[iOS] 自动释放池的前世今生
BriJobe
8年前
<p>由于 Objective-C 中的内存管理是一个比较大的话题，所以会分为两篇文章来对内存管理中的一些机制进行剖析，一部分分析自动释放池以及 autorelease 方法，另一部分分析 retain 、 release 方法的实现以及自动引用计数。</p> <h2>写在前面</h2> <p>这篇文章会在源代码层面介绍 Objective-C 中自动释放池，以及方法的 autorelease 的具体实现。</p> <h2>从 main 函数开始</h2> <p>main 函数可以说是在整个 iOS 开发中非常不起眼的一个函数，它很好地隐藏在 Supporting Files 文件夹中，却是整个 iOS 应用的入口。 <img src="https://simg.open-open.com/show/a44c437760ccf319a1f106bf2aaae737.jpg"></p> <p>main.m 文件中的内容是这样的：</p> <pre> <code class="language-objectivec">int main(int argc, char * argv[]) { @autoreleasepool { return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class])); } } </code></pre> <p>在这个 @autoreleasepool block 中只包含了一行代码，这行代码将所有的事件、消息全部交给了 UIApplication 来处理，但是这不是本文关注的重点。</p> <p>需要注意的是： <strong>整个 iOS 的应用都是包含在一个自动释放池 block 中的</strong> 。</p> <h2>@autoreleasepool</h2> <p>@autoreleasepool 到底是什么？我们在命令行中使用 clang -rewrite-objc main.m 让编译器重新改写这个文件：</p> <pre> <code class="language-objectivec">$ clang -rewrite-objc main.m </code></pre> <p>在生成了一大堆警告之后，当前目录下多了一个 main.cpp 文件</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/bf855978be6f6977943ac09536108525.jpg"></p> <p>这里删除了 main 函数中其他无用的代码。</p> <p>在这个文件中，有一个非常奇怪的 __AtAutoreleasePool 的结构体，前面的注释写到 /* @autoreleasepopl */ 。也就是说 @autoreleasepool {} 被转换为：</p> <pre> <code class="language-objectivec">{ __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; } </code></pre> <p>在 main.cpp 中查找名为 __AtAutoreleasePool 的结构体：</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/e77aaab510a6d9998fc39f6a840d93db.jpg"></p> <pre> <code class="language-objectivec">struct __AtAutoreleasePool { __AtAutoreleasePool() {atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();} ~__AtAutoreleasePool() {objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);} void * atautoreleasepoolobj; }; </code></pre> <p>这个结构体会在初始化时调用 objc_autoreleasePoolPush() 方法，会在析构时调用 objc_autoreleasePoolPop 方法。</p> <p>这表明，我们的 main 函数其实是这样的：</p> <pre> <code class="language-objectivec">int main(int argc, const char * argv[]) { { void * atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush(); // do whatever you want objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj); } return 0; } </code></pre> <p>@autoreleasepool 只是帮助我们少写了这两行代码而已，让代码看起来更美观，然后要根据上述两个方法来分析自动释放池的实现。</p> <h2>AutoreleasePool 是什么</h2> <p>这一节开始分析方法 objc_autoreleasePoolPush 和 objc_autoreleasePoolPop 的实现：</p> <pre> <code class="language-objectivec">void *objc_autoreleasePoolPush(void) { return AutoreleasePoolPage::push(); } void objc_autoreleasePoolPop(void *ctxt) { AutoreleasePoolPage::pop(ctxt); } </code></pre> <p>上面的方法看上去是对 AutoreleasePoolPage 对应 <strong>静态方法</strong> push 和 pop 的封装。</p> <p>这一小节会按照下面的顺序逐步解析代码中的内容：</p> <ul> <li>AutoreleasePoolPage 的结构</li> <li>objc_autoreleasePoolPush 方法</li> <li>objc_autoreleasePoolPop 方法</li> </ul> <h3>AutoreleasePoolPage 的结构</h3> <p>AutoreleasePoolPage 是一个 C++ 中的类：</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/4a7dbcc10fe53a271b9b3789ed2a931f.png"></p> <p>它在 NSObject.mm 中的定义是这样的：</p> <pre> <code class="language-objectivec">class AutoreleasePoolPage { magic_t const magic; id *next; pthread_t const thread; AutoreleasePoolPage * const parent; AutoreleasePoolPage *child; uint32_t const depth; uint32_t hiwat; }; </code></pre> <ul> <li>magic 用于对当前 AutoreleasePoolPage <strong>完整性</strong> 的校验</li> <li>thread 保存了当前页所在的线程</li> </ul> <p>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（16 进制 0x1000）</p> <pre> <code class="language-objectivec">#define I386_PGBYTES 4096 #define PAGE_SIZE I386_PGBYTES </code></pre> <p>双向链表</p> <p>自动释放池中的 AutoreleasePoolPage 是以 <strong>双向链表</strong> 的形式连接起来的：</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/4a7dbcc10fe53a271b9b3789ed2a931f.png"></p> <p>parent 和 child 就是用来构造双向链表的指针。