iOS内存管理 —— 自动释放池和runloop

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本文详细探讨了iOS中的自动释放池和Runloop。自动释放池是一种内存回收机制，延迟对象释放，直到runloop结束。文章分析了其底层实现，包括AutoreleasePoolPage的结构和对象入池条件。Runloop是线程事件处理循环，负责调度工作并协调事件。文中解释了runloop的工作原理，包括不同事件的处理和线程绑定。通过对源码的分析，揭示了自动释放池和runloop的运行机制。

iOS内存管理 —— 自动释放池和runloop

1. 自动释放池

1.1 自动释放池介绍

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，即当我们创建了一个对象，并把他加入到了自动释放池中时，他不会立即被释放，会等到一次runloop结束或者作用域超出autoreleasepool{}之后再被释放

1.2 自动释放池底层原理

要探究自动释放池的底层结构，那么就要用clang或者xcrun将代码转换成cpp文件。
转化完之后可以看到，@autoreleasepool{}变成了{__AtAutoreleasePool __autoreleasepool; }
在这里插入图片描述
在生成的cpp文件中搜索__AtAutoreleasePool，发现其是一个结构体，那么也就相当于，@autoreleasepool{}调用了__AtAutoreleasePool的构造和析构函数：objc_autoreleasePoolPush()和 objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);
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下断点后发现objc_autoreleasePoolPush在objc源码中，接下来就去源码中探索。
在这里插入图片描述

objc_autoreleasePoolPush

这里可以看到objc_autoreleasePoolPush和objc_autoreleasePoolPop分别调用了AutoreleasePoolPage::push();和AutoreleasePoolPage::pop(ctxt);。那么这里的AutoreleasePoolPage是什么呢？
在这里插入图片描述
点进来看到AutoreleasePoolPage继承自AutoreleasePoolPageData，并且可以从注释这里看到，自动释放池和线程有一定的关系，而且是栈结构存储，里面储存着指针。每个指针指向要释放的对象或者是POOL_BOUNDARY,也就是自动释放池的边界。自动释放池是一个类，进行不断的压栈对象，意味着会不断进栈和出栈，但是这里不能无限制的出栈。如果一直不断的出栈，那么指针就会不断的平移和kill，如果没有边界的话，那么就会破坏别人的内存，之后如果访问被破坏的对象就会造成野指针的问题。这里还可以看到自动释放池是一个doubly—linkes list of pages，也就是双向链表。
![在这里插入图片描
再来看AutoreleasePoolPageData，看到这里的一些属性和构造函数。
在这里插入图片描述

  • magic： 用来校验 AutoreleasePoolPage 的结构是否完整;
  • next： 指向最新添加的 autoreleased 对象的下一个位置，初始化时指向
    begin() ;
  • thread： 指向当前线程;
  • parent： 指向父结点，第一个结点的 parent 值为 nil ;
  • child： 指向子结点，最后一个结点的 child 值为 nil ;
  • depth： 代表深度，从 0 开始，往后递增 1;
  • hiwat： 代表 high water mark 最大入栈数量标记

接下来探索autoreleasepool的压栈情况，将build settings的 automatic reference counting设为No。
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创建一个nsobject对象并调用autorelease，引入并调用_objc_autoreleasePoolPrint方法后运行。
在这里插入图片描述
运行后得到下面的的打印。这里的对象一个为哨兵对象，一个为自己添加的NSObject对象。
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接下来看objc_autoreleasePoolPush。这里会走到autoreleaseFast里面。
在这里插入图片描述
看到autoreleaseFast,这里会进行判断。

  • 如果page存在并且没有满，那么调用page->add添加这个对象到page里面，
  • 如果page存在但是page满了，那么调用autoreleaseFullPage.
  • 如果page不存在则调用autoreleaseNoPage。
    那么第一次来的话，就会调用autoreleaseNoPage。
autoreleaseNoPage

