iOS autoreleasePool原理总结

目录

1. autorelease的本质
2. autoreleasepool的源码解析
3. autoreleasePoolPage的结构
4. autoreleasePool的结构和工作原理
5.autoreleasepool的嵌套
6. autorelaeasepool、NSRunLoop 、子线程三者的关系

1.autorelease的本质
  • autorelease本质就是延迟调用release方法
    MRC环境下，通过[obj autorelease]来延迟内存的释放
    ARC环境下，是不能手动调用，系统会自动给对象添加autorelease
2.autoreleasepool的源码解析

进入工程main.m文件中

int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        ///ARC下会自动加入 autorelease方法
        NSObject * obj = [[NSObject alloc] init];
        ///MRC写法
        // NSObject * obj = [[[NSObject alloc] init] autorelease];
    }
}

进入终端,cd到main.m文件目录下，运行以下命令，将文件转换为main.cpp文件查看底层调用方法：
xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main.cpp
在生成的main.cpp文件中我们可发现main函数被转化成下面C代码：

int main(int argc, char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; ///调用了objc_autoreleasePoolPush
        NSObject * obj = ((NSObject *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((NSObject *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("NSObject"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init"));
    }
}

查看__AtAutoreleasePool发现是一个C的结构体

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

这里面主要包含了两个方法:
1.__AtAutoreleasePool() { atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush(); }:构造函数，在创建结构体时调用
2.~__AtAutoreleasePool() { objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj); }:析构函数，在销毁结构体时调用

  • 为了方便，将代码转换为以下伪代码：
int main (int argc, char * argv[]) {
// push 
void *poolToken = objc_autoreleasePoolPush();
  这中间为写在{...}中的代码
// pop 将{...}中的对象都执行一次 release操作  
objc_autoreleasePoolPop(哨兵对象地址);//哨兵对象后面会讲到
}

-上面提到objc_autoreleasePoolPush()和 objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj)两个方法，看看源码实现(只保留重要部分)：

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

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

由此发现autoreleasePool是依赖AutoreleasePoolPage实现的，具体里面实现后面再说，先来看看AutoreleasePoolPage的结构。

3.autoreleasePoolPage的结构

以下为AutoreleasePoolPage结构的主要部分

class AutoreleasePoolPage 
{
    PAGE_MAX_SIZE；//最大size 4096字节
    magic_t const magic; //用来校验AutoreleasePoolPage的结构是否完整
    id *next;//指向下一个即将产生的autoreleased对象的存放位置（当next == begin()时，表示AutoreleasePoolPage为空；当next == end()时，表示AutoreleasePoolPage已满
    pthread_t const thread;//指向当前线程，一个AutoreleasePoolPage只会对应一个线程，但一个线程可以对应多个AutoreleasePoolPage；
    AutoreleasePoolPage * const parent;//指向父结点，第一个结点的 parent 值为 nil；
    AutoreleasePoolPage *child;//指向子结点，最后一个结点的 child 值为 nil；
    uint32_t const depth;//代表深度，第一个page的depth为0，往后每递增一个page，depth会加1；
}

如下图：


AutoreleasePoolPage结构图.png
  • 1.AutoreleasePoolPage 本质是这么一个节点对象，大小是4096字（PAGE_MAX_SIZE：4096）。
  • 2.前7个变量都是8字节，剩下的4040字节存储着autorelease对象地址
    1. push的调用分析
void *
objc_autoreleasePoolPush(void)
{
    return AutoreleasePoolPage::push();
}

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

static inline id *autoreleaseFast(id obj)
{
   //hotPage()表示当前页的 AutoreleasePoolPage 节点
    AutoreleasePoolPage *page = hotPage(); 
    if (page && !page->full()) {
     // 当前 page 存在且没有满时，直接将对象添加到当前 page 中，即 next 指向的位置
        return page->add(obj); 
    } else if (page) { 
       // 当前 page 存在且已满时，创建一个新的 page ，并将对象添加到新创建的 page 中
        return autoreleaseFullPage(obj, page); 
    } else {
        // 当前 page 不存在时，即还没有 page 时，创建第一个 page ，并将对象添加到新创建的 page 中
        return autoreleaseNoPage(obj); 
    }
}
[obj autorelease], 给对象添加 autorelease 方法, 其实内部就是直接调用了 autoreleaseFast
4.autoreleasePool的结构和工作原理

