@autoreleasePool 自动释放池

最新推荐文章于 2024-08-06 21:36:28 发布

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本文详细解析了@autoreleasepool在Objective-C中的工作机制，包括其在MRC和ARC环境下的使用方式、AutoreleasePoolPage的工作原理以及自动释放池如何管理内存。此外还介绍了如何优化autorelease返回值的快速释放机制。

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@autoreleasepool 自动释放池

引言

在主程序运行时，会看到以下的代码：

int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        return UIApplicationMain(argc, argv, @"XUIApplication", NSStringFromClass([AppDelegate class]));
    }
}

那么@autoreleasepool 究竟做了什么呢？

自动释放池的主要工作

在MRC时代，如果不知道一个对象什么时候释放，可以在初始化时加上autorelease，如：

NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
NSString* str = [[[NSString alloc] initWithString:@"tutuge"] autorelease];
//use str...
[pool release];

也就是说，在创建时，可以给对象发送自动释放的消息，当NSAutoreleasePool结束时，标记过“autorelease”的对象就会被release。

在ARC时代，我们不用手动的发送autoRelease消息，ARC会自动的帮我们加上这些，而这时候，@autoreleasepool做的事情，就和NSAutoreleasePool一样，自动的释放池中的对象。

`@autoreleasepool`原理

AutoreleasePoolPage
magic_t const magic;
id *next;
pthread_t const thread;
AutoreleasePoolPage * const parent;
AutoreleasePoolPage * child;
uint32_t const depth;
uint32_t hiwat;

在ARC下，我们使用@autoreleasepool{}来创建自动释放池，随后编译器将其改写成：

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

这两个类都是对AutoreleasePoolPage的简单封装。所以自动释放机制的核心在这个类。
- AutoreleasePoolPage没有单独的结构，室友若干个AutoreleasePoolPage以双向链表的形式组合而成的。
- AutoreleasePool是按线程一一对应的。
- AutoreleasePoolPage每个对象会开辟4096字节内存（虚拟内存一页的大小）。除了上面的实力变量所占空间，剩下的空间全部用来储存autorelease对象的地址。
- AutoReleasePoolPage存有栈顶的下一个autorelease对象的下一个位置。
- 当一个AutoReleasePoolPage被沾满时，会新建一个对象，连接链表，后面的autorelease对象在新的page中加入。新page的next指针被初始化在栈底，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的AutoReleasePoolPage的栈顶next指针指向的位置。

调用释放池`push`

每当执行一次objc_autoreleasePoolPush调用时，runtime向当前的AutoreleasePoolPage中add进一个哨兵对象，值为0。
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。

以下内容由于不理解，暂时先粘贴在此处

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。

黑魔法之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 *);

说它是黑魔法可能被懂pthread的笑话- -

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。

于是问题又来了，假如被调方和主调方只有一边是ARC环境编译的该咋办？（比如我们在ARC环境下用了非ARC编译的第三方库，或者反之）
只能动用更高级的黑魔法。

黑魔法之__builtin_return_address

这个内建函数原型是

char *__builtin_return_address(int level)

作用是得到函数的返回地址，参数表示层数，如__builtin_return_address(0)表示当前函数体返回地址，传1是调用这个函数的外层函数的返回值地址，以此类推。

- (int)foo {
    NSLog(@"%p", __builtin_return_address(0)); // 根据这个地址能找到下面ret的地址
    return 1;
}
// caller
int ret = [sark foo];

看上去也没啥厉害的，不过要知道，函数的返回值地址，也就对应着调用者结束这次调用的地址（或者相差某个固定的偏移量，根据编译器决定）
也就是说，被调用的函数也有翻身做地主的机会了，可以反过来对主调方干点坏事。
回到上面的问题，如果一个函数返回前知道调用方是ARC还是非ARC，就有机会对于不同情况做不同的处理

黑魔法之反查汇编指令

通过上面的__builtin_return_address加某些偏移量，被调方可以定位到主调方在返回值后面的汇编指令：

// caller
int ret = [sark foo];
// 内存中接下来的汇编指令（x86，我不懂汇编，瞎写的）
movq ??? ???
callq ???

而这些汇编指令在内存中的值是固定的，比如movq对应着0x48。
于是乎，就有了下面的这个函数，入参是调用方__builtin_return_address传入值

static bool callerAcceptsFastAutorelease(const void * const ra0) {
    const uint8_t *ra1 = (const uint8_t *)ra0;
    const uint16_t *ra2;
    const uint32_t *ra4 = (const uint32_t *)ra1;
    const void **sym;
    // 48 89 c7    movq  %rax,%rdi
    // e8          callq symbol
    if (*ra4 != 0xe8c78948) {
        return false;
    }
    ra1 += (long)*(const int32_t *)(ra1 + 4) + 8l;
    ra2 = (const uint16_t *)ra1;
    // ff 25       jmpq *symbol@DYLDMAGIC(%rip)
    if (*ra2 != 0x25ff) {
        return false;
    }
    ra1 += 6l + (long)*(const int32_t *)(ra1 + 2);
    sym = (const void **)ra1;
    if (*sym != objc_retainAutoreleasedReturnValue)
    {
        return false;
    }
    return true;
}

它检验了主调方在返回值之后是否紧接着调用了objc_retainAutoreleasedReturnValue，如果是，就知道了外部是ARC环境，反之就走没被优化的老逻辑。

其他`Autorelease`相关知识点

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。

看不懂的部分完

添加`@autoreleasepool`的场景

在基于命令行的程序，即没有UI框架，比如AppKit等Cocoa框架。
在写循环时，循环中包含了大量的临时创建的对象。
创建了新的线程
长时间在后台运行的任务

参考
@autoreleasepool的Apple文档