前言

在陽(yáng)神的 黑幕背后的Autorelease 文章中已經(jīng)把 AutoreleasePool 核心邏輯講明白了哟沫，不過(guò)多是結(jié)論性的東西，筆者通讀源碼以探究更多的細(xì)節(jié)锌介，驗(yàn)證一下老生常談的一些結(jié)論嗜诀。

源碼基于 Runtime 750。

一孔祸、@autoreleasepool {} 干了些什么

main.m 文件代碼：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {}
    return 0;
}

使用 clang -rewrite-objc main.m 查看經(jīng)過(guò)編譯器前端處理的代碼：

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

int main(int argc, const char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; }
    return 0;
}

可以看出@autoreleasepool{}會(huì)創(chuàng)建一個(gè)__AtAutoreleasePool類(lèi)型的局部變量并包含在當(dāng)前作用域隆敢，__AtAutoreleasePool構(gòu)造和析構(gòu)時(shí)分別調(diào)用了兩個(gè)方法，所以簡(jiǎn)化過(guò)程如下：

void *context = objc_autoreleasePoolPush()
// 對(duì)象調(diào)用 autorelease 裝入自動(dòng)釋放池
objc_autoreleasePoolPop(context)

可以猜測(cè) push 和 pop 操作是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)釋放的關(guān)鍵融击。

二筑公、AutoreleasePoolPage 內(nèi)存分布

官方文檔 中提到了，主線程以及非顯式創(chuàng)建的線程（比如 GCD）都會(huì)有一個(gè) event loop (RunLoop 就是具體實(shí)現(xiàn))尊浪，在 loop 的每一個(gè)循環(huán)周期的開(kāi)始和結(jié)束會(huì)分別調(diào)用自動(dòng)釋放池的 push 和 pop 方法匣屡，由此來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的內(nèi)存管理。

objc_autoreleasePoolPush()和objc_autoreleasePoolPop(...)實(shí)際上會(huì)調(diào)用到AutoreleasePoolPage類(lèi)的push()和pop()方法拇涤，先看一下這個(gè)類(lèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

class AutoreleasePoolPage {
    ...
    magic_t const magic;
    id *next;
    pthread_t const thread;
    AutoreleasePoolPage * const parent;
    AutoreleasePoolPage *child;

    static void * operator new(size_t size) {
        return malloc_zone_memalign(malloc_default_zone(), SIZE, SIZE);
    }
    id * begin() {
        return (id *) ((uint8_t *)this+sizeof(*this));
    }
    id * end() {
        return (id *) ((uint8_t *)this+SIZE);
    } 
    ...
}

• parent和child正是指向前驅(qū)和后繼指針捣作，自動(dòng)釋放池就是一個(gè)以AutoreleasePoolPage為節(jié)點(diǎn)的雙向鏈表（后文驗(yàn)證）。
• thread是指當(dāng)前 page 所對(duì)應(yīng)的線程鹅士。
• magic用于校驗(yàn)內(nèi)存是否損壞券躁。
• next指向當(dāng)前可插入對(duì)象的地址。

內(nèi)存對(duì)齊

重寫(xiě)了new運(yùn)算符，使用了malloc_zone_memalign(...)進(jìn)行內(nèi)存分配：

extern void *malloc_zone_memalign(malloc_zone_t *zone, size_t alignment, size_t size) ;
    /* 
     * Allocates a new pointer of size size whose address is an exact multiple of alignment.
     * alignment must be a power of two and at least as large as sizeof(void *).
     * zone must be non-NULL.
     */

注釋說(shuō)得很清楚了也拜，這個(gè)方法以alignment對(duì)齊的地址分配size的內(nèi)存空間以舒。調(diào)用時(shí)兩個(gè)參數(shù)都使用了SIZE宏，實(shí)際上就是虛擬內(nèi)存頁(yè)的大新：

#define I386_PGBYTES            4096

一個(gè) page 的內(nèi)存空間設(shè)置過(guò)小會(huì)導(dǎo)致更多的開(kāi)辟空間操作降低效率蔓钟，大量的parent/child指針變量也會(huì)占用可觀的內(nèi)存；空間設(shè)置過(guò)大可能會(huì)導(dǎo)致一個(gè) page 的利用率低浪費(fèi)過(guò)多內(nèi)存卵贱。設(shè)置為 4096 是比較考究的滥沫，在保證內(nèi)存對(duì)齊的情況下最大化利用空間避免內(nèi)存碎片。這么做過(guò)后 page 的地址總是 4096 的整數(shù)倍键俱，可以讓某些運(yùn)算更便捷（比如后文會(huì)說(shuō)的通過(guò)指針地址尋找對(duì)應(yīng)的 page）兰绣。

begin() 與 end()