</p> <p>自动释放池中的栈</p> <p>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：</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/10cae3bdf91fae93d5c9cdbe58e28178.png"></p> <p>其中有 56 bit 用于存储 AutoreleasePoolPage 的成员变量，剩下的 0x100816038 ~ 0x100817000 都是用来存储 <strong>加入到自动释放池中的对象</strong> 。</p> <p>begin() 和 end() 这两个类的实例方法帮助我们快速获取 0x100816038 ~ 0x100817000 这一范围的边界地址。</p> <p>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 <strong>移动到下一个为空的内存地址中</strong> ：</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/6b547ec499b84e9868bdb0229b98c6e6.png"></p> <p>关于 hiwat 和 depth 在文章中并不会进行介绍，因为它们并不影响整个自动释放池的实现，也不在关键方法的调用栈中。</p> <p>POOL_SENTINEL（哨兵对象）</p> <p>到了这里，你可能想要知道 POOL_SENTINEL 到底是什么，还有它为什么在栈中。</p> <p>首先回答第一个问题： POOL_SENTINEL 只是 nil 的别名。</p> <pre> <code class="language-objectivec">#define POOL_SENTINEL nil </code></pre> <p>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。</p> <pre> <code class="language-objectivec">int main(int argc, const char * argv[]) { { void * atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush(); // do whatever you want objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj); } return 0; } </code></pre> <p>上面的 atautoreleasepoolobj 就是一个 POOL_SENTINEL 。</p> <p>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 ：</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/e92f165b675a537de56b1bb1ec0d889e.png"></p> <h3>objc_autoreleasePoolPush 方法</h3> <p>了解了 POOL_SENTINEL ，我们来重新回顾一下 objc_autoreleasePoolPush 方法：</p> <pre> <code class="language-objectivec">void *objc_autoreleasePoolPush(void) { return AutoreleasePoolPage::push(); } </code></pre> <p>它调用 AutoreleasePoolPage 的类方法 push ，也非常简单：</p> <pre> <code class="language-objectivec">static inline void *push() { return autoreleaseFast(POOL_SENTINEL); } </code></pre> <p>在这里会进入一个比较关键的方法 autoreleaseFast ，并传入哨兵对象 POOL_SENTINEL ：</p> <pre> <code class="language-objectivec">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); } } </code></pre> <p>上述方法分三种情况选择不同的代码执行：</p> <ul> <li>有 hotPage 并且当前 page 不满 <ul> <li>调用 page->add(obj) 方法将对象添加至 AutoreleasePoolPage 的栈中</li> </ul> </li> <li>有 hotPage 并且当前 page 已满 <ul> <li>调用 autoreleaseFullPage 初始化一个新的页</li> <li>调用 page->add(obj) 方法将对象添加至 AutoreleasePoolPage 的栈中</li> </ul> </li> <li>无 hotPage <ul> <li>调用 autoreleaseNoPage 创建一个 hotPage</li> <li>调用 page->add(obj) 方法将对象添加至 AutoreleasePoolPage 的栈中</li> </ul> </li> </ul> <p>最后的都会调用 page->add(obj) 将对象添加到自动释放池中。</p> <p>hotPage 可以理解为当前正在使用的 AutoreleasePoolPage 。</p> <p>page->add 添加对象</p> <p>id *add(id obj) 将对象添加到自动释放池页中：</p> <pre> <code class="language-objectivec">id *add(id obj) { id *ret = next; *next = obj; next++; return ret; } </code></pre> <p>笔者对这个方法进行了处理，更方便理解。</p> <p>这个方法其实就是一个压栈的操作，将对象加入 AutoreleasePoolPage 然后移动栈顶的指针。</p> <p>autoreleaseFullPage（当前 hotPage 已满）</p> <p>autoreleaseFullPage 会在当前的 hotPage 已满的时候调用：</p> <pre> <code class="language-objectivec">static id *autoreleaseFullPage(id obj, AutoreleasePoolPage *page) { do { if (page->child) page = page->child; else page = new AutoreleasePoolPage(page); } while (page->full()); setHotPage(page); return page->add(obj); } </code></pre> <p>它会从传入的 page 开始遍历整个双向链表，直到：</p> <ol> <li>查找到一个未满的 AutoreleasePoolPage</li> <li>使用构造器传入 parent 创建一个新的 AutoreleasePoolPage</li> </ol> <p>在查找到一个可以使用的 AutoreleasePoolPage 之后，会将该页面标记成 hotPage ，然后调动上面分析过的 page->add 方法添加对象。