前言
在內存管理的學習中自動釋放池的原理學習是必須的，作為一個合格的iOS開發者，必須要明白自動釋放池的操作原理，這篇文章的目的就是探索自動釋放池的底層原理。
準備工作
1. 自動釋放池
1.1 相關概念
- 如果在函數、方法的開始處將對象的引用計數
加1，在函數、方法不需要該對象的時候將其引用計數減1，這思想基本OK。 - 有些函數、方法需要返回一個對象，而系統可能在該對象被返回之前，就已經銷毀了對象。那么為了保證函數、方法返回的對象在被返回之前不被銷毀，我們就要使用自動釋放池進行
延遲銷毀(NSAutoreleasePool)。 - 所謂
自動釋放池，是指它是一個存放對象的容器(集合)，而自動釋放池會保證延遲銷毀該池中所有的對象。出于自動釋放池的考慮，所有的對象都應該添加到自動釋放池中，這樣可以讓自動釋放池在銷毀之前，先銷毀池中的所有對象。 -
autorelease方法。該方法不會改變對象的引用計數，只是將該對象添加到自動釋放池中。該方法會返回調用該方法的對象本身。 - 當程序在
自動釋放池上下文中調用某個對象的autorelease方法時，該方法只是將對象添加到自動釋放池中，當該自動釋放池釋放時，自動釋放池會讓池中所有的對象執行release方法。 -
自動釋放池的銷毀和其他普通對象相同，只要其引用計數為0，系統就會自動銷毀自動釋放池對象。系統會在調用NSAotoreleasePool的dealloc方法時回收該池中的所有對象。 -
NSAutoreleasePool還提供了一個drain方法來銷毀自動釋放池中的對象。與release不同，release會使自動釋放池自身的引用計數變為0，從而讓系統回收NSAutoreleasePool對象，在回收NSAutoreleasePool對象之前，系統會回收該池中的所有對象。而drain方法則只是回收池中的所有對象，并不會銷毀自動釋放池。
1.2 運行邏輯
AutoReleasePool是OC的內存自動回收機制，將加入到AutoReleasePool中的變量release時機延遲。在正常情況下，創建的變量會在超出其作用域的時候release，但是如果將變量加入AutoreleasePool，那么release將延遲執行，即使超出作用域也不會立即釋放，直到runloop休眠或者超出AutoReleasePool作用域才會釋放。
運行邏輯
自動釋放池的運行機制：
- 程序啟動到加載完成，主線程對應的
Runloop處于休眠狀態，直到用戶點擊交互喚醒Runloop - 用戶每次交互都會啟動一次
Runloop用來處理用戶的點擊、交互事件 -
Runloop被喚醒后，會自動創建AutoReleasePool，并將所有延遲釋放的對象添加到AutoReleasePool - 在一次完整的
Runloop執行結束前，會自動向AutoReleasePool中的對象發送release消息，然后銷毀AutoReleasePool
注意：AutoreleasePool和Runloop的運行機制和關系，在后面講解Runloop時會詳細說明。
1.3 使用效果分析
下面通過一個案例來說明自動釋放池的作用。我們常用以下兩種方式創建字符串：
// 方式1
NSString * string1 = [[NSString alloc] initWithFormat:@"hello world..."];
// 方式2
NSString * string2 = [NSString stringWithFormat:@"hello world auto relase..."];
那么以上兩種方式有什么不同呢？還是老規矩，查看匯編！！！
- 方式1
NSString * string1 = [[NSString alloc] initWithFormat:@"hello world..."];
打開匯編斷點查看流程如下：
方式1匯編流程
這個流程有點熟悉，就是標準的
對象創建過程嘛。使用alloc出來的方式，字符串在調用release的時候被回收（假設該字符串沒有被其他對象引用，變量會在超出其作用域的時候release）。
- 方式2
NSString * string2 = [NSString stringWithFormat:@"hello world auto relase..."];
打開匯編斷點查看流程如下：
方式2匯編流程
使用
stringWith的方式，字符串在api內部會被設置成autorelease，不用手動釋放，系統會回收，因此將會在最近的一個自動釋放池drain或release時被回收。
下面通過一個案例來深入了解自動釋放池的作用。案例中，使用兩種方式創建了字符串，并且把字符串賦值給__weak修飾的成員變量。
- 案例1
__weak NSString *weakSrting;
__weak NSString *weakSrtingAutoRelease;
@implementation ViewController
- (void)createStringFunc {
// 方式1
NSString * string1 = [[NSString alloc] initWithFormat:@"hello world..."];
weakSrting = string1;
// 方式2
NSString * string2 = [NSString stringWithFormat:@"hello world auto relase..."];
weakSrtingAutoRelease = string2;
}
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