AutoreleasePoolPage本身的大小遠(yuǎn)不及 4096，而超出的空間正是用來(lái)存放“期望被自動(dòng)管理的對(duì)象”编振。begin()和end()方法標(biāo)記了這個(gè)范圍缀辩。

sizeof(*this)表示AutoreleasePoolPage本身的大小，那么(uint8_t *)this+sizeof(*this)就是最低地址党觅，(uint8_t *)this+SIZE就是最高地址雌澄。逐個(gè)插入對(duì)象時(shí)，next指針從begin()到end()逐個(gè)移動(dòng)杯瞻，后面的full()方法就是指next == end()，empty()就是指next == begin()炫掐。

值得注意的是next/end()/begin()等都是id *類(lèi)型的魁莉，即指向指針的指針，進(jìn)行 +1 -1 運(yùn)算時(shí)移動(dòng)的是一個(gè)id大小的距離募胃。

三旗唁、push 邏輯

push()方法會(huì)調(diào)用autoreleaseFast(POOL_BOUNDARY)：

    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);
        }
    }

hotPage 指的是當(dāng)前可插入對(duì)象的 page，放到后面一點(diǎn)分析痹束，先來(lái)看插入對(duì)象的邏輯检疫，分三種情況：

1、當(dāng) page 存在且沒(méi)滿時(shí)祷嘶，直接添加對(duì)象：

    id *add(id obj)
    {
        assert(!full());
        unprotect();
        id *ret = next;  // faster than `return next-1` because of aliasing
        *next++ = obj;
        protect();
        return ret;
    }

unprotect()/protect()內(nèi)部使用了int mprotect(void *a, size_t b, int c)屎媳，設(shè)置內(nèi)存起點(diǎn)a長(zhǎng)度b的內(nèi)存區(qū)域?yàn)?code>c類(lèi)型的訪問(wèn)限制：

    inline void protect() {
#if PROTECT_AUTORELEASEPOOL
        mprotect(this, SIZE, PROT_READ);
        check();
#endif
    }
    inline void unprotect() {
#if PROTECT_AUTORELEASEPOOL
        check();
        mprotect(this, SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE);
#endif
    }

unprotect()設(shè)置為可讀可寫(xiě)，protect()設(shè)置為只讀论巍，所以這里的目的是保證 page 寫(xiě)安全烛谊。不過(guò)有#define PROTECT_AUTORELEASEPOOL 0定義說(shuō)明目前版本還沒(méi)有開(kāi)放這個(gè)保護(hù)功能。

2嘉汰、當(dāng) page 存在且滿了時(shí)丹禀，拓展 page 節(jié)點(diǎn)并添加對(duì)象：

    static __attribute__((noinline))
    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);
    }

循環(huán)的邏輯：從 child 方向找到未滿的 page，若找不到則創(chuàng)建一個(gè)新 page 拼接到鏈表尾部（AutoreleasePoolPage 構(gòu)造方法會(huì)把傳入的 page 參數(shù)作為 parent 前驅(qū)對(duì)象）。后面再設(shè)置最新的 page 為 hotpage 并將 obj 添加進(jìn) page双泪。

3持搜、當(dāng) page 不存在時(shí)，初始化一個(gè)

    static __attribute__((noinline))
    id *autoreleaseNoPage(id obj) 
    {   ...
        AutoreleasePoolPage *page = new AutoreleasePoolPage(nil);
        setHotPage(page);
        ...
        return page->add(obj);
    }

這個(gè)方法核心就是創(chuàng)建第一個(gè) page 然后加入線程局部存儲(chǔ)焙矛。

hotPage

從上面的push()方法分析可知葫盼，被自動(dòng)管理的對(duì)象會(huì)不斷插入雙向鏈表從前到后第一個(gè)未滿 page ，hotPage()其實(shí)就是指向這個(gè) page薄扁，還有個(gè)coldPage()方法是根據(jù)hotPage()找到第一個(gè) page剪返。

既然自動(dòng)釋放池是由AutoreleasePoolPage組成的雙向鏈表，那這個(gè)鏈表該如何訪問(wèn)呢邓梅？可能常規(guī)的思路是創(chuàng)建一個(gè)全局變量來(lái)訪問(wèn)它脱盲，不過(guò)這里使用了另外一個(gè)方式：

    static inline AutoreleasePoolPage *hotPage() 
    {
        AutoreleasePoolPage *result = (AutoreleasePoolPage *)
            tls_get_direct(key);
        // EMPTY_POOL_PLACEHOLDER 表示沒(méi)有 page
        if ((id *)result == EMPTY_POOL_PLACEHOLDER) return nil;
        if (result) result->fastcheck();
        return result;
    }
    static inline void setHotPage(AutoreleasePoolPage *page) 
    {
        if (page) page->fastcheck();
        tls_set_direct(key, (void *)page);
    }

tls_get_direct(...)和tls_set_direct(...)內(nèi)部就是使用線程的局部存儲(chǔ)（TLS: Thread Local Storage）將 page 存儲(chǔ)起來(lái)，這樣可以避免維護(hù)額外的空間來(lái)記錄尾部的 page日缨。由此也驗(yàn)證了自動(dòng)釋放池與線程一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系钱反。