  • autoreleasepool本质上就是一个指针堆栈,内部结构是由若干个以AutoreleasePoolPage对象为结点的双向链表组成，系统会在需要的时候动态地增加或删除page节点，如下图即为AutoreleasePoolPage组成的双向链表：


    截屏2021-03-05 下午4.39.46.png
  • 参考上图，整个流程大概如下：

1.在运行循环开始前，系统会自动创建一个autoreleasepool(一个autoreleasepool会存在多个AutoreleasePoolPage)，此时会调用一次objc_autoreleasePoolPush函数，runtime会向当前的AutoreleasePoolPage中add进一个POOL_BOUNDARY（哨兵对象），代表autoreleasepool的起始边界地址），并返回此哨兵对象的内存地址。

2.这时候next指针则会指向POOL_BOUNDARY（哨兵对象）后面的地址（对象地址1）。

3.后面我们创建对象，如果对象调用了autorelease方法（ARC编译器会给对象自动插入autorelease），则会被添加进AutoreleasePoolPage中，位置是在next指针指向的位置，如上面next指向的是对象地址1，这是后添加的对象地址就在对象地址1这里，然后next就会 指向到对象地址2 ，以此类推，每添加一个地址就会向前移动一次，直到指向end()表示已存满。

4.当不断的创建对象时，AutoreleasePoolPage不断存储对象地址，直到存满后，则又会创建一个新的AutoreleasePoolPage，使用child指针和parent指针指向下一个和上一个page，从而形成一个双向链表，对象地址存储的顺序如图所示。

5.当调用objc_autoreleasePoolPop(哨兵对象地址)时（调用时机后面说），假设我们如上图，添加最后一个对象地址8，那么这时候就会依次由对象地址8 -> 对象地址1，每个对象都会调用release方法释放，直到遇到哨兵对象地址为止。

5.autoreleasepool的嵌套

当多个autoreleasepool嵌套，对象的释放，会是什么情况呢？
每次新建一个@ autoreleasepool,就会执行一次push操作，对应的具体实现就是往AutoreleasePoolPage中的next位置插入一个POOL_BOUNDARY（哨兵对象）。
如下：

@autoreleasepool   {//autoreleasepool1
       NSObject * obj1 = [[NSObject alloc] init];
   
    @autoreleasepool  {//autoreleasepool2
        NSObject * obj2 = [[NSObject alloc] init];
        NSObject * obj3 = [[NSObject alloc] init];
    }
}
autoreleasepool的嵌套.png

释放流程：
1.当autoreleasepool1创建时，会添加哨兵对象1，接着obj1的创建，则把obj1地址添加进来。

  1. 当autoreleasepool2创建，会添加哨兵对象2，位置是obj1后面（上面next指针指向原理），然后依次把obj2和obj3加进来。

3.当autoreleasepool2结束时，obj3，obj2，会找到离它们最近的autoreleasepool即
autoreleasepool2，然后依次调用release，直到哨兵对象2位置。

4.当autoreleasepool1结束时，当obj1调用release，直到哨兵对象1位置，

6. autorelaeasepool、NSRunLoop 、子线程三者的关系

1.主线程默认为我们开启 Runloop，Runloop 会自动帮我们创建Autoreleasepool，并进行Push、Pop 等操作来进行内存管理。

2.子线程默认不开启runloop,当产生autorelease对象时候，会将对象添加到最近一次创建的autoreleasepool中，一般是main函数中的autoreleasepool，由主线程runloop管理；也就是不用手动创建Autoreleasepool，线程销毁时在会在最近一次创建的autoreleasepool 中释放对象。

3.自定义的 NSOperation 和 NSThread 需要手动创建自动释放池。比如： 自定义的 NSOperation 类中的 main 方法里就必须添加自动释放池。否则出了作用域后，自动释放对象会因为没有自动释放池去处理它，而造成内存泄露。
但对于 blockOperation 和 invocationOperation 这种默认的Operation ，系统已经帮我们封装好了，不需要手动创建自动释放池。

4.AutoreleasePool是按线程一一对应的(结构中的thread指针指向当前线程）,每开一个线程，会有与之对应的AutoreleasePool。

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