浅谈iOS 之@autoreleasepool
前言
在互联网时代，电子设备的内存管理是一个困扰的技术难点之一。随着iPhone手机技术的更新，在2011年之前使用手动引用计数MRC（Manual Reference Counting），在WWDC2011和iOS 5 引入了自动引用计数ARC（Auto Reference Counting），一个全新的内存管理机制诞生。而autoreleasepool是OC内存管理机制，在ARC的机制下会经常使用到@autoreleasepool自动释放池管理、优化内存。
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；
@autoreleasepool 自动释放池：
管理内存的池，把不需要的对象放在自动释放池中，自动释放这个池子内的对象。(简单，接下来会详细说明@autoreleasepool工作过程)
二、底层结构
在ARC中，看一下@autoreleasepool底层代码具体是什么。
1.查看@autoreleasepool{ }编译成C++代码
使用编译器clang编译main.m转化成main.cpp文件（在终端：clang -rewrite-objc main.m）
#import <Foundation/Foundation.h>
int main(int argc, char * argv[]) {
@autoreleasepool {
}
}
编译之后的main.cpp的代码，把主要的代码拷贝出来如下
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;
};
可以从以上代码看出来@autoreleasepool其实是objc_autoreleasePoolPush 和 objc_autoreleasePoolPop这两个方法组成的。
总之：@autoreleasepool是由objc_autoreleasePoolPush 和 objc_autoreleasePoolPop方法构成的一个结构体。
2.查看objc_autoreleasePoolPush和objc_autoreleasePoolPop
参照苹果开源代码找到objc_autoreleasePoolPush和objc_autoreleasePoolPop两个方法，两个方法在NSObject.mm中实现（苹果开源代码：https://opensource.apple.com/tarballs/objc4/）
void *objc_autoreleasePoolPush(void){
if (UseGC) return nil;
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 nil
static pthread_key_t const key = AUTORELEASE_POOL_KEY;
static uint8_t const SCRIBBLE = 0xA3; // 0xA3A3A3A3 after releasing
static size_t const SIZE =
#if PROTECT_AUTORELEASEPOOL
PAGE_MAX_SIZE; // must be multiple of vm page size
#else
PAGE_MAX_SIZE; // size and alignment, power of 2
#endif // 通过查询 PAGE_MAX_SIZE = 4096
static size_t const COUNT = SIZE / sizeof(id);
magic_t const magic; // 验证码
id *next; //栈顶地址
pthread_t const thread; // 所属线程
AutoreleasePoolPage * const parent; //父节点
AutoreleasePoolPage *child; // 子节点
uint32_t const depth; //page的复杂度
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：
3.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：
// objc_autoreleasePoolPush()内部实际调用
void * objc_autoreleasePoolPush(void)
{
if (UseGC) return nil;
return AutoreleasePoolPage::push();
}
// AutoreleasePoolPage::push()的 push方法
static inline void *push()
{
id *dest = autoreleaseFast(POOL_SENTINEL);
assert(*dest == POOL_SENTINEL);
return dest;
}
static inline id *autoreleaseFast(id obj)
{
AutoreleasePoolPage *page = hotPage();
if (page && !page->full()) { // 如果页面不为空并且存在
return page->add(obj); // 添加对象到自动释放池入栈
} else if (page) { // 如果自动释放池页存在 且 页面满了
return autoreleaseFullPage(obj, page); //
} else { //
return autoreleaseNoPage(obj);
}
}
从以上开源代码可以看出，hotPage()是找出当前的正在使用的page
1.hotPage存在且未满，AutoreleasePoolPage对象作为自动释放池加入栈中
2.hotPage存在且hotPage页面满了，AutoreleasePoolPage创建新的Page并把对象添加到栈中
3.hotPage不存在。添加一个新的AutoreleasePoolPage页面添加对象
3.1.hotPage不存在，执行的方法
id *autoreleaseNoPage(id obj)
{
// No pool in place.
assert(!hotPage());
if (obj != POOL_SENTINEL && DebugMissingPools) {
// We are pushing an object with no pool in place,
// and no-pool debugging was requested by environment.
_objc_inform("MISSING POOLS: Object %p of class %s "
"autoreleased with no pool in place - "
"just leaking - break on "
"objc_autoreleaseNoPool() to debug",
(void*)obj, object_getClassName(obj));
objc_autoreleaseNoPool(obj);
return nil;
}
// Install the first page.
AutoreleasePoolPage *page = new AutoreleasePoolPage(nil);
setHotPage(page);
// Push an autorelease pool boundary if it wasn't already requested.
if (obj != POOL_SENTINEL) {
page->add(POOL_SENTINEL);
}
// Push the requested object.
return page->add(obj);
}
3.2.hotPage存在且hotPage页面满，执行的方法
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() && page->full());
do {
if (page->child) page = page->child;
else page = new AutoreleasePoolPage(page);
} while (page->full());
setHotPage(page);
return page->add(obj);
}
3.3.hotPage存在且未满，执行添加对象
id *add(id obj)
{
assert(!full());
unprotect();
id *ret = next; // faster than `return next-1` because of aliasing
*next++ = obj;
protect();
return ret;
}
综上可以看出在添加自动释放池，所有操作都是对双向堆栈AutoreleasePoolPage的一个创建和添加的操作。
4.销毁自动释放池
首先autoreleasepool的释放工作交给objc_autoreleasePoolPop方法，bjc_autoreleasePoolPop方法如下，自动释放主要交给AutoreleasePoolPage::pop(ctxt);进行
void
objc_autoreleasePoolPop(void *ctxt)
{
if (UseGC) return;
// fixme rdar://9167170
if (!ctxt) return;
AutoreleasePoolPage::pop(ctxt);
}
自动释放的方法如下，更具传入的token，查找需要删除的那个页面，进行删除操作。
static inline void pop(void *token)
{
AutoreleasePoolPage *page;
id *stop;
if (token) {
page = pageForPointer(token);
stop = (id *)token;
assert(*stop == POOL_SENTINEL);
} else {
// Token 0 is top-level pool
page = coldPage();
assert(page);
stop = page->begin();
}
if (PrintPoolHiwat) printHiwat();
page->releaseUntil(stop);
// memory: delete empty children
// hysteresis: keep one empty child if this page is more than half full
// special case: delete everything for pop(0)
// special case: delete everything for pop(top) with DebugMissingPools
if (!token ||
(DebugMissingPools && page->empty() && !page->parent))
{
page->kill();
setHotPage(nil);
} else if (page->child) {
if (page->lessThanHalfFull()) {
page->child->kill();
}
else if (page->child->child) {
page->child->child->kill();
}
}
}
释放自动释放池内内存，双向堆栈中，删除一个AutoreleasePoolPage，根据这个AutoreleasePoolPage对象找到，通过while循环找到AutoreleasePoolPage下方的对象，就像二叉树找到叶子节点。通过节点，首先记录这个节点的地址，找出这个节点的父节点。通过父节点把子节点置空，删除这个节点的指针指向，在通过delete删除对象A的内存空间。通过while循环，直到删除到最初的节点。
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;
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);
}
总结
看到这里，相信你应该对 Objective-C 的内存管理机制有了更进一步的认识。通常情况下，我们是不需要手动添加 autoreleasepool 的，使用线程自动维护的 autoreleasepool 就好了。根据苹果官方文档中对 Using Autorelease Pool Blocks 的描述，我们知道在下面三种情况下是需要我们手动添加 autoreleasepool 的：
- 如果你编写的程序不是基于 UI 框架的，比如说命令行工具；
- 如果你编写的循环中创建了大量的临时对象；
- 如果你创建了一个辅助线程。
