop != POOL_BOUNDARY) {
        if (stop == page->begin()  &&  !page->parent) {
        } else {
            return badPop(token);
        }
    }
    
    // 3.
    return popPage<false>(token, page, stop);
}

popPage

  1. popPage函数核心代码就是调用releaseUntil函数，在最开始会调用releaseUntil函数去完成释放操作。
  2. 按照page达到一半就扩容的原则，后面的if语句会判断执行pop后page链表的状态。
    1. 如果少于半满，就将子节点删除。
    2. 如果大于半满，则保留子节点，并删除后面的节点。
static void
popPage(void *token, AutoreleasePoolPage *page, id *stop)
{
    page->releaseUntil(stop);

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

releaseUntil

在releaseUntil函数内部，核心逻辑是从当前page，从后到前调用objc_release，释放被autorelease修饰的对象。

  1. 获取当前的hotPage。
  2. 判断page是否为空，如果为空则表示里面的对象被释放完，则将page的父节点page设置为hotPage。
  3. 获得上一个节点，->的算数优先级比--要高，所以是先通过next获取当前节点地址，这是一个为空的待存入节点，随后执行--操作获取上一个对象地址。
  4. 通过memset将上一个节点释放。
  5. 判断上一个节点是否占位符号POOL_BOUNDARY，如果不是则调用objc_release释放对象。
  6. 在while循环结束后，将当前page设置为hotPage。
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);
}

autorelease

对象调用autorelease方法会被编译器转换为objc_autoreleaseReturnValue方法，并且经过多层调用，会来到底层的autorelease函数。

在这个函数中会判断传入的对象是否tagged pointer，因为tagged pointer没有引用计数的概念。随后会调用autoreleaseFast函数，函数内部调用add函数将obj对象加入到page中，并且会判断是否需要创建新的page。

static inline id autorelease(id obj)
{
    assert(!obj->isTaggedPointer());
    id *dest __unused = autoreleaseFast(obj);
    return obj;
}

hotPage、coldPage

hotPage

hotPage可以被理解为，page链表的末尾，也就是调用push函数被插入的位置。执行hotPage函数获取，以及调用setHotPage设置，都是操作的链表的末尾page。

AutoreleasePoolPage对象和线程一一对应，并且都被存储在tls的哈希表中。通过tls_get_direct函数并传入key可以获取到对应的自动释放池。

static inline AutoreleasePoolPage *hotPage() 
{
    AutoreleasePoolPage *result = (AutoreleasePoolPage *)
        tls_get_direct(key);
    if ((id *)result == EMPTY_POOL_PLACEHOLDER) return nil;
    if (result) result->fastcheck();
    return result;
}

hotPage函数中的判断是下面的定义，这个标示意思是当前page为空，也就是从未存储过任何对象。是一个标志位，下面是标志位的定义。

# define EMPTY_POOL_PLACEHOLDER ((id*)1)

coldPage

coldPage只有获取函数，没有设置函数。这是因为coldPage函数本质上，就是寻找page链表的根节点，从源码中的while循环可以看到。

static inline AutoreleasePoolPage *coldPage() 
{
    AutoreleasePoolPage *result = hotPage();
    if (result) {
        while (result->parent) {
            result = result->parent;
            result->fastcheck();
        }
    }
    return result;
}

调试

_objc_autoreleasePoolPrint

如果想调试自动释放池，可以通过_objc_autoreleasePoolPrint私有API来进行。将项目改为MRC，并且在命令行项目中增加下面这些调试代码。

int main(int argc, const char * argv[]) {
    _objc_autoreleasePoolPrint();     // print1
    @autoreleasepool {
        _objc_autoreleasePoolPrint(); // print2
        Person *p1 = [[[Person alloc] init] autorelease];
        Person *p2 = [[[Person alloc] init] autorelease];
        _objc_autoreleasePoolPrint(); // print3
    }
    _objc_autoreleasePoolPrint();     // print4
    return 0;
}