[self createStringFunc];
NSLog(@"weakSrting: %@", weakSrting);
NSLog(@"weakSrtingAutoRelease: %@", weakSrtingAutoRelease);
}
- (void)viewWillAppear:(BOOL)animated
{
NSLog(@"view will appear weakSrting: %@", weakSrting);
NSLog(@"view will appear weakSrtingAutoRelease: %@", weakSrtingAutoRelease);
}
- (void) viewDidAppear:(BOOL)animated
{
NSLog(@"view did appear weakSrting: %@", weakSrting);
NSLog(@"view did appear weakSrtingAutoRelease: %@", weakSrtingAutoRelease);
}
查看運行結果，如下：
運行結果
結果分析如下：
- 使用
方式1創建的字符串weakSrting，在createStringFunc方法執行完成后就會釋放（作用域結束），弱引用weakSrting也會釋放掉。所以weakSrting打印結果都是空。 - 使用
方式2創建的對象weakSrtingAutoRelease，這個對象被系統自動添加到了當前的autoreleasepool中，起到了延遲釋放的效果。這個對象是一個autoreleased對象，autoreleased對象是被添加到了當前最近的autoreleasepool中，只有當這個autoreleasepool自身drain的時候，autoreleasepool中的autoreleased對象才會被release。
對象weakSrtingAutoRelease，在viewWillAppear中打印這個對象的時候，能夠輸出，說明此時對象還沒有被釋放。但是在viewDidAppear中打印這個對象的時候就成了null了，那么這個對象一定是在viewWillAppear和viewDidAppear方法之間的某個時候被釋放了，并且是由于它所在的autoreleasepool被release的時候釋放的。我們可以在lldb調試中設置觀察點(watchpoint set v weakSrtingAutoRelease)，來查看對象的釋放過程，如下：
對象的釋放過程
在運行棧中可以發現，
weakSrtingAutoRelease對象在自動釋放池釋放時完成了釋放。
-
案例2
案例1看起來不夠直接，那么我們來一個直接點的案例。代碼中手動添加了一個@autoreleasepool，在自動釋放池內，weakSrtingAutoRelease一直不會釋放，而出了自動釋放池就會釋放。如下：
案例2
明顯看出使用方式2創建的對象weakSrtingAutoRelease在自動釋放池內都能夠正常使用，出了自動釋放池就會被釋放，起到延遲釋放的效果。
但是使用方式1創建的字符串weakSrting，為什么在自動釋放池內就釋放了呢？他不會加入到自動釋放池嗎？帶著疑問繼續往下走！！
2. 自動釋放池原理分析
2.1 原理初探
通過clang查看自動釋放池的實現原理，如下：
main.cpp
@autoreleasepool在編譯后變成了以下代碼：
__AtAutoreleasePool __autoreleasepool;
main.cpp文件中全局搜索__AtAutoreleasePool的定義，找到__AtAutoreleasePool結構體的定義，如下：
struct __AtAutoreleasePool {
__AtAutoreleasePool() {atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();}
~__AtAutoreleasePool() {objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);}
void * atautoreleasepoolobj;
};
該結構體提供了一個構造函數objc_autoreleasePoolPush和一個析構函數objc_autoreleasePoolPop。所以自動釋放池在底層其實是一個結構體，其通過objc_autoreleasePoolPush完成自動釋放池的創建，objc_autoreleasePoolPop來釋放自動釋放池。
設置objc_autoreleasePoolPush的符號斷點，的確能夠進入，匯編如下：
objc_autoreleasePoolPush符號斷點
可以確定自動釋放池其實現源碼在我們最熟悉的
libobjc.A.dylib庫。那就非常的nice了！
2.2 結構分析
下面通過源碼進行分析。跟蹤objc_autoreleasePoolPush的方法實現，如下：
objc_autoreleasePoolPush
其調用了
objc_autoreleasePoolPush()方法，繼續跟蹤代碼：
objc_autoreleasePoolPush()
在該方法的實現中，其調用了
AutoreleasePoolPage的push方法。那么AutoreleasePoolPage的結構是怎么的呢？如下：
AutoreleasePoolPage
通過
AutoreleasePoolPage類的注釋可以得到以下關鍵信息：
-
一個線程的自動釋放池是一堆指針 - 每個指針要么是一個
