19 - 内存管理方案之自动释放池AutoRelease

2021-11-23  本文已影响0人  iOS之文一

OC底层原理探索文档汇总

自动释放池是OC中的一种自动垃圾回收机制。属于内存管理的一种方案。

主要内容:

  1. 自动释放池的认识
  2. 自动释放池的本质
  3. 自动释放池的压栈和出栈过程分析

1、自动释放池的认识

1.1 介绍

自动释放池是OC的一种自动垃圾回收机制,用来管理对象的释放。它可以将加入到autoreleasePool中的对象的release时机延迟。

正常情况下,当一个对象停止指向某一个变量时,该对象会立即进行release。但是如果该对象加入到了自动释放池中,这个对象并不会立即release。而是会等到runloop休眠或者超出autoreleasePool作用域{}之后才会被释放。

autoreleasePool的图示.png

说明:

  1. 从程序启动到加载完成,主线程对应的runloop会处于休眠状态,等待用户交互来唤醒runloop。
  2. 用户的每一次交互都会唤醒一次runloop,用于处理用户的所有点击、触摸事件等。
  3. runloop在监听到交互事件后,就会创建自动释放池,并将所有延迟释放的对象添加到自动释放池中。
  4. 在一次完整的runloop结束之前,会向自动释放池中所有对象发送release消息,然后销毁自动释放池

1.2 查看autoreleasePool的本质

通过Clang进行分析

定义代码:

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
    }
}

查看编译后的结果

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

int main(int argc, char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 
    }
}

说明:

总结:

自定义一个结构体来验证作用域

//包括构造函数和析构函数
struct WYTest{
    WYTest(){
        printf("作用域开始 - %s\n", __func__);
    }
    ~WYTest(){
        printf("作用域结束 - %s\n", __func__);
    }
};

int main(int argc, char * argv[]) {
    {
        printf("WY:嘿嘿-作用域前 - %s\n", __func__);
        WYTest test;
        printf("WY:哈哈-作用域中 - %s\n", __func__);
    }
    printf("WY:嘻嘻- 作用域后 - %s\n", __func__);
}

运行结果:

WY:嘿嘿-作用域前 - main
作用域开始 - WYTest
WY:哈哈-作用域中 - main
作用域结束 - ~WYTest
WY:嘻嘻- 作用域后 - main

说明:

2、底层分析

2.1 首先看下objc源码中是如何描述自动释放池的

Autorelease pool implementation

- A thread's autorelease pool is a stack of pointers. 
线程的自动释放池是存储指针的栈

- Each pointer is either an object to release, or POOL_BOUNDARY which is an autorelease pool boundary.
每个指针都是要释放的对象,或者是POOL_BOUNDARY,它是自动释放池的边界。

- A pool token is a pointer to the POOL_BOUNDARY for that pool. When the pool is popped, every object hotter than the sentinel is released.
池令牌是指向该池的POOL_BOUNDARY的指针。弹出池后,将释放比哨点更热的每个对象。

- The stack is divided into a doubly-linked list of pages. Pages are added and deleted as necessary. 
堆栈分为两个双向链接的页面列表。根据需要添加和删除页面。

- Thread-local storage points to the hot page, where newly autoreleased objects are stored. 
线程本地存储指向热页面,该页面存储新自动释放的对象。

说明:

2.2 自动释放池的认识

2.2.1 查看源码

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

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

说明:

2.2.2 AutoreleasePoolPage

//************宏定义************
#define PAGE_MIN_SIZE           PAGE_SIZE
#define PAGE_SIZE               I386_PGBYTES
#define I386_PGBYTES            4096            /* bytes per 80386 page */

//************类定义************
class AutoreleasePoolPage : private AutoreleasePoolPageData
{
    friend struct thread_data_t;

public:
    //页的大小
    static size_t const SIZE =
#if PROTECT_AUTORELEASEPOOL
        PAGE_MAX_SIZE;  // must be multiple of vm page size
#else
        PAGE_MIN_SIZE;  // size and alignment, power of 2
#endif

private:
    
    ...
    