在这里插入图片描述
看到autoreleaseNoPage。这里主要是进行AutoreleasePoolPage的创建，然后将当前页面设为hotpage，添加哨兵对象，最后添加要添加的对象。
在这里插入图片描述
看到AutoreleasePoolPage的构造函数，这里会调用AutoreleasePoolPageData的构造函数来进行属性的初始化。然后如果下面判断如果parent存在，那么就将parent的child设为自己。这里可以看到外面传的是nil，所以parent是不存在的。
在这里插入图片描述
这里还有调用begin,到begin里面打下断点后运行。
在这里插入图片描述
这里看到this是AutoreleasePoolPage，并且大小为56。
在这里插入图片描述
再看到AutoreleasePoolPage的结构，发现大小确实为56。
在这里插入图片描述
这里结构体创建是占用堆区内存，static修饰的在全局区不占堆区内存。这里一个uint32_t 4个字节，4个uint32_t就是16个字节。
在这里插入图片描述
也就是说，这里从成员变量之下开始插入。结构如下：
在这里插入图片描述
这里的56就是结构体的大小，之后0x10480a038是哨兵对象，然后就是自己添加的要销毁的对象。
在这里插入图片描述

AutoreleasePoolPageData里面还调用了objc_thread_self,这里调用tls_get_direct获取当前线程。
在这里插入图片描述

autoreleaseFullPage

接下来看到当autoreleasePage满的情况下，调用的autoreleaseFullPage。
这里递归找到最后一个子页面，然后创建新的页面，并且把新的页面设为HotPage，最后添加要添加的释放对象。
在这里插入图片描述
形成了如下的结构，分页是因为这里会不断的出栈入栈，对内存操作非常频繁，如果只有一个页面，那么所有的对象都在这一个页面里面，那么操作就会变得繁杂，管理变得不便。并且如果这里局部发生问题，那么就会影响整个页面。而如果是分页的话，就只会影响局部的页面。并且，分页不需要在内存上连续。
在这里插入图片描述
那么这里什么时候会满呢。这里for循环504次，看到这里页面有个标签full。
在这里插入图片描述
这里调整为505后，发现分页了。并且可以看到第二页这里是没有哨兵对象了的。所以这里可以看出，其实一页可以存505个对象的，但是由于第一页多了一个哨兵对象，所以只能存504个对象。所以页的大小为505 * 8 + 56 = 4096，也就是4k。
在这里插入图片描述

page->add

这里主要做的就是通过内存平移储存objc。
在这里插入图片描述

objc_autoreleasePoolPop

这里会判断hotpage是否存在,然后对页面进行移动，调整，然后调用popPage移除。
在这里插入图片描述
popPage会拿到parent页面,将当前页面删除之后将parent页面设为HotPage
在这里插入图片描述
page->kill 里面会删除page。
在这里插入图片描述

1.3 自动释放池能否嵌套使用

这里嵌套之后运行，发现可以正常运行，里面嵌套的自动释放池被添加到外层的自动释放池里面，并且在作用域结束之后被释放了。
在这里插入图片描述

1.4 自动释放池的入池条件

MRC情况下

这里可以看到，在MRC情况下，如果对象没有调用 autorelease方法，是不会被添加到自动释放池里面的。
在这里插入图片描述

ARC情况下

这里可以看到，在ARC情况下，如果对象调用 alloc方法，是不会被添加到自动释放池里面的。其实在ARC里面，以alloc，new，copy，mutablecopy命名生成的对象是不会被添加到自动释放池里面的。

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

2. Runloop

2.1 Runloop 介绍

RunLoop称为事件处理循环,是线程相关的基础框架的一部分,用于安排工作和协调接收传入事件。应用在运行过程中会产生大量的系统和用户事件,包括定时器事件,用户交互事件(鼠标键盘触控板操作),模态窗口事件,各种系统Source事件,应用自定义的Source事件等等,每种事件都会存储到不同的FIFO先进先出的队列,等待事件循环依次处理。RunLoop的目的是在有工作要做的时候让线程保持忙碌，在没有工作的时候让线程休眠。

