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自動釋放池的前世今生

編輯：IOS開發基礎

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由於 Objective-C 中的內存管理是一個比較大的話題，所以會分為兩篇文章來對內存管理中的一些機制進行剖析，一部分分析自動釋放池以及 autorelease 方法，另一部分分析 retain、release 方法的實現以及自動引用計數。

寫在前面

這篇文章會在源代碼層面介紹 Objective-C 中自動釋放池，以及方法的 autorelease 的具體實現。

從 main 函數開始

main 函數可以說是在整個 iOS 開發中非常不起眼的一個函數，它很好地隱藏在 Supporting Files 文件夾中，卻是整個 iOS 應用的入口。

main.m 文件中的內容是這樣的：
int main(int argc, char * argv[]) {
@autoreleasepool {
return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));
}
}

在這個 @autoreleasepool block 中只包含了一行代碼，這行代碼將所有的事件、消息全部交給了 UIApplication 來處理，但是這不是本文關注的重點。

需要注意的是：整個 iOS 的應用都是包含在一個自動釋放池 block 中的。

@autoreleasepool

@autoreleasepool 到底是什麼？我們在命令行中使用 clang -rewrite-objc main.m 讓編譯器重新改寫這個文件：

$ clang -rewrite-objc main.m

在生成了一大堆警告之後，當前目錄下多了一個 main.cpp 文件

這裡刪除了 main 函數中其他無用的代碼。

在這個文件中，有一個非常奇怪的 __AtAutoreleasePool 的結構體，前面的注釋寫到 /* @autoreleasepool */。也就是說 @autoreleasepool {} 被轉換為一個 __AtAutoreleasePool 結構體：

{
__AtAutoreleasePool __autoreleasepool;
}

想要弄清楚這行代碼的意義，我們要在 main.cpp 中查找名為 __AtAutoreleasePool 的結構體：

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

這個結構體會在初始化時調用 objc_autoreleasePoolPush() 方法，會在析構時調用 objc_autoreleasePoolPop 方法。

這表明，我們的 main 函數在實際工作時其實是這樣的：

int main(int argc, const char * argv[]) {
{
void * atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();
// do whatever you want
objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);
}
return 0;
}

@autoreleasepool 只是幫助我們少寫了這兩行代碼而已，讓代碼看起來更美觀，然後要根據上述兩個方法來分析自動釋放池的實現。

AutoreleasePool 是什麼

這一節開始分析方法 objc_autoreleasePoolPush 和 objc_autoreleasePoolPop 的實現：

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

上面的方法看上去是對 AutoreleasePoolPage 對應靜態方法 push 和 pop 的封裝。

這一小節會按照下面的順序逐步解析代碼中的內容：

AutoreleasePoolPage 的結構

objc_autoreleasePoolPush 方法

objc_autoreleasePoolPop 方法

AutoreleasePoolPage 的結構

AutoreleasePoolPage 是一個 C++ 中的類：

它在 NSObject.mm 中的定義是這樣的：

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

magic 用於對當前 AutoreleasePoolPage 完整性的校驗
thread 保存了當前頁所在的線程

每一個自動釋放池都是由一系列的 AutoreleasePoolPage 組成的，並且每一個 AutoreleasePoolPage 的大小都是 4096 字節（16 進制 0x1000）

#define I386_PGBYTES 4096
#define PAGE_SIZE I386_PGBYTES

雙向鏈表

自動釋放池中的 AutoreleasePoolPage 是以雙向鏈表的形式連接起來的：

parent 和 child 就是用來構造雙向鏈表的指針。

自動釋放池中的棧

如果我們的一個 AutoreleasePoolPage 被初始化在內存的 0x100816000 ~ 0x100817000 中，它在內存中的結構如下：

其中有 56 bit 用於存儲 AutoreleasePoolPage 的成員變量，剩下的 0x100816038 ~ 0x100817000 都是用來存儲加入到自動釋放池中的對象。

begin() 和 end() 這兩個類的實例方法幫助我們快速獲取 0x100816038 ~ 0x100817000 這一范圍的邊界地址。

next 指向了下一個為空的內存地址，如果 next 指向的地址加入一個 object，它就會如下圖所示移動到下一個為空的內存地址中：

關於 hiwat 和 depth 在文章中並不會進行介紹，因為它們並不影響整個自動釋放池的實現，也不在關鍵方法的調用棧中。

POOL_SENTINEL（哨兵對象）

到了這裡，你可能想要知道 POOL_SENTINEL 到底是什麼，還有它為什麼在棧中。

首先回答第一個問題： POOL_SENTINEL 只是 nil 的別名。

#define POOL_SENTINEL nil

在每個自動釋放池初始化調用 objc_autoreleasePoolPush 的時候，都會把一個 POOL_SENTINEL push 到自動釋放池的棧頂，並且返回這個 POOL_SENTINEL 哨兵對象。

int main(int argc, const char * argv[]) {
{
void * atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();
// do whatever you want
objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);
}
return 0;
}