    //构造函数
    AutoreleasePoolPage(AutoreleasePoolPage *newParent) :
        AutoreleasePoolPageData(begin(),//开始存储的位置
                                objc_thread_self(),//传的是当前线程,当前线程时通过tls获取的
                                newParent,
                                newParent ? 1+newParent->depth : 0,//如果是第一页深度为0,往后是前一个的深度+1
                                newParent ? newParent->hiwat : 0)
    {...}
    
    //析构函数
    ~AutoreleasePoolPage() {...}
    
    ...
    
    //页的开始位置
    id * begin() {...}
    
    //页的结束位置
    id * end() {...}
   
    //页是否为空
    bool empty() {...}
    
    //页是否满了
    bool full() {...}
   
    //页的存储是否少于一半
    bool lessThanHalfFull() {...}
     
     //添加释放对象
    id *add(id obj){...}
    
    //释放所有对象
    void releaseAll() {...}
    
    //释放到stop位置之前的所有对象
    void releaseUntil(id *stop) {...}
    
    //杀掉
    void kill() {...}
    
    //释放本地线程存储空间
    static void tls_dealloc(void *p) {...}
    
    //获取AutoreleasePoolPage
    static AutoreleasePoolPage *pageForPointer(const void *p) {...}
    static AutoreleasePoolPage *pageForPointer(uintptr_t p)  {...}
    
    //是否有空池占位符
    static inline bool haveEmptyPoolPlaceholder() {...}
    
    //设置空池占位符
    static inline id* setEmptyPoolPlaceholder(){...}
    
    //获取当前操作页
    static inline AutoreleasePoolPage *hotPage(){...}
    
    //设置当前操作页
    static inline void setHotPage(AutoreleasePoolPage *page) {...}
    
    //获取coldPage
    static inline AutoreleasePoolPage *coldPage() {...}
    
    //快速释放
    static inline id *autoreleaseFast(id obj){...}
   
   //添加自动释放对象,当页满的时候调用这个方法
    static __attribute__((noinline))
    id *autoreleaseFullPage(id obj, AutoreleasePoolPage *page) {...}
    
    //添加自动释放对象,当没页的时候使用这个方法
    static __attribute__((noinline))
    id *autoreleaseNoPage(id obj){...}
   
   //创建新页
    static __attribute__((noinline))
    id *autoreleaseNewPage(id obj) {...}
    
public:
    //自动释放
    static inline id autorelease(id obj){...}
   
    //入栈
    static inline void *push() {...}
    
    //兼容老的 SDK 出栈方法
    __attribute__((noinline, cold))
    static void badPop(void *token){...}
    
    //出栈页面
    template<bool allowDebug>
    static void
    popPage(void *token, AutoreleasePoolPage *page, id *stop){...}
    __attribute__((noinline, cold))
    static void
    popPageDebug(void *token, AutoreleasePoolPage *page, id *stop){...}
    
    //出栈
    static inline void
    pop(void *token){...}
    
    static void init(){...}
    
    //打印
    __attribute__((noinline, cold))
    void print(){...}
    
    //打印所有
    __attribute__((noinline, cold))
    static void printAll(){...}
    
    //打印Hiwat
    __attribute__((noinline, cold))
    static void printHiwat(){...}

说明:

2.2.3 AutoreleasePoolPageData

它是AutoreleasePoolPage的父类

class AutoreleasePoolPage;
struct AutoreleasePoolPageData
{
    //用来校验AutoreleasePoolPage的结构是否完整
    magic_t const magic;//16个字节
    //指向最新添加的autoreleased对象的下一个位置,初始化时指向begin()
    __unsafe_unretained id *next;//8字节
    //指向当前线程
    pthread_t const thread;//8字节
    //指向父节点,第一个结点的parent值为nil
    AutoreleasePoolPage * const parent;//8字节
    //指向子节点,最后一个结点的child值为nil
    AutoreleasePoolPage *child;//8字节
    //表示深度,从0开始,往后递增1
    uint32_t const depth;//4字节
    //表示high water mark 最大入栈数量标记
    uint32_t hiwat;//4字节

