iOS底層探索之自動釋放池原理解析

2022-06-30 18:05:27

1、概述

OC 中的一種記憶體自動回收機制，它可以將加入AutoreleasePool中的變數release的時機延遲
當建立一個物件，在正常情況下，變數會在超出其作用域時立即 release ，如果將其加入到自動釋放池中，這個物件並不會立即釋放，而會等到 runloop 休眠 / 超出autoreleasepool作用域之後進行釋放

從程式啟動到載入完成，主執行緒對應的 Runloop 會處於休眠狀態，等待使用者互動來喚醒 Runloop
使用者每次互動都會啟動一次 Runloop ，用於處理使用者的所有點選、觸控等事件
Runloop 在監聽到互動事件後，就會建立自動釋放池，並將所有延遲釋放的物件新增到自動釋放池中
在一次完整的 Runloop 結束之前，會向自動釋放池中所有物件傳送 release 訊息，然後銷燬自動釋放池

2、底層探索

準備簡單程式碼

#import <Foundation/Foundation.h>
int main(int argc, const char * argv[]) {
 
    @autoreleasepool {
        NSLog(@"Hello, World!");
    }
    return 0;
}

轉換成.cpp檔案：

clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp

int main(int argc, const char * argv[]) {

    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 
        NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_jl_d06jlfkj2ws74_5g45kms07m0000gn_T_main_da0d58_mi_0);
    }
    return 0;
}

autoreleasepool 變成了__AtAutoreleasePool型別宣告的程式碼

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

前邊瞭解過這種寫法是在結構體構造時呼叫objc_autoreleasePoolPush函數，在 結構體退出作用域解構 時呼叫objc_autoreleasePoolPop函數，這兩個函數也是下邊研究的重點（在 main 函數中 autoreleasepool 處設定斷點檢視組合也可以看到這兩個函數的符號呼叫）

2.1、列印自動釋放池結構

測試專案，關閉ARC模式

手動新增一個物件到自動釋放池，並列印自動釋放池結構

// 匯入 _objc_autoreleasePoolPrint 函數,用於列印自動釋放池的結構
extern void _objc_autoreleasePoolPrint(void);
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSObject *objc = [[[NSObject alloc] init] autorelease];
        _objc_autoreleasePoolPrint();
    }
    return 0;
}

##############
AUTORELEASE POOLS for thread 0x1000ebe00
2 releases pending.
[0x10700b000]  ................  PAGE  (hot) (cold)
[0x10700b038]  ################  POOL 0x10700b038
[0x10700b040]       0x100705f60  NSObject
##############

_objc_autoreleasePoolPrint呼叫 AutoreleasePoolPage::printAll()（通過AutoreleasePoolPage 的名稱空間呼叫printAll()）；按照自動釋放池的結構，通過雙向連結串列遍歷page，依次讀取 page 中的內容並進行列印
列印了當前自動釋放池所屬執行緒，與 2 個需要釋放的物件：哨兵物件：POOL 和 手動加入自動釋放池 的物件objc
當前的Page資訊，佔56位元組，因為只有一頁，即是冷頁面，也是熱頁面

2.2、objc_autoreleasePoolPush

void *
objc_autoreleasePoolPush(void)
{
    // 呼叫 AutoreleasePoolPage 名稱空間下的 push 函數
    return AutoreleasePoolPage::push();
}

2.2.1、AutoreleasePoolPage

AutoreleasePoolPage的定義，能看到這樣一段註釋

/***********************************************************************
   Autorelease pool implementation

   A thread's autorelease pool is a stack of pointers. 
   執行緒的自動釋放池是一個指標堆疊
   
   Each pointer is either an object to release, or POOL_BOUNDARY which is an autorelease pool boundary.
   每個指標要麼是一個要釋放的物件，要麼是POOL_BOUNDARY自動釋放池邊界
     
