【iOS】—— autoreleasePool以及总结

1. 什么是autoreleasePool

AutoreleasePool（自动释放池）是在Objective-C和Swift中用于管理内存释放的机制。通过创建自动释放池，可以将需要延迟释放的对象放入其中，在自动释放池被销毁时，其中的对象会被释放，从而帮助避免内存泄漏并优化内存管理。

大概的意思就是：

• 自动释放池是栈结构，存储的是指针。
• 指针指向需要自动释放的对象或者 POOL_BOUNDARY 边界值。以 POOL_BOUNDARY 为边界，当释放池释放时，在边界之内的对象会被释放。
• page 以双向链表的形式构成 pool，page 会自动创建或释放。
• 线程本地存储指向当前最新的 page。

2. autoreleasePoolPage

每个autoreleasePool都是由一系列autoreleasePoolPage组成的，并且每个autoreleasePoolPage大小都为4096字节，相关源码如下：

#define I386_PGBYTES 4096
#define PAGE_SIZE I386_PGBYTES

class AutoreleasePoolPage {
    magic_t const magic;//AutoreleasePoolPage 完整性校验
    id *next;//下一个存放autorelease对象的地址
    pthread_t const thread; //AutoreleasePoolPage 所在的线程
    AutoreleasePoolPage * const parent;//父节点
    AutoreleasePoolPage *child;//子节点
    uint32_t const depth;//深度,也可以理解为当前page在链表中的位置
    uint32_t hiwat;
}

自动释放池其实就是一个由AutoreleasePoolPage构成的双向链表，其结构中的child和parent分别指向其前趋和后继。

单个AutoreleasePoolPage结构如下：

其中有 56 bit 用于存储AutoreleasePoolPage的成员变量。

• 该结构体的第一个成员变量是magic，我们在isa中也学习过，isa中是分判对象是否未完成初始化，在这里也一样，用来检查这个节点是否已经被初始化了。
• begin()和end()这两个类的实例方法帮助我们快速获取 0x100816038 ~ 0x100817000 这一范围的边界地址。
• next：指向下一个为空的内存地址，如果next指向的地址加入一个object，它就会如下图所示移动到下一个为空的内存地址中，就像栈顶指针一样。
• thread：保存了当前页所在的线程。
• depth：表示page的深度，首次为0，每个page的大小都是4096字节（16进制0x1000），每次初始化一个page，depth都加一。
• POOL_BOUNDARY：就是哨兵对象，它只是nil的别名，用于分隔Autoreleasepool。POOL_BOUNDARY直译过来就是POOL的边界。它的作用是隔开page中的对象。因为并不是每次push与pop之间存进的对象都刚好占满一个page，可能会不满，可能会超过，因此这个POOL_BOUNDARY帮助我们分隔每个@autoreleasepool块之间的对象。也就是说这个page可能存储很多个@autoreleasepool块的对象，使用POOL_BOUNDARY来隔开每个@autoreleasepool块的对象。

 #define POOL_BOUNDARY nil

objc_autoreleasePoolPush方法：

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

这里调用了AutoreleasePoolPage::push()方法：

 static inline void *push() 
{
    id *dest;
    // POOL_BOUNDARY就是nil
    // 首先将一个哨兵对象插入到栈顶
    if (DebugPoolAllocation) {
        // 区别调试模式
        // 调试模式下将新建一个链表节点，并将一个哨兵对象添加到链表栈中
        // Each autorelease pool starts on a new pool page.
        dest = autoreleaseNewPage(POOL_BOUNDARY);
    } else {
        dest = autoreleaseFast(POOL_BOUNDARY);
    }
    assert(dest == EMPTY_POOL_PLACEHOLDER || *dest == POOL_BOUNDARY);
    return dest;
}

其中调用了autoreleaseFast方法，hotPage指的是当前正在使用的AutoreleasePoolPage：

static inline id *autoreleaseFast(id obj)
{
   AutoreleasePoolPage *page = hotPage();
   if (page && !page->full()) {//有 hotPage 并且当前 page 不满，将object加入当前栈中
       return page->add(obj);
   } else if (page) {//有hotPage 但当前page已满，找未满页或创建新页，将object添加到新页中
       return autoreleaseFullPage(obj, page);
   } else {//无hotPage，创建hotPage，加入其中
       return autoreleaseNoPage(obj);
   }
}
 

