Autoreleasepool

AutoreleasePool（自动释放池）是OC中的一种内存自动回收机制，它可以延迟加入AutoreleasePool中的变量release的时机。

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

Autoreleasepool结构

编译器会把@autoreleasepool{}改写成:

struct __AtAutoreleasePool {
    //构造函数-->可以类比成OC的init方法，在创建时调用
  __AtAutoreleasePool()
    {
        atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();
    }

    //析构函数-->可以类比成OC的dealloc方法，在销毁时调用
  ~__AtAutoreleasePool()
    {
        objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);
    }

  void * atautoreleasepoolobj;
};



void *ctx = objc_autoreleasePoolPush();
{}中代码
objc_autoreleasePoolPop(ctx);


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

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

从上述代码可以知道Push,Pop都是操作 AutoreleasePoolPage的

单层@autoreleasepool {}的情况，那么如果有多层@autoreleasepool {}嵌套在一起，就可以按照同样的规则来拆解

img

AutoreleasePoolPage 结构

class AutoreleasePoolPage {
    magic_t const magic;    //用于对当前 AutoreleasePoolPage 完整性的校验
    id *next;    //指向AutoreleasePoolPage内下一个可以用来存放自动释放对象的内存地址
    pthread_t const thread;        //thread 保存了当前页所在的线程,自动释放池所属的线程，说明它不能跟多个线程关联。
    AutoreleasePoolPage * const parent; //指向上一页释放池的指针
    AutoreleasePoolPage *child;    //指向下一页释放池的指针
    uint32_t const depth;
    uint32_t hiwat;
};

AutoreleasePoolPage的begin()和end()

每一个自动释放池都是由一系列的 AutoreleasePoolPage 组成的，并且每一个 AutoreleasePoolPage 的大小都是 4096 字节

  • AutoreleasePool并没有特定的内存结构，它是通过以AutoreleasePoolPage为节点的双向链表。
  • 每一个AutoreleasePoolPage节点是一个堆栈结，且大小为4096个字节。
  • 一个AutoreleasePoolPage节点对应着一个线程，属于一一对应关系。

AutoreleasePool结构如图所示：

AutoreleasePoolPage结构示意图

双向链表

自动释放池中的 AutoreleasePoolPage 是以双向链表的形式连接起来的：

parent 和 child 就是用来构造双向链表的指针。

接着我们看一下AutoreleasePoolPage的构造函数以及一些操作方法：

    //构造函数
    AutoreleasePoolPage(AutoreleasePoolPage *newParent) 
        : magic(), next(begin()), thread(pthread_self()),
          parent(newParent), child(nil), 
          depth(parent ? 1+parent->depth : 0), 
          hiwat(parent ? parent->hiwat : 0)
    { 
        if (parent) {
            parent->check();
            assert(!parent->child);
            parent->unprotect();
            parent->child = this;
            parent->protect();
        }
        protect();
    }

    //相关操作方法
    id * begin() {
        return (id *) ((uint8_t *)this+sizeof(*this));
    }

    id * end() {
        return (id *) ((uint8_t *)this+SIZE);
    }

    bool empty() {
        return next == begin();
    }

    bool full() { 
        return next == end();
    }

    bool lessThanHalfFull() {
        return (next - begin() < (end() - begin()) / 2);
    }

    id *add(id obj)
    {
        assert(!full());
        unprotect();
        id *ret = next;  // faster than `return next-1` because of aliasing
        *next++ = obj;
        protect();
        return ret;
    }
  • begin() 表示了一个AutoreleasePoolPage节点开始存autorelease对象的位置。
  • end() 一个AutoreleasePoolPage节点最大的位置
  • empty() 如果next指向beigin()说明为空
  • full() 如果next指向end)说明满了
  • id *add(id obj) 添加一个autorelease对象，next指向下一个存对象的地址。

所以一个空的AutoreleasePoolPage的结构如下：

AutoreleasePoolPage

AutoreleasePoolPage::push()

push代码如下：

    static inline void *push() 
    {
        id *dest;
        if (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;
    }

push执行的时候首先会进行判断，如果是需要每个pool都生成一个新page，即DebugPoolAllocation为YES，则执行autoreleaseNewPage方法，否则执行autoreleaseFast方法。

autoreleaseNewPage

autoreleaseNewPage分为两种情况：

  1. 当前存在page执行autoreleaseFullPage方法；
  2. 当前不存在pageautoreleaseNoPage方法。

autoreleaseFast

autoreleaseFast分为三种情况：

  1. 存在page且未满，通过add()方法进行添加；
  2. 当前page已满执行autoreleaseFullPage方法；
  3. 当前不存在page执行autoreleaseNoPage方法。

hotPage

前面讲到的page其实就是hotPage，通过AutoreleasePoolPage *page = hotPage();获取。

    static inline AutoreleasePoolPage *hotPage() 
    {
        AutoreleasePoolPage *result = (AutoreleasePoolPage *)
            tls_get_direct(key);
        if ((id *)result == EMPTY_POOL_PLACEHOLDER) return nil;
        if (result) result->fastcheck();
        return result;
    }