    //初始化
    AutoreleasePoolPageData(__unsafe_unretained id* _next, pthread_t _thread, AutoreleasePoolPage* _parent, uint32_t _depth, uint32_t _hiwat)
        : magic(), next(_next), thread(_thread),
          parent(_parent), child(nil),
          depth(_depth), hiwat(_hiwat)
    {
    }
};

说明:

2.3 自动释放池的创建,也就是AutoreleasePoolPage的构造

2.3.1 push()

代码:

static inline void *push() 
    {
        id *dest;
        if (slowpath(DebugPoolAllocation)) {
            // Each autorelease pool starts on a new pool page.
            //创建一个新的池子
            dest = autoreleaseNewPage(POOL_BOUNDARY);
        } else {
            //压栈一个边界指针
            dest = autoreleaseFast(POOL_BOUNDARY);
        }
        ASSERT(dest == EMPTY_POOL_PLACEHOLDER || *dest == POOL_BOUNDARY);
        return dest;
    }

说明:

2.3.2 autoreleaseFast()

源码:

//添加一个对象
static inline id *autoreleaseFast(id obj)
{
    //获取当前页
    AutoreleasePoolPage *page = hotPage();
    //如果当前页存在,并且没有填满,就可以添加一个需要release的对象或者边界对象
    if (page && !page->full()) {
        return page->add(obj);
    } else if (page) {//如果已满,就获取child页或者新建页
        return autoreleaseFullPage(obj, page);
    } else {//如果当前页不存在就说明当前池子就根本还没有页,就新建第一页
        return autoreleaseNoPage(obj);
    }
}

说明:

2.3.3 add()

源码:

//开始位置
id * begin() {
    //偏移页结构体的结构体本身大小的位置,说明就是入栈对象的初始位置
    return (id *) ((uint8_t *)this+sizeof(*this));
}

//最后对象位置
id * end() {
    //偏移页结构体的最大位置,也就是页的最后位置
    return (id *) ((uint8_t *)this+SIZE);
}

//判断是否为空
bool empty() {
    //如果当前对象位置是初始位置,说明是空的
    return next == begin();
}

//判断是否已满
bool full() {
    //next就是当前对象所指向的位置
    //end()是每页最后的位置
    return next == end();
}

//将对象obj赋给当前对象位置next,并将next++
id *add(id obj)
{
    ASSERT(!full());
    unprotect();
    //1、先将next指向一个局部变量
    id *ret = next;  // faster than `return next-1` because of aliasing
    //2、将obj指针赋给next
    //3、给next++,也就是next以指针偏移的方式+1,这样很方便
    *next++ = obj;
    protect();
    return ret;
}

说明:

2.3.4 autoreleaseFullPage()

源码:

//获取下一个没有填充满的页,一直查询到最后一页如果仍然满就新建一页
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 {
        //循环如果已经满了,就取下一页
        if (page->child) page = page->child;
        //如果没有child,也就是最后一页了,就新建一页
        else page = new AutoreleasePoolPage(page);
    } while (page->full());

    //设置为当前页
    setHotPage(page);
    //压栈对象
    return page->add(obj);
}

说明:

2.3.5 autoreleaseNoPage()

源码:

//新建第一页(此时没有页)
    static __attribute__((noinline))
    id *autoreleaseNoPage(id obj)
    {
        // "No page" could mean no pool has been pushed
        // or an empty placeholder pool has been pushed and has no contents yet
        ASSERT(!hotPage());

        bool pushExtraBoundary = false;
        if (haveEmptyPoolPlaceholder()) {
            // We are pushing a second pool over the empty placeholder pool
            // or pushing the first object into the empty placeholder pool.
            // Before doing that, push a pool boundary on behalf of the pool 
            // that is currently represented by the empty placeholder.
            pushExtraBoundary = true;
        }
        else if (obj != POOL_BOUNDARY  &&  DebugMissingPools) {
            // We are pushing an object with no pool in place, 
            // and no-pool debugging was requested by environment.
            _objc_inform("MISSING POOLS: (%p) Object %p of class %s "
                         "autoreleased with no pool in place - "
                         "just leaking - break on "
                         "objc_autoreleaseNoPool() to debug", 
                         objc_thread_self(), (void*)obj, object_getClassName(obj));
            objc_autoreleaseNoPool(obj);
            return nil;
        }
        else if (obj == POOL_BOUNDARY  &&  !DebugPoolAllocation) {
            // We are pushing a pool with no pool in place,
            // and alloc-per-pool debugging was not requested.
            // Install and return the empty pool placeholder.
            return setEmptyPoolPlaceholder();
        }

        // We are pushing an object or a non-placeholder'd pool.