   A pool token is a pointer to the POOL_BOUNDARY for that pool. When the pool is popped, every object hotter than the sentinel is released.
   池令牌是指向該池的POOL_BOUNDARY的指標。當池被彈出，每個比哨兵熱的物件都被釋放
     
   The stack is divided into a doubly-linked list of pages. Pages are added and deleted as necessary. 
   堆疊被分成一個雙連結的頁面列表。根據需要新增和刪除頁面

   Thread-local storage points to the hot page, where newly autoreleased objects are stored. 
   執行緒本地儲存指向熱頁，其中儲存新自動釋放的物件
**********************************************************************/

AutoreleasePoolPage 繼承於AutoreleasePoolPageData（有用的內容基本都在 AutoreleasePoolPageData 結構體中）

class AutoreleasePoolPage : private AutoreleasePoolPageData
{
	friend struct thread_data_t;

public:
	static size_t const SIZE =
#if PROTECT_AUTORELEASEPOOL
		PAGE_MAX_SIZE;  // must be multiple of vm page size
#else
		PAGE_MIN_SIZE;  // size and alignment, power of 2
#endif
    
private:
	static pthread_key_t const key = AUTORELEASE_POOL_KEY;
	static uint8_t const SCRIBBLE = 0xA3;  // 0xA3A3A3A3 after releasing
	static size_t const COUNT = SIZE / sizeof(id);
    static size_t const MAX_FAULTS = 2;
    
    ...
}

2.2.2、AutoreleasePoolPageData

class AutoreleasePoolPage;
struct AutoreleasePoolPageData
{
#if SUPPORT_AUTORELEASEPOOL_DEDUP_PTRS
    struct AutoreleasePoolEntry {
        uintptr_t ptr: 48;
        uintptr_t count: 16;

        static const uintptr_t maxCount = 65535; // 2^16 - 1
    };
    static_assert((AutoreleasePoolEntry){ .ptr = MACH_VM_MAX_ADDRESS }.ptr == MACH_VM_MAX_ADDRESS, "MACH_VM_MAX_ADDRESS doesn't fit into AutoreleasePoolEntry::ptr!");
#endif

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

	AutoreleasePoolPageData(__unsafe_unretained id* _next, pthread_t _thread, AutoreleasePoolPage* _parent, uint32_t _depth, uint32_t _hiwat)
		: magic(), next(_next), thread(_thread),
		  parent(_parent), child(nil),
		  depth(_depth), hiwat(_hiwat)
	{
	}
};

結構體中，包含以下成員變數：（根據下邊的成員大小得出 一個page佔56位元組）

magic：用來校驗 AutoreleasePoolPage 的結構是否完整（16位元組）
next：指向最新新增的autoreleased物件的下一個位置，初始化時執行begin()：獲取物件壓棧的起始位置（8位元組）
thread：指向當前執行緒（8位元組）
parent：指向父節點，第一個節點的parent值為nil（8位元組）
child：指向子節點，最後一個節點的child值為nil（8位元組）
depth：代表深度，從0開始，往後遞增1（4位元組）
hiwat：代表high water mark最大入棧數量標記（4位元組）

2.2.3、push（物件壓棧）

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

DebugPoolAllocation：當自動釋放池按順序彈出時停止，並允許堆偵錯程式跟蹤自動釋放池
不存在，呼叫autoreleaseNewPage函數，從一個新的池頁開始建立
否則，呼叫autoreleaseFast函數，將哨兵物件壓棧

autoreleaseFast

若存在 page，且未存滿，呼叫add函數
若存在 page，但已存滿，呼叫autoreleaseFullPage函數
遍歷連結串列，找到最後一個空白的子頁面

對其進行建立新頁

設定為熱頁面

新增物件
不存在 page，呼叫autoreleaseNoPage函數呼叫 AutoreleasePoolPage 建構函式，建立新頁
- 通過父類別 AutoreleasePoolPageData 進行初始化
- begin：獲取物件壓棧的起始位置（sizeof(*this)：大小取決於自身結構體中的成員變數、返回物件可壓棧的真正開始地址，在成員變數以下）
- objc_thread_self：通過tls獲取當前執行緒
- 連結雙向連結串列
設定為熱頁面

pushExtraBoundary為YES，哨兵物件壓棧

物件壓棧

2.2.4、池頁容量

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
  
        for (int i = 0; i < 505; i++) {
            NSObject *objc = [[[NSObject alloc] init] autorelease];
        }

