深入解析 autoreleasepool

https://draveness.me/autoreleasepool/

http://blog.sunnyxx.com/2014/10/15/behind-autorelease/

Autorelease机制是iOS开发者管理对象内存的好伙伴，MRC中，调用[obj autorelease]来延迟内存的释放是一件简单自然的事，ARC下，我们甚至可以完全不知道Autorelease就能管理好内存。而在这背后，objc和编译器都帮我们做了哪些事呢，它们是如何协作来正确管理内存的呢？刨根问底，一起来探究下黑幕背后的Autorelease机制。

面试题: Autorelease对象什么时候释放？

Autorelease Pool的作用域结束的时候会给当前池中的对象发送release消息. 

在没有手加Autorelease Pool的情况下，Autorelease对象是在当前的runloop迭代结束时释放的，而它能够释放的原因是系统在每个runloop迭代中都加入了自动释放池Push和Pop.

Autorelease原理

AutoreleasePoolPage

@autoreleasepool 到底是什么？使用 clang -rewrite-objc main.m 随后编译器将其改写成下面的样子, 删掉无用代码后, 找到了这2个关键函数：

void *context = objc_autoreleasePoolPush();
// {}中的代码
objc_autoreleasePoolPop(context);

而这两个函数都是对AutoreleasePoolPage的简单封装，所以自动释放机制的核心就在于这个类。

AutoreleasePoolPage是一个C++实现的类

• AutoreleasePool并没有单独的结构，而是由若干个AutoreleasePoolPage以双向链表的形式组合而成（分别对应结构中的parent指针和child指针）
• AutoreleasePool是按线程一一对应的（结构中的thread指针指向当前线程）
• AutoreleasePoolPage每个对象会开辟4096字节内存（也就是虚拟内存一页的大小），除了上面的实例变量所占空间，剩下的空间全部用来储存autorelease对象的地址
• 上面的id *next指针作为游标指向栈顶最新add进来的autorelease对象的下一个位置
• 一个AutoreleasePoolPage的空间被占满时，会新建一个AutoreleasePoolPage对象，连接链表，后来的autorelease对象在新的page加入

所以，若当前线程中只有一个AutoreleasePoolPage对象，并记录了很多autorelease对象地址时内存如下图：

图中的情况，这一页再加入一个autorelease对象就要满了（也就是next指针马上指向栈顶），这时就要执行上面说的操作，建立下一页page对象，与这一页链表连接完成后，新page的next指针被初始化在栈底（begin的位置），然后继续向栈顶添加新对象。

所以，向一个对象发送- autorelease消息，就是将这个对象加入到当前AutoreleasePoolPage的栈顶next指针指向的位置

释放时刻

每当进行一次objc_autoreleasePoolPush调用时，runtime向当前的AutoreleasePoolPage中add进一个哨兵对象，值为0（也就是个nil），那么这一个page就变成了下面的样子：

objc_autoreleasePoolPush的返回值正是这个哨兵对象的地址，被objc_autoreleasePoolPop(哨兵对象)作为入参，于是：

1. 根据传入的哨兵对象地址找到哨兵对象所处的page
2. 在当前page中，将晚于哨兵对象插入的所有autorelease对象都发送一次- release消息，并向回移动next指针到正确位置
3. 补充2：从最新加入的对象一直向前清理，可以向前跨越若干个page，直到哨兵所在的page

刚才的objc_autoreleasePoolPop执行后，最终变成了下面的样子：

 

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纸上得来终觉浅, 绝知此事要躬行 , 上面的都是原理上的讲解, 没有深入到源码中, 还是要到源码中看看的.