在 YYKit 中有一個(gè)使用廣泛的技巧：將某個(gè)對(duì)象最后使用時(shí)放在異步線程，如果這個(gè)對(duì)象釋放就（可能?）會(huì)在這個(gè)異步線程匣距，從而降低主線程壓力面哥。實(shí)際上就是編譯器插入 autorelease 代碼將對(duì)象加入到異步線程的自動(dòng)釋放池，而如果異步線程的釋放池先于主線程的釋放池pop()而調(diào)用對(duì)象的release()方法毅待，那么這個(gè)對(duì)象如果釋放就會(huì)在異步線程尚卫。所以筆者認(rèn)為這個(gè)優(yōu)化并非絕對(duì)有效（這里衍生出一個(gè)問(wèn)題：一個(gè)對(duì)象被多個(gè)自動(dòng)釋放池管理，若對(duì)象釋放這些釋放池怎么避免的野指針問(wèn)題尸红？）吱涉。

POOL_BOUNDARY

push()方法調(diào)用autoreleaseFast(POOL_BOUNDARY)時(shí)傳入的是一個(gè) POOL_BOUNDARY 并非需要被管理的對(duì)象，它的定義如下：

#   define POOL_BOUNDARY nil

在調(diào)用autoreleaseFast(obj)方法會(huì)返回指向obj指針的指針外里，它是一個(gè)id *類(lèi)型怎爵，也就是說(shuō)，這個(gè)返回值關(guān)心的只是obj指針的地址盅蝗，而不是obj值的地址鳖链，obj指針的地址就是對(duì)應(yīng)AutoreleasePoolPage對(duì)象內(nèi)存中的某段區(qū)域。

再看一下上層調(diào)用：

void *context = objc_autoreleasePoolPush()
...
objc_autoreleasePoolPop(context)

pop 時(shí)會(huì)將這個(gè)obj指針的地址傳入進(jìn)去墩莫。pop 的邏輯是把 hotPage 里面裝的對(duì)象依次移除并發(fā)送 release 消息（后面會(huì)詳細(xì)分析）芙委，當(dāng)前 page 移除完了，繼續(xù)移除 parent 節(jié)點(diǎn)內(nèi)的對(duì)象贼穆，以此反復(fù)题山，而移除對(duì)象操作何時(shí)停止就是到這個(gè)obj指針的地址。

所以故痊，push 操作加入一個(gè) POOL_BOUNDARY 實(shí)際上就是加一個(gè)邊界顶瞳，pop 操作時(shí)根據(jù)邊界判斷范圍，這就是一個(gè)入棧與出棧的過(guò)程。

magic 校驗(yàn)

多次出現(xiàn)的check()方法如下：

    void check(bool die = true)  {
        if (!magic.check() || !pthread_equal(thread, pthread_self())) busted(die);
    }
    void fastcheck(bool die = true)  {
//補(bǔ)充：#define CHECK_AUTORELEASEPOOL (DEBUG)
#if CHECK_AUTORELEASEPOOL
        check(die);
#else
        if (! magic.fastcheck()) busted(die);
#endif
    }

可以看到慨菱，它們都調(diào)用了magic的 check 方法焰络，在 DEBUG 時(shí)還會(huì)去檢查當(dāng)前線程是否與 page 的線程一致。

magic是magic_t類(lèi)型的符喝，這個(gè)結(jié)構(gòu)體主要是有個(gè)uint32_t m[4];數(shù)組闪彼，構(gòu)造時(shí)內(nèi)存直接會(huì)寫(xiě)為0xA1A1A1A1 AUTORELEASE!，然后check()邏輯就是判斷構(gòu)造時(shí)的值是否發(fā)生了改變协饲，若發(fā)生改變說(shuō)明這個(gè) page 已經(jīng)被破壞畏腕。

四、autorelease 邏輯

上層對(duì)象調(diào)用 autorelease 方法會(huì)調(diào)用到AutoreleasePoolPage的以下方法：

    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;
    }

顯然茉稠，最終還是會(huì)調(diào)用前面解析的autoreleaseFast(...)方法進(jìn)行對(duì)象插入描馅。由此也可以推斷，在一個(gè) Thread 沒(méi)有 Runloop 自動(dòng)執(zhí)行自動(dòng)釋放池的 push 和 pop 時(shí)而线，對(duì)象進(jìn)行 autorelease 時(shí)若發(fā)現(xiàn)沒(méi)有自動(dòng)釋放池節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建 page 并加入線程局部存儲(chǔ)（參考前面的autoreleaseNoPage(...)方法分析）铭污。