要釋放的對象，要么是POOL_BOUNDARY(自動釋放池邊界-哨兵對象) -
堆棧被分成一個雙向鏈接的頁面列表， 頁面已添加對象并根據需要刪除 - 線程本地存儲指向新自動釋放的熱點頁面對象被存儲
AutoreleasePoolPage繼承于AutoreleasePoolPageData，那么查看AutoreleasePoolPageData的結構如下：
class AutoreleasePoolPage;
struct AutoreleasePoolPageData
{
#if SUPPORT_AUTORELEASEPOOL_DEDUP_PTRS
struct AutoreleasePoolEntry {
uintptr_t ptr: 48;
uintptr_t count: 16;
static const uintptr_t maxCount = 65535; // 2^16 - 1
};
static_assert((AutoreleasePoolEntry){ .ptr = MACH_VM_MAX_ADDRESS }.ptr == MACH_VM_MAX_ADDRESS, "MACH_VM_MAX_ADDRESS doesn't fit into AutoreleasePoolEntry::ptr!");
#endif
magic_t const magic; // 16
__unsafe_unretained id *next; // 8
pthread_t const thread; // 8
AutoreleasePoolPage * const parent; // 8
AutoreleasePoolPage *child; // 8
uint32_t const depth; // 4
uint32_t hiwat; // 4
AutoreleasePoolPageData(__unsafe_unretained id* _next, pthread_t _thread, AutoreleasePoolPage* _parent, uint32_t _depth, uint32_t _hiwat)
: magic(), next(_next), thread(_thread),
parent(_parent), child(nil),
depth(_depth), hiwat(_hiwat)
{
}
};
屬性相關說明：
-
magic?來校驗AutoreleasePoolPage的結構是否完整 -
next指向最新添加的autoreleased對象的下?個位置，初始化時指向begin() -
thread指向當前線程 -
parent指向?結點，第?個結點的parent值為nil -
child指向?結點，最后?個結點的child值為nil -
depth代表深度，從0開始，往后遞增1 -
hiwat代表high water mark最??棧數量標記
2.3 源碼實現
objc_autoreleasePoolPush(void)
{
return AutoreleasePoolPage::push();
}
那么我們繼續跟蹤push()方法，其源碼實現如下：
static inline void *push()
{
id *dest;
if (slowpath(DebugPoolAllocation)) {
// 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;
}
在非debug模式下首先調用autoreleaseFast方法，并傳入邊界對象（哨兵對象）。查看autoreleaseFast實現源碼，如下：
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);
}
}
- 首先獲取當前
hotPage，如果不為空且沒有滿，則會向該頁中添加obj； - 如果該頁
已滿，則調用autoreleaseFullPage方法； - 如果當前
hotPage不存在，也就是沒有page，則調用autoreleaseNoPage方法。autoreleaseNoPage實現源碼如下：
autoreleaseNoPage
在完成AutoreleasePoolPage創建后，首先添加哨兵對象，然后在加入obj。 首先查看AutoreleasePoolPage構造函數，如下：
AutoreleasePoolPage
通過調用AutoreleasePoolPageData的構造函數實現初始化，并確定頁之間的鏈表關系。通過上面的結構我們可以確定AutoreleasePoolPageData屬性占56個字節。見下圖：
AutoreleasePoolPageData屬性
因為頁中next字段用于設置存儲obj的位置，那么因為每個頁自身有一些屬性需要占用一部分空間，所以next的起始值是page首地址平移56個字節，也就是構造函數中begin()方法所確定下來的值。
id * begin() {
return (id *) ((uint8_t *)this+sizeof(*this));
}
斷點調試如下：
begin()斷點調試
如果
頁滿時，就會調用上面的autoreleaseFullPage方法，見下面實現源碼：
id *autoreleaseFullPage(id obj, AutoreleasePoolPage *page)
{
// The hot page is full.
// Step to the next non-full page, adding a new page if necessary.
// Then add the object to that page.