        _objc_autoreleasePoolPrint();
    }
    return 0;
}

-------------------------
objc[1804]: ##############
objc[1804]: AUTORELEASE POOLS for thread 0x1000ebe00
objc[1804]: 506 releases pending.
objc[1804]: [0x10200c000]  ................  PAGE (full)  (cold)
objc[1804]: [0x10200c038]  ################  POOL 0x10200c038
objc[1804]: [0x10200c040]       0x100638420  NSObject
objc[1804]: [0x10200c048]       0x100637a40  NSObject
objc[1804]: [0x10200c050]       0x100636970  NSObject
...
objc[1804]: [0x100809000]  ................  PAGE  (hot) 
objc[1804]: [0x100809038]       0x10063a0b0  NSObject
objc[1804]: ##############

505 個 NSObject 物件迴圈加入自動釋放池，當儲存 504 個物件時，池頁已滿，第 505 個物件建立新池頁儲存
一頁的容量：504 * 8 = 4032，加上56位元組成員變數和8位元組哨兵物件，共計4096位元組
每一頁都存在56位元組的成員變數
一個自動釋放池，只會壓棧一個哨兵物件

2.3、objc_autoreleasePoolPop

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

2.3.1、pop（物件出棧）

static inline void
pop(void *token)
{
    AutoreleasePoolPage *page;
    id *stop;
    //判斷當前物件是否為空預留位置
    if (token == (void*)EMPTY_POOL_PLACEHOLDER) {
        // Popping the top-level placeholder pool.
        //獲取熱頁面
        page = hotPage();
        if (!page) {
            // Pool was never used. Clear the placeholder.
            //不存在熱頁面，將標記設定為nil
            return setHotPage(nil);
        }
        // Pool was used. Pop its contents normally.
        // Pool pages remain allocated for re-use as usual.
        //存在熱頁面，通過雙向連結串列迴圈向上找到最冷頁面
        page = coldPage();
        //將token設定為起始位置
        token = page->begin();
    } else {
        //獲取token所在的頁
        page = pageForPointer(token);
    }

    //賦值給stop
    stop = (id *)token;
    //當前位置不是哨兵物件
    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
            
            //最冷頁面的起始可能不是POOL_BOUNDARY:
            //1. 彈出頂級池，保留冷頁面
            //2. 物件在沒有池的情況下被自動釋放
        } else {
            // Error. For bincompat purposes this is not
            // fatal in executables built with old SDKs.
            //出現異常情況
            return badPop(token);
        }
    }

    if (slowpath(PrintPoolHiwat || DebugPoolAllocation || DebugMissingPools)) {
        return popPageDebug(token, page, stop);
    }

    //出棧
    return popPage<false>(token, page, stop);
}

2.3.2、popPage

static void
popPage(void *token, AutoreleasePoolPage *page, id *stop)
{
    if (allowDebug && PrintPoolHiwat) printHiwat();

    //當前頁中物件出棧，到stop位置停止
    page->releaseUntil(stop);

    // memory: delete empty children
    if (allowDebug && DebugPoolAllocation  &&  page->empty()) {
        // special case: delete everything during page-per-pool debugging
        //特殊情況:在逐頁池偵錯期間刪除所有內容
        
        //獲取父頁面
        AutoreleasePoolPage *parent = page->parent;
        //銷燬當前頁面
        page->kill();
        //將父頁面設定為熱頁面
        setHotPage(parent);
    } else if (allowDebug && DebugMissingPools  &&  page->empty()  &&  !page->parent) {
        // special case: delete everything for pop(top)
        // when debugging missing autorelease pools
        //特殊情況:刪除所有的pop
        
