iOS底层原理探索 — AutoreleasePool实现原理

2019-09-24 本文已影响0人劳模007_Mars

探索底层原理，积累从点滴做起。大家好，我是Mars。

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内存管理在APP开发过程中占据着一个很重要的地位，在iOS中，系统为我们提供了ARC的开发环境，帮助我们做了很多内存管理的内容，其实在MRC时代，内存管理对于开发者是个很头疼的问题。前面我们通过三篇文章大致分析了iOS中内存管理的原理，大家可以点击上面的链接跳转学习。今天我们继续分析AutoreleasePool的实现原理。

AutoreleasePool

AutoreleasePool自动释放池是以栈为节点的双向链表的形式组成的

我们知道，当对象调用autorelease时，系统会在合适的时机释放对象。那么具体释放的时机是什么时候呢？我们来看一下下面的代码：

autorelease.png
通过测试可以看出，person对象在@autoreleasepool{}大括号执行完后就被释放了。调用autorelease的对象，在它所在的自动释放池结束时，该对象也会被销毁。

我们具体来看一下@autoreleasepool{}这些都做了什么，我们通过clang命令将main.m转成c++文件来分析一下：

c++.png
通过main.m转成的c++文件可以看到，在@autoreleasepool{}中的代码实际是：

/* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 
        Person *person = ((Person *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((Person *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((Person *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("Person"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init")), sel_registerName("autorelease"));
    }

我们注意到首先创建了__AtAutoreleasePool类型的变量，我们在c++文件中所搜具体看一下__AtAutoreleasePool究竟是什么：

struct __AtAutoreleasePool {
  __AtAutoreleasePool() {
//构造函数，在创建结构体时调用
atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();
}
  ~__AtAutoreleasePool() {
//析构函数，在结构体销毁的时候调用
objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);
}
  void * atautoreleasepoolobj;
};

__AtAutoreleasePool实际是一个结构体，在内部首先执行objc_autoreleasePoolPush()，然后在调用objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj)。这两个函数具体含义已经在代码中做了注释。

也就是说，我们在main.m中@autoreleasepool{}中的代码在底层实际是下面这个样子：

    @autoreleasepool {
//        atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();
        Person *person = [[[Person alloc] init] autorelease];
//        objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);
    }

我们来到源码中查看这两个函数都做了什么事情：

源码.png
可以看出，objc_autoreleasePoolPush()函数内调用了AutoreleasePoolPage的push()方法，objc_autoreleasePoolPop()则调用了AutoreleasePoolPage的pop方法。

也就是说，调用了autorelease的对象，对象中都是由AutoreleasePoolPage对象来管理的。

AutoreleasePoolPage

我们从源码中截取AutoreleasePoolPage的部分源码来分析AutoreleasePoolPage对象：

class AutoreleasePoolPage 
{
    magic_t const magic;
    id *next;
    pthread_t const thread;
    AutoreleasePoolPage * const parent;
    AutoreleasePoolPage *child;
    uint32_t const depth;
    uint32_t hiwat;
}

一个AutoreleasePoolPage对象占用4096字节的内存，除了存放自己内部的变量以外，剩下的内存空间就用来存放autorelease对象的地址。

AutoreleasePool是由多个AutoreleasePoolPage对象组成的，以双向链表的形式组成，AutoreleasePoolPage中的parent指针指向上一个AutoreleasePoolPage对象，child指针指向下一个AutoreleasePoolPage对象。下面用一张图来简单概括一下结构：

AutoreleasePool结构示意图.png

AutoreleasePoolPage对象中的id *next指针则指向了下一个能存放autorelease对象地址的区域。

我们上文讲到，objc_autoreleasePoolPush()函数内调用了AutoreleasePoolPage的push()方法，当调用push()方法时，push()方法内部会将一个POOL_BOUNDARY哨兵入栈，并且返回其存放的内存地址，然后next指针会指向POOL_BOUNDARY后面的第一个内存地址。当有autorelease对象入栈时，会存放在next指针指向的内存空间，然后next指针会指向存入的autorelease对象地址后面的内存空间。

