浅谈AutoreleasePool底层是如何实现的?
前一段时间总被问起
AutoreleasePool
相关问题, 今天呢自己总结一下, 把之前调研的关于AutoreleasePool
的知识沉淀一下, 如有写的不对的地方大家能够帮忙指出,后续还会更新。
一、基本概念
ARC下的产物,为了替代人工管理内存,大大的简化了iOS开发人员的内存管理工作;实质上是使用编译器替代人工在适当的位置插入release、autorelease
等内存释放操作;
二、底层结构
ARC时代下iOS程序员最常见的是main.m
函数里的@autorelease{}
,这句话的含义
a. 查看@autorelease{}的C++实现
使用clang的rewrite-objc命令将main.m
转换为main.cpp
文件,可以到看其转换为C++
的实现时的内容,从main.cpp
中列出了比较重要几个地方:
1)@autoreleasepool
实质上是一个__AtAutoreleasePool
的结构体对象;
下面是main
函数的C++
实现,声明了一个__AtAutoreleasePool
对象,然后调用应用程序入口函数;
int main(int argc, char * argv[]) {
/* @autoreleasepool */ {
__AtAutoreleasePool __autoreleasepool;
return UIApplicationMain(argc, argv, __null, NSStringFromClass(((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("AppDelegate"), sel_registerName("class"))));
}
}
__AtAutoreleasePool
的结构如下所示:
extern "C" __declspec(dllimport) void * objc_autoreleasePoolPush(void);
extern "C" __declspec(dllimport) void objc_autoreleasePoolPop(void *);
struct __AtAutoreleasePool {
__AtAutoreleasePool() {atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();}
~__AtAutoreleasePool() {objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);}
void * atautoreleasepoolobj;
};
可以看出来,当申明了一个对象__autoreleasepool
,相当于调用了objc_autoreleasePoolPush()
函数,该函数的作用即向堆栈内压入一个“自动释放池”;而当int main()函数执行完毕后,执行__autoreleasepool
的析构函数objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj)
,用于释放“自动释放池”;所以main()函数里可以大致这样理解:
int main(int argc, char * argv[]) {
/* @autoreleasepool */ {
//创建自动释放池
__AtAutoreleasePool __autoreleasepool = objc_autoreleasePoolPush();
//TODO 执行各种操作,将对象加入自动释放池
//释放自动释放池
objc_autoreleasePoolPop(__autoreleasepool)
}
}
b. AutoreleasePool的本质
已经有人在苹果的官方源码里找到了关于AutoreleasePool
的底层实现NSObject.mm里,源码地址:https://opensource.apple.com/source/objc4/objc4-532/runtime/NSObject.mm.auto.html
objc_autoreleasePoolPush()
和objc_autoreleasePoolPop(__autoreleasepool)
的实现如下:
void* objc_autoreleasePoolPush(void)
{
if (UseGC) return NULL; //如果使用垃圾回收机制
return AutoreleasePoolPage::push();
}
void objc_autoreleasePoolPop(void *ctxt)
{
if (UseGC) return;
// fixme rdar://9167170
if (!ctxt) return;
AutoreleasePoolPage::pop(ctxt);
}
从上面可以发现,C++
类AutoreleasePoolPage
才是实际的实现所在,找到AutoreleasePoolPage:
class AutoreleasePoolPage
{
#define POOL_SENTINEL 0
static size_t const SIZE =
#if PROTECT_AUTORELEASEPOOL
4096; // must be multiple of vm page size
#else
4096; // size and alignment, power of 2
#endif
magic_t const magic; //用于数据校验
id *next; //栈顶地址
pthread_t const thread; //所在的线程
AutoreleasePoolPage * const parent; //父对象
AutoreleasePoolPage *child; //子对象
uint32_t const depth; //page的序号?
uint32_t hiwat;
...