 

通过上面的学习我们知道了有2个关键函数, 那么现在开始分析 objc_autoreleasePoolPush 和 objc_autoreleasePoolPop 的实现：

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

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

上面的方法看上去是对 AutoreleasePoolPage 对应静态方法 push 和 pop 的封装。在放一遍这个图

自动释放池中的 AutoreleasePoolPage 是以双向链表的形式连接起来的, 所以实际是这样：

parent 和 child 就是用来构造双向链表的指针。

自动释放池中的栈

如果我们的一个 AutoreleasePoolPage 被初始化在内存的 0x100816000 ~ 0x100817000 中，它在内存中的结构如下：

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。

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 指向了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：

关于 hiwat 和 depth 在文章中并不会进行介绍，因为它们并不影响整个自动释放池的实现，也不在关键方法的调用栈中。

POOL_SENTINEL（哨兵对象, 现在的版本叫POOL_BOUNDARY, 本文中POOL_SENTINEL和POOL_BOUNDARY等价）

到了这里，你可能想要知道 POOL_SENTINEL 到底是什么，还有它为什么在栈中。 

首先回答第一个问题： POOL_SENTINEL 只是 nil 的别名。

#define POOL_SENTINEL nil

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[]) {
    {
        void * atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();

        // do whatever you want

        objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);
    }
    return 0;
}

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：

objc_autoreleasePoolPush 方法

了解了 POOL_SENTINEL，我们来重新回顾一下 objc_autoreleasePoolPush 方法：

它调用 AutoreleasePoolPage 的类方法 push，也非常简单：

在这里会进入一个比较关键的方法 autoreleaseFast，并传入哨兵对象 POOL_SENTINEL：

 先解释下什么是hotpage, 可以理解为当前正在使用的 AutoreleasePoolPage, 一般是最后一页page, 上述方法分三种情况选择不同的代码执行：

• 有 hotPage 并且当前 page 不满
  • 调用 page->add(obj) 方法将对象添加至 AutoreleasePoolPage 的栈中
• 有 hotPage 并且当前 page 已满
  • 调用 autoreleaseFullPage 初始化一个新的页
  • 调用 page->add(obj) 方法将对象添加至 AutoreleasePoolPage 的栈中
• 无 hotPage
  • 调用 autoreleaseNoPage 创建一个 hotPage
  • 调用 page->add(obj) 方法将对象添加至 AutoreleasePoolPage 的栈中

最后的都会调用 page->add(obj) 将对象添加到自动释放池中。

page->add 添加对象, 将对象添加到自动释放池页中：

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。

autoreleaseFullPage（当前 hotPage 已满）

autoreleaseFullPage 会在当前的 hotPage 已满的时候调用：

它会从传入的 page 开始遍历整个双向链表，直到：

1. 查找到一个未满的 AutoreleasePoolPage
2. 使用构造器传入 parent 创建一个新的 AutoreleasePoolPage

在查找到一个可以使用的 AutoreleasePoolPage 之后，会将该页面标记成 hotPage，然后调动上面分析过的 page->add 方法添加对象。

autoreleaseNoPage（没有 hotPage)

如果当前内存中不存在 hotPage，就会调用 autoreleaseNoPage 方法初始化一个 AutoreleasePoolPage：

    static __attribute__((noinline))
    id *autoreleaseNoPage(id obj) {
       
        // 省略很多安全检查代码

        // We are pushing an object or a non-placeholder'd pool.

        // Install the first page.
        AutoreleasePoolPage *page = new AutoreleasePoolPage(nil);
        setHotPage(page);
        
        // Push a boundary on behalf of the previously-placeholder'd pool.
        if (pushExtraBoundary) {
            page->add(POOL_BOUNDARY);
        }
        
        // Push the requested object or pool.
        return page->add(obj);
    }

既然当前内存中不存在 AutoreleasePoolPage，就要从头开始构建这个自动释放池的双向链表，也就是说，新的 AutoreleasePoolPage 是没有 parent 指针的。

初始化之后，将当前页标记为 hotPage，然后会先向这个 page 中添加一个 POOL_SENTINEL 对象，来确保在 pop 调用的时候，不会出现异常。

最后，将 obj 添加到自动释放池中。

objc_autoreleasePoolPop 方法

同样，回顾一下上面提到的 objc_autoreleasePoolPop 方法：

看起来传入任何一个指针都是可以的，但是在整个工程并没有发现传入其他对象的例子。不过在这个方法中传入其它的指针也是可行的，会将自动释放池释放到相应的位置，只是我们一般不会传入非哨兵对象。。