调用push.png
如果当前的AutoreleasePoolPage已经存放满了，就会创建新的AutoreleasePoolPage对象，用来存放autorelease对象。

当自动释放池结束时，会通过调用objc_autoreleasePoolPop()函数，然后调用AutoreleasePoolPage的pop方法，在pop方法内部会通过next指针找到最后一个入栈的autorelease对象开始发送release消息进行释放，直到找到POOL_BOUNDARY为止，这样就完成自动释放池结束时，释放池里面的autorelease对象能够全部被释放。

至此我们就分析完了自动释放池的工作流程，现在我们回过头来，从源码看一下当调用autorelease时，底层做了哪些操作：

//autorelease 函数内部实现
- (id)autorelease {
    return ((id)self)->rootAutorelease();
}

//rootAutorelease 函数内部实现
inline id 
objc_object::rootAutorelease()
{
    if (isTaggedPointer()) return (id)this;
    if (prepareOptimizedReturn(ReturnAtPlus1)) return (id)this;

    return rootAutorelease2();
}

//rootAutorelease2 函数内部实现
id 
objc_object::rootAutorelease2()
{
    assert(!isTaggedPointer());
    return AutoreleasePoolPage::autorelease((id)this);
}

//AutoreleasePoolPage 对象的autorelease 函数实现
public:
    static inline id autorelease(id obj)
    {
        assert(obj);
        assert(!obj->isTaggedPointer());
        id *dest __unused = autoreleaseFast(obj);
        assert(!dest  ||  dest == EMPTY_POOL_PLACEHOLDER  ||  *dest == obj);
        return obj;
    }

//autoreleaseFast 函数内部实现
    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);
        }
    }

通过源码追踪可以看到，当调用autorelease方法时，底层会调用rootAutorelease函数，然后调用rootAutorelease2函数，在rootAutorelease2函数内部会调用AutoreleasePoolPage对象的autorelease方法。

而在AutoreleasePoolPage对象的autorelease方法内部最终会调用autoreleaseFast函数，在函数内部会将我们的autorelease对象添加到AutoreleasePoolPage中。

下面通过一个简单的Demo来帮助大家理解AutoreleasePool自动释放池。

#import <Foundation/Foundation.h>
#import "Person.h"
//_objc_autoreleasePoolPrint() 函数用来查看自动释放池的具体情况
//extern 关键字是用来声明系统内部的函数，编译器会自动去寻找这个函数的实现
extern void _objc_autoreleasePoolPrint(void);
int main(int argc, const char * argv[]) {
    
    @autoreleasepool {
        Person *person1 = [[[Person alloc] init] autorelease];
        Person *person2 = [[[Person alloc] init] autorelease];
        
        @autoreleasepool {
            Person *person3 = [[[Person alloc] init] autorelease];
            
            @autoreleasepool {
                Person *person4 = [[[Person alloc] init] autorelease];
                
                _objc_autoreleasePoolPrint();
            }
        }

    }
    
    return 0;
}

在Demo中，我们通过调用_objc_autoreleasePoolPrint()函数来查看自动释放池的具体内容，来看一下打印内容：

自动释放池内部.png
通过打印，红色框备注的内容显示里面有7个对象，里面包括3个POOL_BOUNDARY哨兵对象和4个person对象。

因为每次@autoreleasepool{}一开始都会最终调用AutoreleasePoolPage的push方法，则每次都会入栈一个POOL_BOUNDARY哨兵对象用来标记autoreleasepool的起始位置。红色箭头标注的就分别是这3个POOL_BOUNDARY哨兵对象。

因为只有4个person对象，一个AutoreleasePoolPage足以存放，所以自动释放池中只有一个AutoreleasePoolPage对象，即图中蓝色标注的PAGE。

当然，大家可以尝试在@autoreleasepool{}大括号中通过for循环的方式创建更多的对象，来分析一下自动释放池中一个AutoreleasePoolPage对象不足以存放autorelease对象的情况。

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