ASSERT(page == hotPage());
ASSERT(page->full() || DebugPoolAllocation);
do {
if (page->child) page = page->child;
else page = new AutoreleasePoolPage(page);
} while (page->full());
setHotPage(page);
return page->add(obj);
}
do..while循環找到最后一個page，如果page沒有滿，就將page設置為hotPage。如果page已滿，則會新建一個page，也將page設置為hotPage。最后往page中添加obj。
綜合上面的數據結構和源碼實現，我們可以得出以下結論：
-
Autoreleasepool是由多個AutoreleasePoolPage以雙向鏈表的形式連接起來的 -
Autoreleasepool的基本原理：在自動釋放池創建的時候，會在當前的AutoreleasePoolPage中設置一個標記位（邊界），在此期間，當有對象調用autorelease時，會把對象添加到AutoreleasePoolPage中 - 如果當前頁加
滿了，會初始化一個新頁，然后用雙向鏈表鏈接起來，并把初始化的一頁設置為hotPage，當自動釋放池pop時，從最下面依次往上pop，調用每個對象的release方法，直到遇到標志位
2.4 滿頁臨界值
自動釋放池一頁能夠存儲多少個對象呢？如果能夠打印輸出自動釋放池的數據，會更便于我們對自動釋放池的了解。在源碼中也提供了相關的打印數據結構的方法，如下：
void
_objc_autoreleasePoolPrint(void)
{
AutoreleasePoolPage::printAll();
}
printAll()方法如下：
__attribute__((noinline, cold))
static void printAll()
{
_objc_inform("##############");
_objc_inform("AUTORELEASE POOLS for thread %p", objc_thread_self());
AutoreleasePoolPage *page;
ptrdiff_t objects = 0;
for (page = coldPage(); page; page = page->child) {
objects += page->next - page->begin();
}
_objc_inform("%llu releases pending.", (unsigned long long)objects);
if (haveEmptyPoolPlaceholder()) {
_objc_inform("[%p] ................ PAGE (placeholder)",
EMPTY_POOL_PLACEHOLDER);
_objc_inform("[%p] ################ POOL (placeholder)",
EMPTY_POOL_PLACEHOLDER);
}
else {
for (page = coldPage(); page; page = page->child) {
page->print();
}
}
_objc_inform("##############");
}
創建一個案例查看其內部存儲結構，如下：
案例分析
通過上面的輸出可以發現，該自動釋放池的起始頁是
0x10380a000，地址平移56個字節后放入的是哨兵對象，哨兵對象地址為0x10380a038，緊接著放入4個對象。那么一頁能放多少呢？源碼中也有定義，如下：
static size_t const SIZE =
#if PROTECT_AUTORELEASEPOOL
PAGE_MAX_SIZE; // must be multiple of vm page size
#else
PAGE_MIN_SIZE; // size and alignment, power of 2
#endif
#define PAGE_MIN_SHIFT 12
#define PAGE_MIN_SIZE (1 << PAGE_MIN_SHIFT)
通過以上的源碼定義發現其大小為1<<12，也即是4096，而每頁自身屬性的占用56個字節，同時第一頁需要一個哨兵對象8個字節，所以首頁最多可以放(4096 - 56 - 8) / 8 = 504個對象。驗證一下：
案例分析
案例分析
通過輸出自動釋放池的數據結構可以發現，當放入
505個對象時，會新開辟一頁，并且第二頁中只有一個對象。（哨兵對象只會放在第一頁）所以第一頁最多可以放504個對象，之后每頁可以存儲505個對象。
3. 自動釋放池注意點
3.1 對象release而非銷毀
引入案例，如下：
案例分析
當自動釋放池結束的時候，僅僅是對存儲在自動釋放池中的對象發送
1條release消息，而不是銷毀對象。
3.2 自動釋放池的嵌套
引入案例，如下：
案例分析
通過該案例可以發現，自動釋放池嵌套并不會影響數據結構，只是
多插入一個哨兵對象。
3.3 哪些對象可以放入自動釋放池
引入案例，如下：
-
MRC環境
MRC環境 -
ARC環境
ARC環境
總結： - 主動調用
autorelase方法的，用alloc,init,copy等方法創建的對象，這些我們自己持有的，我們想讓他延遲釋放，就調用autorelase方法，這樣在自動釋放池出棧的時候，對象就會釋放掉。 - 對于那種
stringWithFormt這種從名字來看，沒有被調用者持有的情況，要么是自動加到自動釋放池里的，要么是常量字符串，不用引用計數來管理。
