AutoreleasePool 实现原理

JonyFang

发布于：2018年6月12日

AutoreleasePool（自动释放池）是 OC 中一种内存自动回收的机制。在 MRC 中，可以通过 [obj autorelease] 来延迟内存的释放；而 ARC 中的 autorelease 方法是被禁用的，无法主动调用，但对象的内存任在我们不知情的情况下被很好的管理。这就是依赖于背后的 Autorelease 机制，那么是如何管理的呢？

AutoreleasePool

在 main.m 中我们会看到下面这段代码：

int main(int argc, char * argv[]) {
    NSString * appDelegateClassName;
    @autoreleasepool {
        // Setup code that might create autoreleased objects goes here.
        appDelegateClassName = NSStringFromClass([AppDelegate class]);
    }
    return UIApplicationMain(argc, argv, nil, appDelegateClassName);
}

我们通过编译：

xcrun -sdk iphonesimulator clang -rewrite-objc main.m

得到如下编译后的代码：

int main(int argc, char * argv[]) {
    NSString * appDelegateClassName;
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 

        appDelegateClassName = NSStringFromClass(((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("AppDelegate"), sel_registerName("class")));
    }
    return UIApplicationMain(argc, argv, __null, appDelegateClassName);
}

看到 @aotoreleasepool 被编译器转换成了 __AtAutoreleasePool __autoreleasepool。查找得到 __AtAutoreleasePool 对应的结构如下：

struct __AtAutoreleasePool {
  __AtAutoreleasePool() {atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();}
  ~__AtAutoreleasePool() {objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);}
  void * atautoreleasepoolobj;
};

结构体内实际上是两个 objc 方法：objc_autoreleasePoolPush() 和 objc_autoreleasePoolPop()。

打开 objc 源码 - DeveloperErenLiu/RuntimeAnalyze/objc4-750，对应查找到它们在 NSObject.mm 的实际实现：

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

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

这两个函数实际上都是对 AutoreleasePoolPage 的封装。所以自动释放机制的核心也在这个类。

AutoreleasePoolPage

AutoreleasePoolPage 的结构图如下：

我们会注意到两个字段：child 和 parent。AutoreleasePool 是由若干 AutoreleasePoolPage 以双向链表的形式组合而成。

需要注意的几个点：

每个 AutoreleasePoolPage 对象会开启 4096字节（4kb）内存（4kb 对齐的原因，虚拟内存每个扇区 4096 字节）。
depth 表示链表深度，即节点个数。
id *next 指针作为游标指向当前页栈顶（即最新加入的 autorelease 对象的下一个位置）。

单个 AutoreleasePoolpage 的结构如下：

objc_autoreleasePoolPush()

每个 AutoreleasePoolPage 对象会开启 4096字节（4kb）内存，除了自身实例变量所占空间，剩下的空间全部拿来存储 autorelease 对象的地址。

每当进行一次 objc_autoreleasePoolPush 调用时，runtime 都会向当前的 AutoreleasePoolPage 中添加一个哨兵对象，值为 nil，

哨兵对象的定义为：

#   define POOL_BOUNDARY nil

注：图中的 obj1、obj2 表示 AutoreleasePoolPage 自身除了 autorelease 对象的实例。

到这里会有个疑问：为什么需要插入一个哨兵对象？放到后面解释。

添加完哨兵对象后，将 next 指针指向下一个添加 Autorelease 对象的位置。当当前 AutoreleasePoolPage 满了，开启一个新的 AutoreleasePoolPage，并更新 child 和 parent 指针，以组成双向链表。

objc_autoreleasePoolPop()

objc_autoreleasePoolPush 会有个返回值，这个返回值正是前面提到的哨兵对象。objc_autoreleasePoolPop() 调用时会把哨兵对象作为入参。之后根据传入的哨兵对象地址找到哨兵对象对应的 AutoreleasePoolPage；在当前 page 中，对所有晚于哨兵对象插入的 Autorelease 对象发送 release 消息，到哨兵对象后，销毁当前 page；再根据 parent 向前继续进行 pop，知道第一个哨兵对象所在 page 释放完成。

关于 AutoreleasePool 的几个问题

AutoreleasePool 是怎么释放的？

第一种是 main.m 里的 AutoreleasePool。

App 启动后，苹果在主线程 RunLoop 里注册了两个 Observer，其回调都是 _wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler()。

第一个 Observer 监视的事件是 Entry(即将进入 Loop)，其回调内会调用 _objc_autoreleasePoolPush() 创建自动释放池。其 order 是 -2147483647，优先级最高，保证创建释放池发生在其他所有回调之前。

第二个 Observer 监视了两个事件：BeforeWaiting(准备进入休眠) 时调用 _objc_autoreleasePoolPop() 和 _objc_autoreleasePoolPush() 释放旧的池并创建新池；Exit(即将退出Loop) 时调用 _objc_autoreleasePoolPop() 来释放自动释放池。这个 Observer 的 order 是 2147483647，优先级最低，保证其释放池子发生在其他所有回调之后。

第二种是手动创建的局部 AutoreleasePool。

根据当前 loop 的情况，进行创建和释放。

什么对象会加入 autoreleasePool?

alloc/new/copy/mutableCopy等持有对象的方法，不会加入 autoreleasePool；其他不持有对象的方法通过 objc_autoreleaseReturnValue 和 objc_retainAutoreleasedReturnValue 来判断是否需要加入 autoreleasePool，这是编译器的优化。

// 自己生成并持有对象，不需要加入 autoreleasePool
id object = [[NSObject alloc] init];    
// MRC：不是自己生成并且不持有对象，需要加入autoreleasePool
id object2 = [NSMutableArray array];
// MRC：不是自己生成，但持有对象，不需要加入autoreleasePool
id object3 = [NSMutableArray array];
[object3 retain];

iOS5 及之前的编译器，关键字 __weak 修饰的对象，会自动加入 autoreleasePool；iOS5 及之后的编译器，则直接调用的 release，不会加入 autoreleasePool。
id 指针(id *)和对象指针（NSError **），会自动加上关键字 __autorealeasing，加入 autoreleasePool。