【iOS】—— autoreleasepool详解

来说一下最近在了解的autoreleasepool吧，我们可能平时书写过许多脑残代码，其有很多的缺陷但是我们可能当时学的比较浅就也不太了解，就像下面这样的：

for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
    NSNumber *num = [NSNumber numberWithInt:i];
}
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在说这个之前我们得先学学autoreleasepool。

一、@autoreleasepool{}

我们平时创建一个main函数的代码的时候，就会发现其中有一个这个东西@autoreleasepool{}，使用clang编译之后：@autoreleasepool{...}被编译成了{__AtAutoreleasePool __autoreleasepool; ... }。

这个__AtAutoreleasePool到底是什么？

它其实是一个结构体，在创建__AtAutoreleasePool结构体变量的时候调用了objc_autoreleasePoolPush(void)，销毁的时候会调动objc_autoreleasePoolPop(void *)，即其构造函数和析构函数，所以我们可以看出其其实是一个C++封装的自动释放池变量，会将@autoreleasepool{...}中{}中的内容添加到自动释放池中，方便内存管理。

但是它在main这个函数中好像感觉并没有什么用，因为程序结束了那么内存不也就被释放了，那这里为什么要加@autoreleasepool{}？

技术上是可行的，去掉main函数中的@autoreleasepool{}并没有什么关系，但是为了严谨，为了使UIApplicationMin创建出来的自动释放对象有自动释放池可添加，并能在自动释放池结束的时候释放对象而不是依赖操作系统的回收，所以加上@autoreleasepool{}，可以把它理解为最外层才触发释放机制的自动释放池。

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;
};
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所以我们平时在ARC环境下写的@autoreleasepool{}它其实就是自动释放池创建和释放的简单使用。

它会在{的时候创建自动释放池，在}的时候销毁自动释放池并发出release通知，让其中的变量自己进行release操作。

二、AutoreleasePoolPage

从上边的__AtAutoreleasePool我们可以看到这两种方法objc_autoreleasePoolPush和objc_autoreleasePoolPop，但是这究竟是什么呢？

void *objc_autoreleasePoolPush(void) {
    return AutoreleasePoolPage::push();
}
 
void objc_autoreleasePoolPop(void *ctxt) {
    AutoreleasePoolPage::pop(ctxt);
}
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我们可以看出这里又引入了新的类AutoreleasePoolPage，其相关源码如下：

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;
}
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每一个自动释放池都是由一系列AutoreleasePoolPage组成的，并且每一个AutoreleasePoolPage的大小都是4096字节（16 进制 0x1000）。

#define I386_PGBYTES 4096
#define PAGE_SIZE I386_PGBYTES
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所以我们从上述的源码可以看出，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，剩下的0x100816038 ~ 0x100817000都是用来存储加入到自动释放池中的对象。

• 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_SENTINEL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_SENTINEL nil
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如果向上述刚初始化的page添加对象时，就会添加在next的指向处，next再向后移一位。

并且在每个自动释放池初始化调用objc_autoreleasePoolPush的时候，都会把一个POOL_SENTINEL push到自动释放池的栈顶，并且返回这个POOL_SENTINEL哨兵对象。

int main(int argc, const char * argv[]) {
    {
    	//这里的 atautoreleasepoolobj 就是一个 POOL_SENTINEL
        void * atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();
        
        // do whatever you want
        
        objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);
    }
    return 0;
}
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上面的atautoreleasepoolobj就是一个POOL_SENTINEL。
而当方法objc_autoreleasePoolPop调用时，就会向自动释放池中的对象发送release消息，直到第一个 POOL_SENTINEL。

这也是autoreleasepool能准确释放其中对象的原因：在该autoreleasepool push的时候会返回一个哨兵对象（POOL_SENTINEL）的地址，并将它给pop，那么这个pop就知道在执行pop释放的时候释放到这个哨兵对象（POOL_SENTINEL）处就可以停止了，而这其中释放的内容就正好是自动释放池中的对象。

1.objc_autoreleasePoolPush方法：

void *objc_autoreleasePoolPush(void) {
    return AutoreleasePoolPage::push();
}
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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;
}
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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);
   }
}
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1.1 有hotPage并且当前page不满，直接调用page->add(obj)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;
}
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1.2 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);
}
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1.3 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
}
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autorelease方法

我们现在再想，它dest = autoreleaseFast(POOL_BOUNDARY);操作传递的是POOL_BOUNDARY变量，并没有传对象，那么到底是怎么存入进去的呢？

通过调试查看汇编发现它其实调用的是objc_retainAutorelease方法，之后层层调用发现调用的是autorelease方法：

static inline id autorelease(id obj)
{
    printf("static inline id autorelease%p\n", obj);
    assert(obj);
    assert(!obj->isTaggedPointer());
    id *dest __unused = autoreleaseFast(obj);
    assert(!dest  ||  dest == EMPTY_POOL_PLACEHOLDER  ||  *dest == obj);
    return obj;
}
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2.objc_autoreleasePoolPop方法：

void objc_autoreleasePoolPop(void *ctxt) {
    AutoreleasePoolPage::pop(ctxt);
}
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我们一般都会在这个方法中传入一个哨兵对象POOL_SENTINEL，方便释放，如下图一样释放对象：