上面的 atautoreleasepoolobj 就是一個 POOL_SENTINEL。

而當方法 objc_autoreleasePoolPop 調用時，就會向自動釋放池中的對象發送 release 消息，直到第一個 POOL_SENTINEL：

objc_autoreleasePoolPush 方法

了解了 POOL_SENTINEL，我們來重新回顧一下 objc_autoreleasePoolPush 方法：

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

它調用 AutoreleasePoolPage 的類方法 push，也非常簡單：

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

在這裡會進入一個比較關鍵的方法 autoreleaseFast，並傳入哨兵對象 POOL_SENTINEL：

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);
}
}

上述方法分三種情況選擇不同的代碼執行：

有 hotPage 並且當前 page 不滿

調用 page->add(obj) 方法將對象添加至 AutoreleasePoolPage 的棧中

有 hotPage 並且當前 page 已滿

調用 autoreleaseFullPage 初始化一個新的頁

調用 page->add(obj) 方法將對象添加至 AutoreleasePoolPage 的棧中

無 hotPage

調用 autoreleaseNoPage 創建一個 hotPage

調用 page->add(obj) 方法將對象添加至 AutoreleasePoolPage 的棧中

最後的都會調用 page->add(obj) 將對象添加到自動釋放池中。

hotPage 可以理解為當前正在使用的 AutoreleasePoolPage。

page->add 添加對象

id *add(id obj) 將對象添加到自動釋放池頁中：

id *add(id obj) {
id *ret = next;
*next = obj;
next++;
return ret;
}

筆者對這個方法進行了處理，更方便理解。

這個方法其實就是一個壓棧的操作，將對象加入 AutoreleasePoolPage 然後移動棧頂的指針。

autoreleaseFullPage（當前 hotPage 已滿）

autoreleaseFullPage 會在當前的 hotPage 已滿的時候調用：

static id *autoreleaseFullPage(id obj, AutoreleasePoolPage *page) {
do {
if (page->child) page = page->child;
else page = new AutoreleasePoolPage(page);
} while (page->full());
setHotPage(page);
return page->add(obj);
}

它會從傳入的 page 開始遍歷整個雙向鏈表，直到：

查找到一個未滿的 AutoreleasePoolPage
使用構造器傳入 parent 創建一個新的 AutoreleasePoolPage

在查找到一個可以使用的 AutoreleasePoolPage 之後，會將該頁面標記成 hotPage，然後調動上面分析過的 page->add 方法添加對象。

autoreleaseNoPage（沒有 hotPage)

如果當前內存中不存在 hotPage，就會調用 autoreleaseNoPage 方法初始化一個

AutoreleasePoolPage：
static id *autoreleaseNoPage(id obj) {
AutoreleasePoolPage *page = new AutoreleasePoolPage(nil);
setHotPage(page);
if (obj != POOL_SENTINEL) {
page->add(POOL_SENTINEL);
}
return page->add(obj);
}

既然當前內存中不存在 AutoreleasePoolPage，就要從頭開始構建這個自動釋放池的雙向鏈表，也就是說，新的 AutoreleasePoolPage 是沒有 parent 指針的。

初始化之後，將當前頁標記為 hotPage，然後會先向這個 page 中添加一個 POOL_SENTINEL 對象，來確保在 pop 調用的時候，不會出現異常。

最後，將 obj 添加到自動釋放池中。

objc_autoreleasePoolPop 方法

同樣，回顧一下上面提到的 objc_autoreleasePoolPop 方法：

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

看起來傳入任何一個指針都是可以的，但是在整個工程並沒有發現傳入其他對象的例子。不過在這個方法中傳入其它的指針也是可行的，會將自動釋放池釋放到相應的位置。

我們一般都會在這個方法中傳入一個哨兵對象 POOL_SENTINEL，如下圖一樣釋放對象：

objc-autorelease-pop-stack (1).png

對 objc_autoreleasePoolPop 行為的測試

在繼續分析這個方法之前做一個小測試，在 objc_autoreleasePoolPop 傳入非哨兵對象，測試一下這個方法的行為。

下面是 main.m 文件中的源代碼：

#import int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
NSString *s = @"Draveness";
[s stringByAppendingString:@"-Suffix"];
}
return 0;
}

在代碼的這一行打一個斷點，因為這裡會調用 autorelease 方法，將字符串加入自動釋放池：

當代碼運行到這裡時，通過 lldb 打印出當前 hotPage 中的棧內容：

通過 static 方法獲取當前 hotPage
打印 AutoreleasePoolPage 中的內容
打印當前 next 指針指向的內容，以及之前的內容，-2時已經到了 begin() 位置
使用 print()和 printAll()打印自動釋放池中內容

然後將字符串 @"Draveness-Suffix" 的指針傳入 pop 方法，測試 pop 方法能否傳入非哨兵參數。

再次打印當前 AutoreleasePoolPage 的內容時，字符串已經不存在了，這說明向 pop 方法傳入非哨兵參數是可行的，只是我們一般不會傳入非哨兵對象。