  • block应用:CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_BLOCK
  • 调用timer:CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_TIMER_CALLBACK_FUNCTION
  • 响应source0: CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION
  • 响应source1: CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE1_PERFORM_FUNCTION
  • GCD主队列:CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE
  • observer源: CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION

运行后在timer里面打断点，发现调用了__CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_TIMER_CALLBACK_FUNCTION__
在这里插入图片描述
普通do while 循环可以看到这里占用了15%左右的cpu。
在这里插入图片描述
而runloop则基本为0。
在这里插入图片描述

2.2 Runloop 底层分析

在底层搜索CFRunLoop，看到这里会调用CFRunLoopGetCurrent
在这里插入图片描述
这里会尝试去或者runloop，如果没有，则会从当前线程获取。
在这里插入图片描述
这里如果t==0，那么代表着是主线程，那么就会调用pthread_main_thread_np获取主线程。后面还会创建一个可变字典，然后调用__CFRunLoopCreate创建runloop，再把主线程和创建的runloop放到创建的字典里面。
在这里插入图片描述
如果不是主线程，则进行一样的操作，只是线程变成了当前线程。
在这里插入图片描述
也就是说线程和runloop会有绑定关系：
在这里插入图片描述

接下来看__CFRunLoopCreate，这里可以在下面副赋值看到CFRunLoopRef的成员变量。
在这里插入图片描述
点击属性，看到了整个结构体。这里可以知道，CFRunLoop是一个结构体，里面有很多属性，看到这里_commonModes和_commonModeItems都是集合类型。
在这里插入图片描述
而平时往RunLoop添加事务的话，就会指定一个mode，而这个mode在添加别的事务的时候也能使用，那么也就是说，mode和事务是一对多的关系。
在这里插入图片描述
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RunLoopMode结构体：
在这里插入图片描述
事务分三种类型，分别是：

  • Source
  • Observer
  • Timer
    在这里插入图片描述
    那么事务是如何依赖mode运行的呢？在源码中搜索addTimer，发现在__CFRunLoopAddItemsToCommonMode里面有调用CFRunLoopAddTimer，同时发现了这里也证明了事务分三种类型。
    在这里插入图片描述
    接下来查看CFRunLoopAddTimer，看这里是commonModes 下的情况。这里会获取Runloop里面的_commonModes集合，然后判断Runloop里面的事务(_commonModeItems)是否为空，为空的话就重新创建一个set复制给Runloop的_commonModeItems，不为空则直接加到_commonModeItems集合里面。
    在这里插入图片描述
    这里只是添加timer，那么在那里运行timer呢？看到CFRunLoopRun里面调用了CFRunLoopRunSpecific。
    在这里插入图片描述
    CFRunLoopRunSpecific里面调用了__CFRunLoopRun，并且在前后进行了状态改变的通知。
    在这里插入图片描述
    __CFRunLoopRun里面调用了__CFRunLoopDoTimers。
    在这里插入图片描述
    __CFRunLoopDoTimers里面会遍历Runloop里面的timers，然后将符合条件的timer加入到timers里面，遍历完之后，遍历timers，然后执行timers里面的timer，也就是调用__CFRunLoopDoTimer。
    在这里插入图片描述
    之后__CFRunLoopDoTimer里面就会调用__CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_TIMER_CALLBACK_FUNCTION__触发回调。
    在这里插入图片描述
    所以这里的流程是：
  • CFRunLoopAddTimer
  • CFRunLoopRun
  • CFRunLoopRunSpecific
  • __CFRunLoopRun
  • __CFRunLoopDoTimers
  • __CFRunLoopDoTimer
  • __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_TIMER_CALLBACK_FUNCTION__