通过上面的代码我们知道当前页是存在TLS（线程私有数据）里面的。所以说第一次调用push的时候，没有page自然连hotPage也没有。

autoreleaseFullPage

static __attribute__((noinline))
    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);
    }

autoreleaseFullPage会从传入的page开始遍历整个双向链表，如果page满了，就看它的child节点，直到查找到一个未满的AutoreleasePoolPage。接着使用AutoreleasePoolPage构造函数传入parent创建一个新的AutoreleasePoolPage的节点（此时跳出了while循环）。

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add()方法添加对象。

autoreleaseNoPage

static __attribute__((noinline))
    id *autoreleaseNoPage(id obj)
    {
        //"no page"意味着没有没有池子被push或者说push了一个空的池子
        assert(!hotPage());

        bool pushExtraBoundary = false;
        if (haveEmptyPoolPlaceholder()) {//push了一个空的池子
            pushExtraBoundary = true;
        }
        else if (obj != POOL_BOUNDARY  &&  DebugMissingPools) {
            _objc_inform("MISSING POOLS: (%p) Object %p of class %s "
                         "autoreleased with no pool in place - "
                         "just leaking - break on "
                         "objc_autoreleaseNoPool() to debug", 
                         pthread_self(), (void*)obj, object_getClassName(obj));
            objc_autoreleaseNoPool(obj);
            return nil;
        }
        else if (obj == POOL_BOUNDARY  &&  !DebugPoolAllocation) {
            //没有池子被push
            return setEmptyPoolPlaceholder();
        }

        AutoreleasePoolPage *page = new AutoreleasePoolPage(nil);
        setHotPage(page);

        if (pushExtraBoundary) {
            //push了一个空的池子，添加哨兵对象
            page->add(POOL_BOUNDARY);
        }

        return page->add(obj);
    }

    //haveEmptyPoolPlaceholder的本质
        static inline bool haveEmptyPoolPlaceholder()
    {
        id *tls = (id *)tls_get_direct(key);
        return (tls == EMPTY_POOL_PLACEHOLDER);
    }

从上面的代码我们可以知道，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_BOUNDARY的标记，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。

autorelease方法

接着看一下当对象调用autorelase方法发生了什么。

- (id)autorelease {
    return ((id)self)->rootAutorelease();
}

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;
}

从上面的源码我们看到，对象调用autorelase方法，最后会变成AutoreleasePoolPage的autorelease函数。AutoreleasePoolPage的autorelease的本质就是调用autoreleaseFast(obj)函数。只不过push操作插入的是一个POOL_BOUNDARY ，而autorelease操作插入的是一个具体的autoreleased对象即AutoreleasePoolPage入栈操作。

当然这么说并不严谨，因为我们需要考虑是否是Tagged Pointer和是否进行优化的情况（prepareOptimizedReturn这个后面也会提到），如果不满足这两个条件才会进入缓存池。

所以push的流程是：

AutoreleasePoolPush流程

AutoreleasePoolPage::pop(ctxt)

    static inline void pop(void *token) 
    {
        AutoreleasePoolPage *page;
        id *stop;

        //第一种情况：autoreleasepool首次push的时候返回的，也就是最顶层的page执行pop会执行这一部分
        if (token == (void*)EMPTY_POOL_PLACEHOLDER) {
            // Popping the top-level placeholder pool.
            if (hotPage()) {
                // Pool was used. Pop its contents normally.
                // Pool pages remain allocated for re-use as usual.
                pop(coldPage()->begin());
            } else {
                // Pool was never used. Clear the placeholder.
                setHotPage(nil);
            }
            return;
        }

        page = pageForPointer(token);

        //https://stackoverflow.com/questions/24952549/does-nsthread-create-autoreleasepool-automatically-now
        //第二种情况：在非ARC的情况下，在新创建的线程中不使用autoreleasepool，直接调用autorelease方法时会出现这个情况。此时没有pool，直接进行autorelease。
        stop = (id *)token;
        if (*stop != POOL_BOUNDARY) {
            if (stop == page->begin()  &&  !page->parent) {
                // Start of coldest page may correctly not be POOL_BOUNDARY:
                // 1. top-level pool is popped, leaving the cold page in place
                // 2. an object is autoreleased with no pool
            } else {
                // Error. For bincompat purposes this is not 
                // fatal in executables built with old SDKs.
                return badPop(token);
            }
        }

        if (PrintPoolHiwat) printHiwat();
        //第三种情况：也就是我们经常碰到的情况
        page->releaseUntil(stop);