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();
        }
    }
}
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Apple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child page就可以全kill掉，释放空间，如果超过一半，就认为下一页page还有存在的必要，说不定添加的对象太多就能用的到，所以kill掉孙子page，有个儿子page就暂时够了。

token

• oken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

2.1 pageForPointer 获取 AutoreleasePoolPage：

pageForPointer方法主要是通过内存地址的操作，获取当前指针所在页的首地址：

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(); // 检查当前的result是不是一个AutoreleasePoolPage

    return result;
}
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将指针与页面的大小，也就是 4096 取模，得到当前指针的偏移量，因为所有的AutoreleasePoolPage在内存中都是对齐的：

p = 0x100816048
p % SIZE = 0x48
result = 0x100816000
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而最后调用的方法fastCheck()用来检查当前的result是不是一个AutoreleasePoolPage。

通过检查magic_t结构体中的某个成员是否为0xA1A1A1A1。

2.2 releaseUntil 释放对象：

releaseUntil方法的实现如下：

void releaseUntil(id *stop) {
    while (this->next != stop) { // 不等于stop就继续pop
        AutoreleasePoolPage *page = hotPage(); // 获取当前页

        while (page->empty()) { // 当前页为空，就找其父页，并将其设置为当前页
            page = page->parent;
            setHotPage(page);
        }

        page->unprotect();
        id obj = *--page->next;
        memset((void*)page->next, SCRIBBLE, sizeof(*page->next)); // 将内存内容标记为SCRIBBLE
        page->protect();

        if (obj != POOL_SENTINEL) { // 该对象不为标识POOL_SENTINEL，就释放对象
            objc_release(obj);
        }
    }

    setHotPage(this);
}
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它的实现还是很容易的，用一个while循环持续释放 AutoreleasePoolPage中的内容，直到next指向了stop。

使用memset将内存的内容设置成SCRIBBLE，然后使用 objc_release释放对象。

2.3 kill()方法：

到这里，没有分析的方法就只剩下kill了，而它会将当前页面以及子页面全部删除：

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
}
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3.autorelease 方法

我们已经对自动释放池生命周期有一个比较好的了解，最后需要了解的话题就是autorelease方法的实现，先来看一下方法的调用栈：

- [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)
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在autorelease方法的调用栈中，最终都会调用上面提到的autoreleaseFast方法，将当前对象加到AutoreleasePoolPage中。
这一小节中这些方法的实现都非常容易，只是进行了一些参数上的检查，最终还要调用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;
}
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autoreleaseFast方法在之前的push已经说过了，自己看看就行。

三、开头问题的解答

看到这里你是否明白了开篇所说的问题所在？当一次运行循环结束之前，也就是autoreleasepool释放autorelease对象之前，autoreleasepool的内存一直在增加，APP会出现内存峰值，卡顿，甚至会被系统强制关闭造成crash。

所以加上@autoreleasepool保证每次循环生成的autorelease对象及时的释放才能避免上述问题：

for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
   @autoreleasepool {
          NSNumber *num = [NSNumber numberWithInt:i];
          NSLog(@"%@", num);
   }
}
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另外@autoreleasepool还有延迟释放，使对象超出函数作用域存在等用处。

四、总结

总的来说，autoreleasepool就是一个双向链表，链表中的每个节点是一个栈，栈中保存了指向autoreleasepool的指针并且其中加入了需要自动释放池管理的对象，所以在autoreleasepool中的所有对象引用计数都会+1，一旦出了autoreleasepool，没有指针指向对象，对象的引用计数就会-1，ARC下，xcode会为代码自动添加 autoreleasepool。

• 自动释放池是由AutoreleasePoolPage以双向链表的方式实现的
• 当对象调用autorelease方法时，会将对象加入AutoreleasePoolPage的栈中
• 调用AutoreleasePoolPage::pop方法会向栈中的对象发送release消息

关于哨兵对象（POOL_BOUNDARY）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，而哨兵对象可以有很多个，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。

next和child：

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

autoreleasePoolPage与RunLoop的关系：

RunLoop和AutoReleasePool是通过线程的方式一一对应的
在非手动添加Autorelease pool下，Autorelease对象是在当前runloop进入休眠等待前被释放的
当一个runloop在不停的循环工作，那么runloop每一次循环必定会经过BeforeWaiting(准备进入休眠)：而去BeforeWaiting(准备进入休眠) 时会调用_objc_autoreleasePoolPop()和 _objc_autoreleasePoolPush()释放旧的池并创建新池，那么这两个方法来销毁要释放的对象，所以我们根本不需要担心Autorelease的内存管理问题。

• RunLoop创建和释放自动释放池的时机：

在进入RunLoop时，创建一个AutoReleasePool。
在准备休眠的时候，释放旧的AutoReleasePool，再新建一个AutoReleasePool。
在RunLoop退出时，释放AutoReleasePool。

保存autoreleasePoolPage的双向链表只有一个么？也就是所有线程的autoreleasePoolPage都保存在一个链表中，还是每个线程保存一个自己的链表？并且链表头也就是链表的入口位置是保存在哪里呢？谁来控制呢？

一个线程有自己单独autoreleasePool链表，也有可能没有链表。链表的hotPage存储在TLS中，因为链表是双向的，通过hotpage就可以找到表头和表尾，不需要再单独存储表头。

需要自己手动添加autoreleasepool的情况

• 编写的不是基于UI框架的程序，例如命令行工具；
• 通过循环方式创建大量临时对象；
• 使用非Cocoa程序创建的子线程；

ios runloop的Autorelease对象释放的背后