2.3 Runloop的原理

继续看到CFRunLoopRun,这里参数传了一个1.0e10也就是1* 10^10作为超时时间。
在这里插入图片描述
之前看到调用__CFRunLoopRun的时候就看到有两个状态的通知。
在这里插入图片描述
点进去看除了kCFRunLoopEntry 和 kCFRunLoopExit 还有其他的状态。其中kCFRunLoopBeforeWaiting和kCFRunLoopAfterWaiting使用的最经常，代表着休眠之前和休眠之后。
在这里插入图片描述
接着看__CFRunLoopRun。 这里面用seconds进行了timeout_context的标记,然后创建了一个GCD Source的Timer，然后设置超时回调。
在这里插入图片描述
往下走看到了一个doWhile循环，Runloop大部分的事务都是在这个doWhile循环里面处理的。

在这里插入图片描述

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缩略代码：
在这里插入图片描述

//核心函数
/* rl, rlm are locked on entrance and exit */
static int32_t __CFRunLoopRun(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopModeRef rlm, CFTimeInterval seconds, Boolean stopAfterHandle, CFRunLoopModeRef previousMode){
    
    //通过GCD开启一个定时器，然后开始跑圈
    dispatch_source_t timeout_timer = NULL;
    ...
    dispatch_resume(timeout_timer);
    
    int32_t retVal = 0;
    
    //处理事务,即处理items
    do {
        
        // 通知 Observers: 即将处理timer事件
        __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopBeforeTimers);
        
        // 通知 Observers: 即将处理Source事件
        __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopBeforeSources)
        
        // 处理Blocks
        __CFRunLoopDoBlocks(rl, rlm);
        
        // 处理sources0
        Boolean sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSources0(rl, rlm, stopAfterHandle);
        
        // 处理sources0返回为YES
        if (sourceHandledThisLoop) {
            // 处理Blocks
            __CFRunLoopDoBlocks(rl, rlm);
        }
        
        // 判断有无端口消息(Source1)
        if (__CFRunLoopWaitForMultipleObjects(NULL, &dispatchPort, 0, 0, &livePort, NULL)) {
            // 处理消息
            goto handle_msg;
        }
        
        
        // 通知 Observers: 即将进入休眠
        __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopBeforeWaiting);
        __CFRunLoopSetSleeping(rl);
        
        // 等待被唤醒
        __CFRunLoopServiceMachPort(waitSet, &msg, sizeof(msg_buffer), &livePort, poll ? 0 : TIMEOUT_INFINITY);
        
        // user callouts now OK again
        __CFRunLoopUnsetSleeping(rl);
        
        // 通知 Observers: 被唤醒，结束休眠
        __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopAfterWaiting);
        
        
    handle_msg:
        if (被timer唤醒) {
            // 处理Timers
            __CFRunLoopDoTimers(rl, rlm, mach_absolute_time())；
        }else if (被GCD唤醒){
            // 处理gcd
            __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__(msg);
        }else if (被source1唤醒){
            // 被Source1唤醒，处理Source1
            __CFRunLoopDoSource1(rl, rlm, rls, msg, msg->msgh_size, &reply)
        }
        
        // 处理block
        __CFRunLoopDoBlocks(rl, rlm);
        
        if (sourceHandledThisLoop && stopAfterHandle) {
            retVal = kCFRunLoopRunHandledSource;//处理源
        } else if (timeout_context->termTSR < mach_absolute_time()) {
            retVal = kCFRunLoopRunTimedOut;//超时
        } else if (__CFRunLoopIsStopped(rl)) {
            __CFRunLoopUnsetStopped(rl);
            retVal = kCFRunLoopRunStopped;//停止
        } else if (rlm->_stopped) {
            rlm->_stopped = false;
            retVal = kCFRunLoopRunStopped;//停止
        } else if (__CFRunLoopModeIsEmpty(rl, rlm, previousMode)) {
            retVal = kCFRunLoopRunFinished;//结束
        }
        
        
        
    }while (0 == retVal);
    
    return retVal;
}

流程图：
在这里插入图片描述

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