</p> <p>autoreleaseNoPage（没有 hotPage)</p> <p>如果当前内存中不存在 hotPage ，就会调用 autoreleaseNoPage 方法初始化一个 AutoreleasePoolPage ：</p> <pre> <code class="language-objectivec">static id *autoreleaseNoPage(id obj) { AutoreleasePoolPage *page = new AutoreleasePoolPage(nil); setHotPage(page); if (obj != POOL_SENTINEL) { page->add(POOL_SENTINEL); } return page->add(obj); } </code></pre> <p>既然当前内存中不存在 AutoreleasePoolPage ，就要 <strong>从头开始构建这个自动释放池的双向链表</strong> ，也就是说，新的 AutoreleasePoolPage 是没有 parent 指针的。</p> <p>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_SENTINEL 对象，来确保在 pop 调用的时候，不会出现异常。</p> <p>最后，将 obj 添加到自动释放池中。</p> <h3>objc_autoreleasePoolPop 方法</h3> <p>同样，回顾一下上面提到的 objc_autoreleasePoolPop 方法：</p> <pre> <code class="language-objectivec">void objc_autoreleasePoolPop(void *ctxt) { AutoreleasePoolPage::pop(ctxt); } </code></pre> <p>看起来传入任何一个指针都是可以的，但是在整个工程并没有发现传入其他对象的例子。不过在这个方法中 <strong>传入其它的指针也是可行的</strong> ，会将自动释放池释放到相应的位置。</p> <p>我们一般都会在这个方法中传入一个哨兵对象 POOL_SENTINEL ，如下图一样释放对象：</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/91b1df216160bc2ff139960668120efc.png" alt="[iOS] 自动释放池的前世今生" width="550" height="230"></p> <p>对 objc_autoreleasePoolPop 行为的测试</p> <p>在继续分析这个方法之前做一个小测试，在 objc_autoreleasePoolPop 传入非哨兵对象，测试一下这个方法的行为。</p> <p>下面是 main.m 文件中的源代码：</p> <pre> <code class="language-objectivec">#import <Foundation/Foundation.h> int main(int argc, const char * argv[]) { @autoreleasepool { NSString *s = @"Draveness"; [s stringByAppendingString:@"-Suffix"]; } return 0; } </code></pre> <p>在代码的这一行打一个断点，因为这里会调用 autorelease 方法，将字符串加入自动释放池：</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/9c10011031c57cff95b4bb4044aa84a3.jpg"></p> <p>当代码运行到这里时，通过 lldb 打印出当前 hotPage 中的栈内容：</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/aa46580ebee3b373cfda227b7a3d8375.png"></p> <ol> <li>通过 static 方法获取当前 hotPage</li> <li>打印 AutoreleasePoolPage 中的内容</li> <li>打印当前 next 指针指向的内容，以及之前的内容， -2 时已经到了 begin() 位置</li> <li>使用 print() 和 printAll() 打印自动释放池中内容</li> </ol> <p>然后将字符串 @"Draveness-Suffix" 的指针传入 pop 方法，测试 pop 方法能否传入非哨兵参数。</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/b10669af39370b4f3ab7a1181bd5f065.png"></p> <p>再次打印当前 AutoreleasePoolPage 的内容时，字符串已经不存在了，这说明 <strong> 向 pop 方法传入非哨兵参数是可行的 </strong> ，只是我们一般不会传入非哨兵对象。</p> <p>让我们重新回到对 objc_autoreleasePoolPop 方法的分析，也就是 AutoreleasePoolPage::pop 方法的调用：</p> <pre> <code class="language-objectivec">static inline void pop(void *token) { AutoreleasePoolPage *page = pageForPointer(token); id *stop = (id *)token; page->releaseUntil(stop); if (page->child) { if (page->lessThanHalfFull()) { page->child->kill(); } else if (page->child->child) { page->child->child->kill(); } } } </code></pre> <p>在这个方法中删除了大量无关的代码，以及对格式进行了调整。</p> <p>该静态方法总共做了三件事情：</p> <ol> <li>使用 pageForPointer 获取当前 token 所在的 AutoreleasePoolPage</li> <li>调用 releaseUntil 方法释放 <strong>栈中的</strong> 对象，直到 stop</li> <li>调用 child 的 kill 方法</li> </ol> <p>我到现在也不是很清楚为什么要根据当前页的不同状态 kill 掉不同 child 的页面。