}
去除了一些不重要的代码,可以看出这是一个典型的双向列表结构,每个Page大小为4096 Byte
,所以AutoreleasePool
实质上是一个双向AutoreleasePoolPage
列表;接下来分析一下自动释放池的工作过程:
创建自动释放池
void* objc_autoreleasePoolPush()
内部实际调用的是AutoreleasePoolPage::push()
函数,其实现如下:
static inline void *push()
{
if (!hotPage()) {
setHotPage(new AutoreleasePoolPage(NULL));
}
id *dest = autoreleaseFast(POOL_SENTINEL);
assert(*dest == POOL_SENTINEL);
return dest;
}
hotPage()
是找出当前的正在使用的page
,第一次调用时hotPage为NULL
,所以新建一个parent=NULL
的AutoreleasePoolPage
对象作为自动释放池加入栈中,并将其设置为hotPage
,然后返回POOL_SENTINEL
的地址赋值给main()
函数里的变量 __autoreleasepool;
然后将一个哨兵对象POOL_SENTINEL
压入栈顶,即调用autoreleaseFast(POOL_SENTINEL)
static inline id *autoreleaseFast(id obj)
{
AutoreleasePoolPage *page = hotPage();
if (page && !page->full()) {
return page->add(obj);
} else {
return autoreleaseSlow(obj);
}
}
添加对象进自动释放池
可以看出,如果当前有page
并且没有满,则直接将对象入栈顶(page->add(obj)):
id *add(id obj)
{
assert(!full());
unprotect();
*next++ = obj;
protect();
return next-1;
}
将对象压入栈顶,然后将栈顶指针下移;
如果上述autoreleaseFast(id obj)
中的page
已经满了,则执行autoreleaseSlow(obj)
id *autoreleaseSlow(id obj)
{
AutoreleasePoolPage *page;
page = hotPage();
//如果没有page,则新建一个自动释放池,并添加obj对象进释放池
if (!page) {
objc_autoreleaseNoPool(obj);
return NULL;
}
//如果当前hotPage已经满了,则以链表的形式新增一个page并添加到当前page的后面,然后将此设置为hotPage;
do {
if (page->child) page = page->child;
else page = new AutoreleasePoolPage(page);
} while (page->full());
setHotPage(page);
return page->add(obj);
}
基本逻辑即,如果page
不存在则,创建新的自动释放池(PoolPage)
,并将对象加进池子;如果已经存在自动释放池在栈中,且hotPage
满了,则遍历其子page
,如果存在没满(page->full()==NO)
的子page
,则将该子page
设置为hotPage
,否则如果都满了,则以最后一个子page
为父page
,新建一个page
,插入当前的page
链表,同样设置该新建的page
为hotPage
,然后将自动释放对象加入page
;
销毁自动释放池
销毁自动释放池的调用方式是:
void AutoreleasePoolPage::pop(void *token)
token
即push()
的返回值,实际上就是POOL_SENTINEL的地址(__autoreleasepool)
通过该地址即可找到所在Page的地址指针
static inline void pop(void *token)
{
AutoreleasePoolPage *page;
id *stop;
if (token) {
page = pageForPointer(token); //找到所在的page地址
stop = (id *)token; //POOL_SENTINEL的地址,从栈顶释放对象直到这个位置
} else {
// Token 0 is top-level pool
page = coldPage();
stop = page->begin();
}
page->releaseUntil(stop); //对自动释放池中对象调用objc_release()进行释放
// memory: delete empty children
// hysteresis: keep one empty child if this page is more than half full
// special case: delete everything for pop(0)
if (!token) {
page->kill();
setHotPage(NULL);
} else if (page->child) {
if (page->lessThanHalfFull()) {
page->child->kill();
}
else if (page->child->child) {
page->child->child->kill();
}
}
}
该过程主要分为两步:
一、page->releaseUntil(stop)
,对栈顶(page->next)
到stop
地址(POOL_SENTINEL)
之间的所有对象调用objc_release()
,进行引用计数减1;
二、清空page
对象page->kill()
,有两句注释
// hysteresis: keep one empty child if this page is more than half full
// special case: delete everything for pop(0)
除非是pop(0)
方式调用,这样会清理掉所有page
对象;否则,在当前page
存放的对象大于一半时,会保留一个空的子page
,这样估计是为了可能马上需要新建page节省创建page
的开销吧.
对应代码
if (page->child) {
if (page->lessThanHalfFull()) {
page->child->kill(); //全部删除
}
else if (page->child->child) {
page->child->child->kill();//保留一个子page
}
}
如果当前的page
中存放的对象少于一半,则子page
全部删除;如果当前当前的page
存放的多余一半(意味着马上将要满),则保留一个子page
,节省创建新page
的开销;