我们一般都会在这个方法中传入一个哨兵对象 POOL_SENTINEL，如下图一样释放对象：

也就是 AutoreleasePoolPage::pop 方法的调用 , 对原始方法有删减, 方便看原理：

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();
        }
    }
}

该静态方法总共做了三件事情：

1. 使用 pageForPointer 获取当前 token 所在的 AutoreleasePoolPage
2. 调用 releaseUntil 方法释放栈中的对象，直到 stop
3. 如果当前页容量小于一半了, 把子页kill掉;  超过一半了, 认为后期可能会用到子页, 就先保留了子页

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：

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, 比如：

p = 0x100816048
p % SIZE = 0x48
result = 0x100816000

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。

releaseUntil 释放对象

releaseUntil 方法的实现如下：

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。

最后还更新了一下hotpage.

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：

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)

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：

// Base autorelease implementation, ignoring overrides.
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() {
    assert(!isTaggedPointer());
    return AutoreleasePoolPage::autorelease((id)this);
}

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;
}

由于在上面已经分析过 autoreleaseFast 方法的实现，这里就不会多说了。

小结

整个自动释放池 AutoreleasePool 的实现以及 autorelease 方法都已经分析完了，我们再来回顾一下文章中的一些内容：

• 自动释放池是由 AutoreleasePoolPage 以双向链表+栈的方式实现的
• 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

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其他Autorelease相关知识点

嵌套的AutoreleasePool会有问题吗?

知道了上面的原理，嵌套的AutoreleasePool就非常简单了，pop的时候总会释放到上次push的位置为止，多层的pool就是多个哨兵对象而已，就像剥洋葱一样，每次一层，互不影响。

Autorelease返回值的快速释放机制

值得一提的是，ARC下，runtime有一套对autorelease返回值的优化策略。
比如一个工厂方法：

+ (instancetype)createSark {
    return [self new];
}
// caller
Sark *sark = [Sark createSark];

秉着谁创建谁释放的原则，返回值需要是一个autorelease对象才能配合调用方正确管理内存，于是乎编译器改写成了形如下面的代码： 

+ (instancetype)createSark {
    id tmp = [self new];
    return objc_autoreleaseReturnValue(tmp); // 代替我们调用autorelease
}
// caller
id tmp = objc_retainAutoreleasedReturnValue([Sark createSark]) // 代替我们调用retain
Sark *sark = tmp;
objc_storeStrong(&sark, nil); // 相当于代替我们调用了release

 一切看上去都很好，不过既然编译器知道了这么多信息，干嘛还要劳烦autorelease这个开销不小的机制呢？于是乎，runtime使用了一些黑魔法将这个问题解决了。 那就是Thread Local Storage. 

Thread Local Storage（TLS）线程局部存储，目的很简单，将一块内存作为某个线程专有的存储，以key-value的形式进行读写，比如在非arm架构下，使用pthread提供的方法实现：

void* pthread_getspecific(pthread_key_t);
int pthread_setspecific(pthread_key_t , const void *);

在返回值身上调用objc_autoreleaseReturnValue方法时，runtime将这个返回值object储存在TLS中，然后直接返回这个object（不调用autorelease）；同时，在外部接收这个返回值的objc_retainAutoreleasedReturnValue里，发现TLS中正好存了这个对象，那么直接返回这个object（不调用retain）。

于是乎，调用方和被调方利用TLS做中转，很有默契的免去了对返回值的内存管理, 提升了性能.

使用容器的block版本的枚举器时，内部会自动添加一个AutoreleasePool：

[array enumerateObjectsUsingBlock:^(id obj, NSUInteger idx, BOOL *stop) {
    // 这里被一个局部@autoreleasepool包围着
}];

当然，在普通for循环和for in循环中没有，所以，还是新版的block版本枚举器更加方便。for循环中遍历产生大量autorelease变量时，就需要手加局部AutoreleasePool咯。