打印结果如下，可以看到POOL_BOUNDARY在page中也占了一个位置。

objc[68122]: ############## (print1)
objc[68122]: AUTORELEASE POOLS for thread 0x1000aa5c0
objc[68122]: 0 releases pending. // 当前自动释放池中没有任何对象
objc[68122]: [0x102802000]  ................  PAGE  (hot) (cold)
objc[68122]: ##############

objc[68122]: ############## (print2)
objc[68122]: AUTORELEASE POOLS for thread 0x1000aa5c0
objc[68122]: 1 releases pending. // 当前自动释放池中有1个对象，这个对象为POOL_BOUNDARY
objc[68122]: [0x102802000]  ................  PAGE  (hot) (cold)
objc[68122]: [0x102802038]  ################  POOL 0x102802038  //POOL_BOUNDARY
objc[68122]: ##############

objc[68122]: ############## (print3)
objc[68122]: AUTORELEASE POOLS for thread 0x1000aa5c0
objc[68122]: 3 releases pending. // 当前自动释放池中有3个对象
objc[68122]: [0x102802000]  ................  PAGE  (hot) (cold)
objc[68122]: [0x102802038]  ################  POOL 0x102802038  //POOL_BOUNDARY
objc[68122]: [0x102802040]       0x100704a10  HTPerson          //p1
objc[68122]: [0x102802048]       0x10075cc30  HTPerson          //p2
objc[68122]: ##############

objc[68156]: ############## (print4)
objc[68156]: AUTORELEASE POOLS for thread 0x1000aa5c0
objc[68156]: 0 releases pending. // 当前自动释放池中没有任何对象，因为@autoreleasepool作用域结束，调用pop方法释放了对象
objc[68156]: [0x100810000]  ................  PAGE  (hot) (cold)
objc[68156]: ##############

UIApplicationMain

项目中经常会看到下面的代码，很多人的解释是“这个autoreleasepool是为了释放主线程的autorelease对象的”。但是，这个说法是错误的。autoreleasepool只负责自己作用域中添加的对象，而主线程在运行过程中，也会隐式创建autoreleasepool对象，这个pool是包含在main函数的pool里面的。

所以，主线程runloop每次执行循环后，释放的对象是主线程的。而main函数的autoreleasepool释放的，是main函数中直接创建的对象。

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

释放时机

区分

如果是在viewDidLoad方法中创建一个autorelease对象，并不是在这个方法结束后释放对象，这个说法是错误的。即便执行到viewDidAppear，依然不会释放对象。

被autorelease修饰的对象，释放时机有两种。

  1. 如果通过代码添加一个autoreleasepool，在作用域结束时，随着pool的释放，就会释放pool中的对象。这种情况是及时释放的，并不依赖于runloop。
  2. 另一种就是由系统自动进行释放，系统会在runloop开始的时候创建一个pool，结束的时候会对pool中的对象执行release操作。

runloop

如果是系统创建的pool，需要手动开启runloop，主线程默认已经开启并运行，子线程需要调用currentRunLoop方法开启并运行runloop，子线程中系统创建pool的流程才会正常工作。

包括主线程在内的每个线程，如果在线程中使用到了AutoreleasePool，则会创建两个Observer并添加到当前线程的Runloop中，通过这两个Observer进行对象的自动内存管理。

// activities = 0x1，kCFRunLoopEntry
<CFRunLoopObserver 0x60000012f000 [0x1135c2bb0]>{valid = Yes, activities = 0x1, repeats = Yes, order = -2147483647, callout = _wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler (0x10eee6276)}
// activities = 0xa0，kCFRunLoopBeforeWaiting | kCFRunLoopExit
<CFRunLoopObserver 0x60000012ef60 [0x1135c2bb0]>{valid = Yes, activities = 0xa0, repeats = Yes, order = 2147483647, callout = _wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler (0x10eee6276)}

首先会创建一个Observer并监听kCFRunLoopEntry消息，时机是在进入Runloop前，此Observer的优先级设置为-2147483647的最高优先级，以保证回调发生在Runloop其他事件前。

然后创建另一个Observer，并监听kCFRunLoopBeforeWaiting和kCFRunLoopExit消息，时机分别在进入Runloop休眠和退出Runloop时，将Observer的优先级设置为2147483647，以保证回调发生在Runloop其他事件之后。

两个Observer都有相同的回调函数_wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler，在第一次回调时会在内部调用_objc_autoreleasePoolPush函数，创建自动释放池。

在kCFRunLoopBeforeWaiting将要进入休眠前，调用_objc_autoreleasePoolPop函数释放自动释放池中的对象，并调用_objc_autoreleasePoolPush函数创建一个新的释放池。在kCFRunLoopExit将要退出Runloop时调用_objc_autoreleasePoolPop函数，释放自动释放池中的对象。

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