iOS 自动释放池原理

简介

AutoreleasePool（自动释放池）是OC中的一种内存自动回收机制，它可以延迟加入AutoreleasePool中的变量release的时机。在正常情况下，创建的变量会在超出其作用域的时候release，但是如果将变量加入AutoreleasePool，那么release将延迟执行。

@autoreleasepool实现本质

int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));
    }
}

我们使用clang的命令将OC代码重写成C++的实现:

xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc  main.m

编译成C++的代码，可以看到首先创建了__AtAutoreleasePool类型的变量

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 实际是C++定义的一个结构体，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。

struct __AtAutoreleasePool {
 **构造函数，在创建结构体时调用**
  __AtAutoreleasePool() {
atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();
}

**析构函数，在结构体销毁的时候调用**
  ~__AtAutoreleasePool() {
objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);
}
  void * atautoreleasepoolobj;
};

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：

    **OC实现**
    @autoreleasepool {
        return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));
    }
-----------------------------------------------------------------------    
    **转成C++实现**
     {
        atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();
         return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));
    }
    //atautoreleasepoolobj对象释放，调用西沟方法
    objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);

AutoreleasePoolPage

在源码objc4-750中的 NSObject.mm 中可以看出，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。

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

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

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;         **下一个存储autorelease对象的地址**
    pthread_t const thread;
    AutoreleasePoolPage * const parent;    **父节点**
    AutoreleasePoolPage *child;        **子节点**
    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。

所有的AutoreleasePoolPage对象都是以栈为节点通过双向链表的形式连接在一起

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：

image.png

AutoreleasePoolPage管理autorelease的的对象过程

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。

image.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

id _objc_rootAutorelease(id obj)
{
    assert(obj);
    return obj->rootAutorelease();
}

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来理解AutoreleasePool自动释放池

首先关闭ARC，build Settings -> Objective-C Automatic Reference Counting 选择 NO

_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

#import <Foundation/Foundation.h>
#import "Person.h"

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;
}
image.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，即图中的PAGE。

当然可以尝试在@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。

参考文章
iOS底层原理探索 — AutoreleasePool实现原理

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