有hotPage但当前page未满，直接调用page->add(obj)方法将对象添加到自动释放池中。

// 这其实就是一个压栈操作，将对象加入AutoreleasePoolPage，然后移动栈顶指针
id *add(id obj) {
    id *ret = next;
    *next = obj;
    next++;
    return ret;
}
 

这个方法其实就是一个压栈的操作，将对象加入 AutoreleasePoolPage 然后移动栈顶的指针。

有hotPage但当前page已满，（找到未满页或者创建新页，将object添加到新页中autoreleaseFullPage当前page满的时候调用）

static id *autoreleaseFullPage(id obj, AutoreleasePoolPage *page) {
//一直遍历，直到找到一个未满的 AutoreleasePoolPage，如果找到最后还没找到，就新建一个 AutoreleasePoolPage
    do {
        if (page->child) 
        	page = page->child;
        else page = new AutoreleasePoolPage(page);
    } while (page->full());
	
	//将找到的，或者构建的page作为hotPage，然后将obj加入
    setHotPage(page);
    return page->add(obj);
}

从传入的 page 开始遍历整个双向链表，直到查找到一个未满的 AutoreleasePoolPage

如果找到最后还是没找到创建一个新的 AutoreleasePoolPage

将找到的或者构建的page标记成 hotPage，然后调动上面分析过的 page->add 方法添加对象。

无hotPage，创建hotPage，加入其中：

这个时候，由于内存中没AutoreleasePoolPage，就要从头开始构建这个自动释放池的双向链表，那么当前页表作为第一张页表，是没有parent指针的。并且我们在第一次创建page时其首位都是要加POOL_SENTINEL标识的，方便让page知道在哪就结束了。

 static id *autoreleaseNoPage(id obj) {
    AutoreleasePoolPage *page = new AutoreleasePoolPage(nil); // 创建AutoreleasePoolPage
    setHotPage(page); // 设置page为当前页
 
    if (obj != POOL_SENTINEL) { // 加POOL_SENTINEL哨兵
        page->add(POOL_SENTINEL);
    }
 
    return page->add(obj); // 将obj加入
}

objc_autoreleasePoolPop方法：

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

其调用的pop方法如下：

 static inline void pop(void *token) {
    AutoreleasePoolPage *page = pageForPointer(token);//使用 pageForPointer 获取当前 token 所在的 AutoreleasePoolPage
    id *stop = (id *)token;

    page->releaseUntil(stop);//调用 releaseUntil 方法释放栈中的对象，直到 stop 位置，stop就是传递的参数，一般为哨兵对象

	//调用 child 的 kill 方法，系统根据当前页的不同状态kill掉不同child的页面
	//releaseUntil把page里的对象进行了释放，但是page本身也会占据很多空间，所以要通过kill()来处理，释放空间
    if (page->child) {
        if (page->lessThanHalfFull()) { // 当前page小于一半满
            page->child->kill(); // 把当前页的孩子杀掉
        } else if (page->child->child) { // 否则，留下一个孩子，从孙子开始杀
            page->child->child->kill();
        }
    }
}

假设当前page一半都没满，说明剩余的page空间已经暂时够了，把多余的儿子page就可以kill掉，如果超过一半页，就认为下一半page还有存在的必要，所以kill孙子page，保留一个儿子page。

token

• token是指向该pool的POOL_BOUNDARY指针
• token的本质就是指向哨兵对象的指针，存储着每次push时插入的POOL_BOUNDARY的地址
• 只有第一次push的时候会在page中插入一个POOL_BOUNDARY【或者page满了，或者没有hotPage需要使用新的page了】，并不是page的开头都一定是POOL_BOUNDARY。

kill()方法

void kill() {
    AutoreleasePoolPage *page = this; // 获取当前页
    while (page->child) page = page->child; // child存在就一直往下找，直到找到一个不存在的