        //銷燬當前頁面
        page->kill();
        //將熱頁面標記設定為nil
        setHotPage(nil);
    } else if (page->child) {
        // hysteresis: keep one empty child if page is more than half full
        //如果頁面超過一半，則保留一個空子頁面
        if (page->lessThanHalfFull()) {
            page->child->kill();
        }
        else if (page->child->child) {
            page->child->child->kill();
        }
    }
}

2.3.3、releaseUntil

void releaseUntil(id *stop) 
{
    // Not recursive: we don't want to blow out the stack 
    // if a thread accumulates a stupendous amount of garbage
    
    //向下遍歷，到stop停止
    while (this->next != stop) {
        // Restart from hotPage() every time, in case -release 
        // autoreleased more objects
        
        //獲取熱頁面
        AutoreleasePoolPage *page = hotPage();

        // fixme I think this `while` can be `if`, but I can't prove it
        //如果當前頁面中沒有物件
        while (page->empty()) {
            //獲取父頁面
            page = page->parent;
            //標記為熱頁面
            setHotPage(page);
        }

        page->unprotect();
#if SUPPORT_AUTORELEASEPOOL_DEDUP_PTRS
        AutoreleasePoolEntry* entry = (AutoreleasePoolEntry*) --page->next;

        // create an obj with the zeroed out top byte and release that
        id obj = (id)entry->ptr;
        int count = (int)entry->count;  // grab these before memset
#else
        //記憶體平移，獲取物件
        id obj = *--page->next;
#endif
        memset((void*)page->next, SCRIBBLE, sizeof(*page->next));
        page->protect();

        //當前物件不是哨兵物件
        if (obj != POOL_BOUNDARY) {
#if SUPPORT_AUTORELEASEPOOL_DEDUP_PTRS
            // release count+1 times since it is count of the additional
            // autoreleases beyond the first one
            for (int i = 0; i < count + 1; i++) {
                objc_release(obj);
            }
#else
            //將其釋放
            objc_release(obj);
#endif
        }
    }

    //將當前頁面標記為熱頁面
    setHotPage(this);

#if DEBUG
    // we expect any children to be completely empty
    for (AutoreleasePoolPage *page = child; page; page = page->child) {
        ASSERT(page->empty());
    }
#endif
}

2.3.4、kill

 void kill()
{
    // Not recursive: we don't want to blow out the stack
    // if a thread accumulates a stupendous amount of garbage
    AutoreleasePoolPage *page = this;
    //迴圈找到最後一個子頁面
    while (page->child) page = page->child;

    AutoreleasePoolPage *deathptr;
    do {
        deathptr = page;
        //找到父頁面
        page = page->parent;
        if (page) {
            //將子頁面設定為nil
            page->unprotect();
            page->child = nil;
            page->protect();
        }
        //銷燬子頁面
        delete deathptr;
        
        //遍歷銷燬到this為止
    } while (deathptr != this);
}

3、巢狀使用

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
  
        NSObject *objc = [[[NSObject alloc] init] autorelease];

        @autoreleasepool {
            NSObject *objc = [[[NSObject alloc] init] autorelease];
        }
        
        _objc_autoreleasePoolPrint();
    }
    return 0;
}

-------------------------
objc[2511]: ##############
objc[2511]: AUTORELEASE POOLS for thread 0x1000ebe00
objc[2511]: 4 releases pending.
objc[2511]: [0x10680d000]  ................  PAGE  (hot) (cold)
objc[2511]: [0x10680d038]  ################  POOL 0x10680d038
objc[2511]: [0x10680d040]       0x101370c40  NSObject
objc[2511]: [0x10680d048]  ################  POOL 0x10680d048
objc[2511]: [0x10680d050]       0x101365fb0  NSObject
objc[2511]: ##############