讓我們重新回到對 objc_autoreleasePoolPop 方法的分析，也就是 AutoreleasePoolPage::pop 方法的調用：

static inline void pop(void *token) {
AutoreleasePoolPage *page = pageForPointer(token);
id *stop = (id *)token;
page->releaseUntil(stop);
if (page->child) {
if (page->lessThanHalfFull()) {
page->child->kill();
} else if (page->child->child) {
page->child->child->kill();
}
}
}

在這個方法中刪除了大量無關的代碼，以及對格式進行了調整。

該靜態方法總共做了三件事情：

使用 pageForPointer 獲取當前 token 所在的 AutoreleasePoolPage
調用 releaseUntil 方法釋放棧中的對象，直到 stop
調用 child 的 kill 方法

我到現在也不是很清楚為什麼要根據當前頁的不同狀態 kill 掉不同 child 的頁面。

if (page->lessThanHalfFull()) {
page->child->kill();
} else if (page->child->child) {
page->child->child->kill();
}

pageForPointer 獲取 AutoreleasePoolPage

pageForPointer 方法主要是通過內存地址的操作，獲取當前指針所在頁的首地址：

static AutoreleasePoolPage *pageForPointer(const void *p) {
return pageForPointer((uintptr_t)p);
}
static AutoreleasePoolPage *pageForPointer(uintptr_t p) {
AutoreleasePoolPage *result;
uintptr_t offset = p % SIZE;
assert(offset >= sizeof(AutoreleasePoolPage));
result = (AutoreleasePoolPage *)(p - offset);
result->fastcheck();
return result;
}

將指針與頁面的大小，也就是 4096 取模，得到當前指針的偏移量，因為所有的 AutoreleasePoolPage 在內存中都是對齊的：

p = 0x100816048

p % SIZE = 0x48

result = 0x100816000

而最後調用的方法 fastCheck() 用來檢查當前的 result 是不是一個 AutoreleasePoolPage。

通過檢查 magic_t 結構體中的某個成員是否為 0xA1A1A1A1。

releaseUntil 釋放對象

releaseUntil 方法的實現如下：

void releaseUntil(id *stop) {
while (this->next != stop) {
AutoreleasePoolPage *page = hotPage();
while (page->empty()) {
page = page->parent;
setHotPage(page);
}
page->unprotect();
id obj = *--page->next;
memset((void*)page->next, SCRIBBLE, sizeof(*page->next));
page->protect();
if (obj != POOL_SENTINEL) {
objc_release(obj);
}
}
setHotPage(this);
}

它的實現還是很容易的，用一個 while 循環持續釋放 AutoreleasePoolPage 中的內容，直到 next 指向了 stop 。

使用 memset 將內存的內容設置成 SCRIBBLE，然後使用 objc_release 釋放對象。

kill() 方法

到這裡，沒有分析的方法就只剩下 kill 了，而它會將當前頁面以及子頁面全部刪除：

void kill() {
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);
}

autorelease 方法

我們已經對自動釋放池生命周期有一個比較好的了解，最後需要了解的話題就是 autorelease 方法的實現，先來看一下方法的調用棧：

- [NSObject autorelease]
└── id objc_object::rootAutorelease()
└── id objc_object::rootAutorelease2()
└── static id AutoreleasePoolPage::autorelease(id obj)
└── static id AutoreleasePoolPage::autoreleaseFast(id obj)
├── id *add(id obj)
├── static id *autoreleaseFullPage(id obj, AutoreleasePoolPage *page)
│   ├── AutoreleasePoolPage(AutoreleasePoolPage *newParent)
│   └── id *add(id obj)
└── static id *autoreleaseNoPage(id obj)
├── AutoreleasePoolPage(AutoreleasePoolPage *newParent)
└── id *add(id obj)

在 autorelease 方法的調用棧中，最終都會調用上面提到的 autoreleaseFast 方法，將當前對象加到 AutoreleasePoolPage 中。

這一小節中這些方法的實現都非常容易，只是進行了一些參數上的檢查，最終還要調用 autoreleaseFast 方法：

inline id objc_object::rootAutorelease() {
if (isTaggedPointer()) return (id)this;
if (prepareOptimizedReturn(ReturnAtPlus1)) return (id)this;
return rootAutorelease2();
}
__attribute__((noinline,used)) id objc_object::rootAutorelease2() {
return AutoreleasePoolPage::autorelease((id)this);
}
static inline id autorelease(id obj) {
id *dest __unused = autoreleaseFast(obj);
return obj;
}

由於在上面已經分析過 autoreleaseFast 方法的實現，這裡就不會多說了。

小結

整個自動釋放池 AutoreleasePool 的實現以及 autorelease 方法都已經分析完了，我們再來回顧一下文章中的一些內容：

自動釋放池是由 AutoreleasePoolPage 以雙向鏈表的方式實現的

當對象調用 autorelease 方法時，會將對象加入 AutoreleasePoolPage 的棧中

調用 AutoreleasePoolPage::pop 方法會向棧中的對象發送 release 消息

參考資料

What is autoreleasepool? - Objective-C

Using Autorelease Pool Blocks

NSAutoreleasePool

黑幕背後的 Autorelease

IOS開發基礎