    AutoreleasePoolPage *deathptr;
    do {
        deathptr = page;
        page = page->parent;
        if (page) {
            page->unprotect();
            page->child = nil; // 将其child指向置nil，防止出现悬垂指针
            page->protect();
        }
        delete deathptr; // 删除
    } while (deathptr != this); // 直到this处停止
}
 

3. 总结

3.1 autoreleasePool的原理

自动释放池本质是autoreleasePoolPage结构体对象，是一个以栈结构存储的页，每一个autoreleasePoolPage都是以双向链表的形式来连接起来。

大小可根据宏定义查得数值为：4096字节

自动释放池的出栈和入栈主要通过objc_autoreleasePoolPush和objc_autoreleasePoolPop，实际上调用的是autoreleasePoolPage的push和pop方法。

**push操作：**每次调用push操作都会创建一个新的autoreleasePoolPage，而autoreleasePoolPagePush的具体操作就是插入一个POOL BOUNDARY，并且返回插入POOL BOUNDARY的内存地址。在push中的操作，需要调用autoreleaseFast方法处理，具体情况分下面三个：

• page存在并且未满，直接调用add方法将对象添加到page的next指针处，next指针递增。
• page存在并且已满，需要调用autoreleaseFullPage，初始化一个新的page，然后通过add方法添加。
• page不存在，需要先调用autoreleaseNoPage，创建一个hotPage，然后调用add方法添加对象到栈中。

**pop操作：**当执行pop操作的时候，会传入一个参数，这个参数是push操作的返回值，也就是POOLBOUNDARY的内存地址token，因此pop操作，就是根据token找到哨兵对象的位置，然后objc_release释放token之前的对象，把next指针指到正确的位置。

POOL_BOUNDARY是一种特殊标记，用于标记池的边界，就是说这个page可能存储很多个@autoreleasepool块的对象，在早期可能是一个特殊的指针或者整数值；在现代时，POOL_BOUNDARY可能是一个特殊的结构体或者无效指针。

整体思路：

通过push创建一个autoreleasePoolPage对象，会在开始的位置存放POOL BOUNDARY哨兵对象，然后将注册了autorelease的对象添加到存储到里面，调用pop的时候，会根据push返回的token的位置，释放到token之前的位置。

3.2 autoreleasePool的问题

3.2.1 autoreleasepool的嵌套操作

可以使用嵌套操作，其目的是控制应用程序的内存峰值，是其不要太高。

嵌套原因：自动释放池是以栈为节点，通过双向链表的形式链接，且与线程一一对应。

3.2.2 autoreleasepool的释放时机

在没有手动添加autoreleasePool的情况下，autorelease对象是在当前的runloop迭代结束的时候释放。

1. 在准备进入runloop的时候，创建一个autoreleasePool（优先级最高）。
2. 当runloop准备休眠的时候，会先释放掉autoreleasePool（优先级最低），然后创建一个新的autoreleasePool。
3. 在退出runloop的时候，就释放掉autoreleasePool。

3.2.3 那些对象可以加入到autoreleasePool中

1. 在MRC情况下，使用new，copy，alloc关键字修饰的对象或者retain持有的对象，不能加入到自动释放池中。
2. MRC中设置为autorelease的对象，不需要手动，自动加入到autoreleasePool中。
3. 所有autorelease的对象，在出了作用域之后，会被自动添加到最近创建的自动释放池中。

3.2.4 关于哨兵对象和next指针

next指针只有一个，永远指向下一个能存放autoreleasepool的地址，而哨兵对象有很多个，每个autoreleasepool都对应一个哨兵对象，标示这个autoreleasepool对象从哪里开始存。

3.2.5 next和child：

next指向下一个能存放autoreleasepool对象的地址，child是autoreleasePoolPage的参数，指向下一个page。

3.2.6 thread 和 AutoreleasePool的关系

每个线程都有与之关联的自动释放池堆栈结构，新的pool在创建时会被压栈到栈顶，pool销毁时，会被出栈，对于当前线程来说，释放对象会被压栈到栈顶，线程停止时，会自动释放与之关联的自动释放池

3.2.7 RunLoop 和 AutoreleasePool的关系

主程序的RunLoop在每次事件循环之前之前，会自动创建一个 autoreleasePool 并且会在事件循环结束时，执行drain操作，释放其中的对象