        // Install the first page.
        //创建第一页
        AutoreleasePoolPage *page = new AutoreleasePoolPage(nil);
        //第一页设置为当前页
        setHotPage(page);
        
        // Push a boundary on behalf of the previously-placeholder'd pool.
        //既然创建的是第一页,就需要将边界对象压栈
        if (pushExtraBoundary) {
            page->add(POOL_BOUNDARY);
        }
        
        // Push the requested object or pool.
        //再压栈一个待release的对象
        return page->add(obj);
    }

说明:

2.3.5 总结

自动释放池的结构以及添加对象过程.png

大小的计算:

autorelease 底层分析

2.4 将对象添加到自动释放池的过程,也就是autorelease的过程

2.4.1 查看autorelease底层源码

代码:

__attribute__((aligned(16), flatten, noinline))
id
objc_autorelease(id obj)
{
    //如果不是对象,则直接返回
    if (!obj) return obj;
    //如果是小对象,也直接返回
    if (obj->isTaggedPointer()) return obj;
    return obj->autorelease();
}

说明:

2.4.2 autorelease()

主要是通过autoreleaseFast函数实现对象的添加


👇
inline id 
objc_object::autorelease()
{
    ASSERT(!isTaggedPointer());
    //判断是否是自定义类
    if (fastpath(!ISA()->hasCustomRR())) {
        return rootAutorelease();
    }

    return ((id(*)(objc_object *, SEL))objc_msgSend)(this, @selector(autorelease));
}
👇
inline id 
objc_object::rootAutorelease()
{
    //如果是小对象,直接返回
    if (isTaggedPointer()) return (id)this;
    if (prepareOptimizedReturn(ReturnAtPlus1)) return (id)this;

    return rootAutorelease2();
}
👇
__attribute__((noinline,used))
id 
objc_object::rootAutorelease2()
{
    ASSERT(!isTaggedPointer());
    return AutoreleasePoolPage::autorelease((id)this);
}
👇

static inline id autorelease(id obj)
{
    ASSERT(obj);
    ASSERT(!obj->isTaggedPointer());//小对象类型不涉及
    id *dest __unused = autoreleaseFast(obj);//其实也就是添加一个对象的过程
    ASSERT(!dest  ||  dest == EMPTY_POOL_PLACEHOLDER  ||  *dest == obj);
    return obj;
}

说明:

2.4 自动释放池释放的过程,也就是pop的过程

2.4.1 pop()

源码:

//出栈
static inline void
pop(void *token)
{
    AutoreleasePoolPage *page;
    id *stop;
   //判断对象是否是空占位符
    if (token == (void*)EMPTY_POOL_PLACEHOLDER) {
        //如果当是空占位符
        // Popping the top-level placeholder pool.
        //获取当前页
        page = hotPage();
        if (!page) {
            // Pool was never used. Clear the placeholder.
            //如果当前页不存在,则清除空占位符
            return setHotPage(nil);
        }
        // Pool was used. Pop its contents normally.
        // Pool pages remain allocated for re-use as usual.
        //如果当前页存在,则将当前页设置为coldPage,token设置为coldPage的开始位置
        page = coldPage();
        token = page->begin();
    } else {
        //获取token所在的页
        page = pageForPointer(token);
    }
    
    stop = (id *)token;
    //判断最后一个位置,是否是哨兵
    if (*stop != POOL_BOUNDARY) {
        //最后一个位置不是哨兵,即最后一个位置是一个对象
        if (stop == page->begin()  &&  !page->parent) {
            //如果是第一个位置,且没有父节点,什么也不做
            // Start of coldest page may correctly not be POOL_BOUNDARY:
            // 1. top-level pool is popped, leaving the cold page in place
            // 2. an object is autoreleased with no pool
        } else {
            //如果是第一个位置,且有父节点,则出现了混乱
            // Error. For bincompat purposes this is not 
            // fatal in executables built with old SDKs.
            return badPop(token);
        }
    }

    if (slowpath(PrintPoolHiwat || DebugPoolAllocation || DebugMissingPools)) {
        return popPageDebug(token, page, stop);
    }
    //出栈页
    return popPage<false>(token, page, stop);
}