        // memory: delete empty children
        if (DebugPoolAllocation  &&  page->empty()) {
            // special case: delete everything during page-per-pool debugging
            AutoreleasePoolPage *parent = page->parent;
            page->kill();
            setHotPage(parent);
        } else if (DebugMissingPools  &&  page->empty()  &&  !page->parent) {
            // special case: delete everything for pop(top) 
            // when debugging missing autorelease pools
            page->kill();
            setHotPage(nil);
        } 
        else if (page->child) {
            // hysteresis: keep one empty child if page is more than half full
            if (page->lessThanHalfFull()) {
                page->child->kill();
            }
            else if (page->child->child) {
                page->child->child->kill();
            }
        }
    }

这里我们主要分析下第三种情况。

releaseUntil

void releaseUntil(id *stop) {
    while (this->next != stop) {
        AutoreleasePoolPage *page = hotPage();

        while (page->empty()) {
            page = page->parent;
            setHotPage(page);
        }

        page->unprotect();
        id obj = *--page->next;
        memset((void*)page->next, SCRIBBLE, sizeof(*page->next));
        page->protect();

        if (obj != POOL_BOUNDARY) {
            objc_release(obj);
        }
    }

    setHotPage(this);
}

从next指针开始，一个一个向前调用objc_release，直到碰到push时压入的pool为止。

所以autoreleasePool的运行过程应该是：

pool1 = push()
...
    pool2 = push()
    ...
        pool3 = push()
        ...
        pop(pool3)
    ...
    pop(pool2)
...
pop(pool1)

每次pop，实际上都会把最近一次push之后添加进去的对象全部release掉。

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：

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：

image-20190324220807472

POOL_SENTINEL（哨兵对象）

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

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);
   }
}

底层转化为如上代码

hotPage 可以理解为当前正在使用的 AutoreleasePoolPage。

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

  • 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

objc_autoreleasePoolPop

作用如上图

栈中存放的指针指向加入需要release的对象或者POOL_SENTINEL（哨兵对象，用于分隔Autoreleasepool）。 栈中指向POOL_SENTINEL的指针就是Autoreleasepool的一个标记。当Autoreleasepool进行出栈操作，每一个比这个哨兵对象后进栈的对象都会release。

image-20190324222842393

Runloop 与 Autoreleasepool 创建

每一个线程都会维护自己的autoreleasePool堆栈，也就是说每一个autoreleasePool对应一个线程。

@autoreleasepool{}的作用，实际上就是在作用域的头和尾分别调用了objc_autoreleasePoolPush();和objc_autoreleasePoolPop()函数

每个Runloop中都会创建一个 AutoReleasepool 并在 Runloop迭代结束进行释放。何为 迭代结束？当前Runloop 进入 Sleep mode的时候,就结束当前 Runloop迭代.新的一轮Runloop创建一个新的 AutoReleasepool, Pool里面的临时对象在结束后得到释放(不一定即时,也有可能延后,系统决定)

Runloop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。

总结

1.子线程在使用autorelease对象时，如果没有autoreleasepool会在autoreleaseNoPage中懒加载一个出来。

2.在runloop的run:beforeDate，以及一些source的callback中，有autoreleasepool的push和pop操作，总结就是系统在很多地方都差不多autorelease的管理操作。

3.就算插入没有pop也没关系，在线程exit的时候会释放资源，执行AutoreleasePoolPage::tls_dealloc，在这里面会清空autoreleasepool。

手动@autoreleasepool 与 嵌套

嵌套autorelesepool很好解释,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。

手动autoreleasepool,如下文参考2例子,可以得知这个for循环中，每一次循环会清理掉一次内存,因为完全执行完 for循环才会，runloop才会进行休眠，如果说是按照系统的autoreleasepool来说，应该是休眠前才释放，但是，文中demo内存并没有显示出循环中内存暴涨，这也说明了，手动autorelesepool 不是在内存峰值时候释放

Reference

1.自动释放池的前世今生 ---- 深入解析 autoreleasepool

2. 解密Runloop

3. 在ARC环境中autoreleasepool(runloop)的研究

4. 黑幕背后的Autorelease

5. iOS RunLoop详解

6.深入了解Runloop

7.带着问题看源码----子线程AutoRelease对象何时释放

8.AutoreleasePool的实现

内存管理剖析（四）——autorelease原理分析经历过MRC时代的开发者，肯定都用过autorelease方法，用于 - 掘金 (juejin.cn)

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