五、pop 邏輯

objc_autoreleasePoolPop(context)的context參數(shù)是objc_autoreleasePoolPush()返回的膀篮，實(shí)際上就是POOL_BOUNDARY對(duì)應(yīng)的在AutoreleasePoolPage中的地址嘹狞。最終會(huì)調(diào)用到pop()方法：

    static inline void pop(void *token) 
    {
        AutoreleasePoolPage *page;
        id *stop;
        ...
        // 拿到 token 邊界對(duì)應(yīng)的 page
        page = pageForPointer(token);
        stop = (id *)token;
        ...
        // pop 內(nèi)部對(duì)象直到 stop 邊界
        page->releaseUntil(stop);
        ...
        // 刪除空的 child 鏈表節(jié)點(diǎn)，如果當(dāng)前頁(yè)對(duì)象超過(guò)一半誓竿，保留下一個(gè)空節(jié)點(diǎn)
        if (page->lessThanHalfFull()) {
            page->child->kill();
        }
        else if (page->child->child) {
            page->child->child->kill();
        }
    }

pop()的邏輯應(yīng)該很好理解了磅网，token參數(shù)就是邊界，下面分別分析步驟：

找到邊界對(duì)應(yīng)的 page

    static AutoreleasePoolPage *pageForPointer(const void *p) {
        return pageForPointer((uintptr_t)p);
    }
    static AutoreleasePoolPage *pageForPointer(uintptr_t p) {
        AutoreleasePoolPage *result;
        uintptr_t offset = p % SIZE;
        ....
        result = (AutoreleasePoolPage *)(p - offset);
        result->fastcheck();
        return result;
    }

看上面?zhèn)€函數(shù)筷屡，const void *p是指針的指針知市，((uintptr_t)p)才表示POOL_BOUNDARY指針在對(duì)應(yīng) page 中的地址。

看下面?zhèn)€函數(shù)速蕊，前面分析過(guò)內(nèi)存對(duì)齊的處理，那么 page 的起始地址必然是 SIZE (也就是頁(yè)大小 4096) 的倍數(shù)娘赴，那么p % SIZE就得到了這個(gè)p在 page 中的地址偏移规哲，最后通過(guò)p - offset就拿到了 page 的起始地址，這個(gè)處理比較秀诽表。

移除被管理對(duì)象并發(fā)送 release 消息

    void releaseUntil(id *stop)  {
        while (this->next != stop) {
            AutoreleasePoolPage *page = hotPage();
            // 如果當(dāng)前 page 空了唉锌，指向 parent
            while (page->empty()) {
                page = page->parent;
                setHotPage(page);
            }
            // 將即將要移除對(duì)象對(duì)應(yīng) page 中的內(nèi)存置為 SCRIBBLE
            page->unprotect();
            id obj = *--page->next;
            memset((void*)page->next, SCRIBBLE, sizeof(*page->next));
            page->protect();
            // 調(diào)用對(duì)象的 release 方法
            if (obj != POOL_BOUNDARY) {
                objc_release(obj);
            }
        }
        // 把當(dāng)前 page 設(shè)置 hotpage（調(diào)用時(shí) this 就是對(duì)應(yīng)期望釋放邊界的 page）
        setHotPage(this);
        ...
    }

清除 child

    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);
    }

這個(gè)邏輯一目了然了：找到當(dāng)前 page 的 child 方向尾部 page，然后反向挨著釋放并且把其 parent 節(jié)點(diǎn)的 child 指針置空竿奏。前面也說(shuō)明了unprotect和protect內(nèi)部并沒(méi)有開(kāi)啟寫(xiě)入安全保護(hù)袄简。

后語(yǔ)

以上就是自動(dòng)釋放池大部分源碼的分析了，這部分源碼沒(méi)有涉及匯編并且代碼量比較少泛啸，所以看起來(lái)相對(duì)容易绿语。多理解一些內(nèi)存管理底層有利于理解各種上層特性、定位內(nèi)存難題，也有助于寫(xiě)出更穩(wěn)定的代碼吕粹。并且在這個(gè)過(guò)程中种柑，不可避免需要接觸操作系統(tǒng)和編譯原理相關(guān)知識(shí)，也算是能培養(yǎng)通識(shí)性能力匹耕。

讀源碼遠(yuǎn)比記結(jié)論重要聚请，遇到某些優(yōu)秀的代碼細(xì)節(jié)往往令人驚喜，不失為一種樂(lè)趣稳其。