執行緒的自動釋放池是一個指標堆疊，當巢狀使用時，新增好各自堆疊的哨兵物件；出棧時，先釋放內部，再釋放外部

總結

結構：

自動釋放池的壓棧和出棧，通過結構體的建構函式和解構函式觸發
壓棧：呼叫objc_autoreleasePoolPush函數
出棧：呼叫objc_autoreleasePoolPop函數

特點：

自動釋放池是一個儲存指標的棧結構
指標要麼是一個要釋放的物件，要麼是POOL_BOUNDARY自動釋放池邊界，俗稱：哨兵物件
哨兵物件的作用：當自動釋放池將物件進行pop操作時，需要知道邊界在哪裡，否則會破壞別人的記憶體空間。而哨兵物件，就是邊界標識
自動釋放池的棧空間被分成一個 雙連結 結構的頁面列表，可新增和刪除頁面
雙向連結串列的特別，一個頁中同時存在父節點和子節點。可向前找到父頁面，也可向後找到子頁面
執行緒本地儲存指向熱頁，其中儲存新自動釋放的物件
棧原則，先進後出，可以理解為最後一個頁面就是熱頁。裡面的物件最後被push，最先被pop

容量：

池頁大小為4096位元組，每一頁都包含56位元組的成員變數，但一個自動釋放池中，只會壓棧一個哨兵物件，佔8位元組

原理：

自動釋放池的本質是__AtAutoreleasePool結構體，包含建構函式和解構函式
結構體宣告，觸發建構函式，呼叫objc_autoreleasePoolPush函數，本質是物件壓棧的push方法
當結構體出作用域空間，觸發解構函式，呼叫objc_autoreleasePoolPop函數，本質是物件出棧的pop方法
物件壓棧
- 如果存在page，並且沒有存滿，呼叫add函數
  - 使用*next++進行記憶體平移
  - 將物件壓棧
  - 如果存在page，但儲存已滿，呼叫autoreleaseFullPage函數
  - 遍歷連結串列，找到最後一個空白的子頁面
  - 對其進行建立新頁
  - 設定為熱頁面
  - 新增物件
- 否則，不存在page，呼叫autoreleaseNoPage函數
  - 通過父類別AutoreleasePoolPageData進行初始化
  - begin：獲取物件壓棧的起始位置
  - objc_thread_self：通過tls獲取當前執行緒
  - 連結雙向連結串列
  - 設定為熱頁面
  - pushExtraBoundary為YES，哨兵物件壓棧
  - 物件壓棧
物件出棧
- 呼叫popPage函數，傳入stop為哨兵物件的位置
- 當前頁中物件出棧，到stop位置停止
- 呼叫kill函數，銷燬當前頁面

巢狀使用：

執行緒的自動釋放池是一個指標堆疊，當巢狀使用時，新增好各自堆疊的哨兵物件。出棧時，先釋放內部，再釋放外部

ARC模式：

ARC模式，使用alloc、new、copy、mutableCopy字首開頭的方法進行物件建立，不會加入到自動釋放池；它們的空間開闢由開發者申請，釋放也由開發者進行管理

與執行緒的關係：

每個執行緒（包括主執行緒）維護自己的物件堆疊。隨著新池的建立，它們被新增到堆疊的頂部。當池被釋放時，它們會從堆疊中移除
autoreleased物件被放置在當前執行緒的頂部自動釋放池中；當一個執行緒終止時，它會自動清空所有與其關聯的自動釋放池

與 Runloop 的關係：

主程式在事件迴圈的每個迴圈開始時在主執行緒上建立一個自動釋放池
並在結束時將其排空，從而釋放在處理事件時生成的任何自動釋放物件

使用：

for迴圈中大量建立物件時，使用 autorelease 可以有效控制記憶體的快速增長（原因是釋放沒有建立快，如果不加 autorelease 最終記憶體也會降下來，但可以 減少記憶體峰值）

for (int i = 0; i<100000000; i++) {
    @autoreleasepool {
        NSLog(@"%d",i);
        __autoreleasing LZPerson *p =[LZPerson new];
    }
}

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