说明:

2.4.2 popPage()

源码:

//删除一页
template<bool allowDebug>
static void
popPage(void *token, AutoreleasePoolPage *page, id *stop)
{
    if (allowDebug && PrintPoolHiwat) printHiwat();

    //将该页的对象全部release
    page->releaseUntil(stop);

    // memory: delete empty children
    //如果该页是空的,就直接删除掉该页,并设置上一页为当前页
    if (allowDebug && DebugPoolAllocation  &&  page->empty()) {
        // special case: delete everything during page-per-pool debugging
        AutoreleasePoolPage *parent = page->parent;
        //删除该页
        page->kill();
        //设置上一页为当前页
        setHotPage(parent);
    //如果该页是空的,并且该页没有上一页,也就是该页是第一页,就清空自动释放池
    } else if (allowDebug && DebugMissingPools  &&  page->empty()  &&  !page->parent) {
        // special case: delete everything for pop(top)
        // when debugging missing autorelease pools
        page->kill();
        //表示自动释放池已没有页
        setHotPage(nil);
    //如果仍然有下一页,就先把下一页删掉
    } else if (page->child) {
        // hysteresis: keep one empty child if page is more than half full
        if (page->lessThanHalfFull()) {
            page->child->kill();
        }
        else if (page->child->child) {
            page->child->child->kill();
        }
    }
}

说明:

2.4.3 releaseUntil()

源码:

//释放到stop位置之前的所有对象
void releaseUntil(id *stop) 
{
    // Not recursive: we don't want to blow out the stack  不是递归的:我们不想破坏堆栈
    // if a thread accumulates a stupendous amount of garbage
    //判断下一个对象是否等于stop,如果不等于,则进入while循环
    while (this->next != stop) {
        // Restart from hotPage() every time, in case -release 
        // autoreleased more objects 每次从hotPage()重新启动,以防-release自动释放更多对象
        //获取当前操作页面,即hot页面
        AutoreleasePoolPage *page = hotPage();

        // fixme I think this `while` can be `if`, but I can't prove it
        //如果当前页是空的
        while (page->empty()) {
            //将page赋值为父节点页
            page = page->parent;
            //并设置当前页为父节点页
            setHotPage(page);
        }

        page->unprotect();
        //next进行--操作,即出栈
        id obj = *--page->next;
        //将页索引位置置为SCRIBBLE,表示已经被释放
        memset((void*)page->next, SCRIBBLE, sizeof(*page->next));
        page->protect();

        if (obj != POOL_BOUNDARY) {
            //释放
            objc_release(obj);
        }
    }
    //设置当前页
    setHotPage(this);

#if DEBUG
    // we expect any children to be completely empty
    for (AutoreleasePoolPage *page = child; page; page = page->child) {
        ASSERT(page->empty());
    }
#endif
}

说明:

2.4.4 kill()

源码:

//删除页
void kill() 
{
    // Not recursive: we don't want to blow out the stack 
    // if a thread accumulates a stupendous amount of garbage
    AutoreleasePoolPage *page = this;
    //获取到最后一页
    while (page->child) page = page->child;

    AutoreleasePoolPage *deathptr;
    //从后往前,将每一页都置位nil,也就是删掉每一页
    do {
        deathptr = page;
        page = page->parent;
        if (page) {
            page->unprotect();
            page->child = nil;
            page->protect();
        }
        delete deathptr;
    } while (deathptr != this);
}

说明:

2.4.5 总结

  • 自动释放池的删除是对页的删除,从后向前一页一页的删除,后一页删除就将前一页设置为当前页,一直删除到没有当前页说明池子已空
  • 页的删除主要是对象的release,也是从后向前一个一个的执行objc_release操作,一直到边界对象,release完成
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