</p> <pre> <code class="language-objectivec">if (page->lessThanHalfFull()) { page->child->kill(); } else if (page->child->child) { page->child->child->kill(); } </code></pre> <p>pageForPointer 获取 AutoreleasePoolPage</p> <p>pageForPointer 方法主要是通过内存地址的操作，获取当前指针所在页的首地址：</p> <pre> <code class="language-objectivec">static AutoreleasePoolPage *pageForPointer(const void *p) { return pageForPointer((uintptr_t)p); } static AutoreleasePoolPage *pageForPointer(uintptr_t p) { AutoreleasePoolPage *result; uintptr_t offset = p % SIZE; assert(offset >= sizeof(AutoreleasePoolPage)); result = (AutoreleasePoolPage *)(p - offset); result->fastcheck(); return result; } </code></pre> <p>将指针与页面的大小，也就是 4096 取模，得到当前指针的偏移量，因为所有的 AutoreleasePoolPage 在内存中都是对齐的：</p> <pre> <code class="language-objectivec">p = 0x100816048 p % SIZE = 0x48 result = 0x100816000 </code></pre> <p>而最后调用的方法 fastCheck() 用来检查当前的 result 是不是一个 AutoreleasePoolPage 。</p> <p>通过检查 magic_t 结构体中的某个成员是否为 0xA1A1A1A1 。</p> <p>releaseUntil 释放对象</p> <p>releaseUntil 方法的实现如下：</p> <pre> <code class="language-objectivec">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_SENTINEL) { objc_release(obj); } } setHotPage(this); } </code></pre> <p>它的实现还是很容易的，用一个 while 循环持续释放 AutoreleasePoolPage 中的内容，直到 next 指向了 stop 。</p> <p>使用 memset 将内存的内容设置成 SCRIBBLE ，然后使用 objc_release 释放对象。</p> <p>kill() 方法</p> <p>到这里，没有分析的方法就只剩下 kill 了，而它会将当前页面以及子页面全部删除：</p> <pre> <code class="language-objectivec">void kill() { AutoreleasePoolPage *page = this; while (page->child) page = page->child; AutoreleasePoolPage *deathptr; do { deathptr = page; page = page->parent; if (page) { page->unprotect(); page->child = nil; page->protect(); } delete deathptr; } while (deathptr != this); } </code></pre> <h3>autorelease 方法</h3> <p>我们已经对自动释放池生命周期有一个比较好的了解，最后需要了解的话题就是 autorelease 方法的实现，先来看一下方法的调用栈：</p> <pre> <code class="language-objectivec">- [NSObject autorelease] └── id objc_object::rootAutorelease() └── id objc_object::rootAutorelease2() └── static id AutoreleasePoolPage::autorelease(id obj) └── static id AutoreleasePoolPage::autoreleaseFast(id obj) ├── id *add(id obj) ├── static id *autoreleaseFullPage(id obj, AutoreleasePoolPage *page) │ ├── AutoreleasePoolPage(AutoreleasePoolPage *newParent) │ └── id *add(id obj) └── static id *autoreleaseNoPage(id obj) ├── AutoreleasePoolPage(AutoreleasePoolPage *newParent) └── id *add(id obj) </code></pre> <p>在 autorelease 方法的调用栈中，最终都会调用上面提到的方法，将当前对象加到 AutoreleasePoolPage 中。</p> <p>这一小节中这些方法的实现都非常容易，只是进行了一些参数上的检查，最终还要调用方法：</p> <pre> <code class="language-objectivec">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() { return AutoreleasePoolPage::autorelease((id)this); } static inline id autorelease(id obj) { id *dest __unused = autoreleaseFast(obj); return obj; } </code></pre> <p>由于在上面已经分析过 autoreleaseFast 方法的实现，这里就不会多说了。</p> <h2>小结</h2> <p>整个自动释放池 AutoreleasePool 的实现以及 autorelease 方法都已经分析完了，我们再来回顾一下文章中的一些内容：</p> <ul> <li>自动释放池是由 AutoreleasePoolPage 以双向链表的方式实现的</li> <li>当对象调用 autorelease 方法时，会将对象加入 AutoreleasePoolPage 的栈中</li> <li>调用 AutoreleasePoolPage::pop 方法会向栈中的对象发送 release 消息</li> </ul> <h2>参考资料</h2> <ul> <li><a href="/misc/goto?guid=4959673208225511036" rel="nofollow,noindex">What is autoreleasepool? - Objective-C</a></li> <li><a href="/misc/goto?guid=4959673208304322818" rel="nofollow,noindex">Using Autorelease Pool Blocks</a></li> <li><a href="/misc/goto?guid=4959673208390713001" rel="nofollow,noindex">NSAutoreleasePool</a></li> <li><a href="http://www.open-open.com/lib/view/open1463408626788.html">黑幕背后的 Autorelease</a></li> </ul> <p> </p> <p>via： http://draveness.me/autoreleasepool/</p>