iOS底層探索之自動釋放池原理解析
更新時間：2022年06月30日 15:20:33 作者：曉之衛(wèi)
這篇文章主要介紹了iOS底層探索之自動釋放池,自動釋放池的壓棧和出棧，通過結構體的構造函數(shù)和析構函數(shù)觸發(fā)，自動釋放池的本質是__AtAutoreleasePool結構體，包含構造函數(shù)和析構函數(shù)，本文通過示例代碼給大家介紹的非常詳細，需要的朋友參考下吧
1、概述
- OC 中的一種
內存自動回收機制，它可以將加入AutoreleasePool中的變量release的時機延遲 - 當創(chuàng)建一個對象，在正常情況下，變量會在
超出其作用域時立即 release ，如果將其加入到自動釋放池中，這個對象并不會立即釋放，而會等到runloop 休眠 / 超出autoreleasepool作用域之后進行釋放
從程序啟動到加載完成，主線程對應的 Runloop 會處于休眠狀態(tài)，等待用戶交互來喚醒 Runloop
用戶每次交互都會啟動一次 Runloop ，用于處理用戶的所有點擊、觸摸等事件
Runloop 在監(jiān)聽到交互事件后，就會創(chuàng)建自動釋放池，并將所有延遲釋放的對象添加到自動釋放池中
在一次完整的 Runloop 結束之前，會向自動釋放池中所有對象發(fā)送 release 消息，然后銷毀自動釋放池
2、底層探索
準備簡單代碼
#import <Foundation/Foundation.h>
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
NSLog(@"Hello, World!");
}
return 0;
}轉換成.cpp文件：
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類型聲明的代碼
struct __AtAutoreleasePool {
__AtAutoreleasePool() {atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();}
~__AtAutoreleasePool() {objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);}
void * atautoreleasepoolobj;
};- 前邊了解過這種寫法是在結構體 構造 時調用
objc_autoreleasePoolPush函數(shù)，在 結構體退出作用域析構 時調用objc_autoreleasePoolPop函數(shù)，這兩個函數(shù)也是下邊研究的重點（在 main 函數(shù)中 autoreleasepool 處設置斷點查看匯編也可以看到這兩個函數(shù)的符號調用）
2.1、打印自動釋放池結構
- 測試項目，關閉
ARC模式
- 手動添加一個對象到自動釋放池，并打印自動釋放池結構
// 導入 _objc_autoreleasePoolPrint 函數(shù),用于打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調用 AutoreleasePoolPage::printAll()（通過AutoreleasePoolPage 的命名空間調用printAll()）；按照自動釋放池的結構，通過雙向鏈表遍歷page，依次讀取 page 中的內容并進行打印- 打印了當前自動釋放池所屬線程，與 2 個需要釋放的對象：
哨兵對象：POOL和 手動加入自動釋放池 的對象objc - 當前的
Page信息，占56字節(jié)，因為只有一頁，即是冷頁面，也是熱頁面
2.2、objc_autoreleasePoolPush
void *
objc_autoreleasePoolPush(void)
{
// 調用 AutoreleasePoolPage 命名空間下的 push 函數(shù)
return AutoreleasePoolPage::push();
}2.2.1、AutoreleasePoolPage
AutoreleasePoolPage的定義，能看到這樣一段注釋
/***********************************************************************
Autorelease pool implementation
A thread's autorelease pool is a stack of pointers.
線程的自動釋放池是一個指針堆棧
Each pointer is either an object to release, or POOL_BOUNDARY which is an autorelease pool boundary.
每個指針要么是一個要釋放的對象，要么是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的指針。當池被彈出，每個比哨兵熱的對象都被釋放
The stack is divided into a doubly-linked list of pages. Pages are added and deleted as necessary.
堆棧被分成一個雙鏈接的頁面列表。根據(jù)需要添加和刪除頁面
Thread-local storage points to the hot page, where newly autoreleased objects are stored.
線程本地存儲指向熱頁，其中存儲新自動釋放的對象
**********************************************************************/
AutoreleasePoolPage 繼承于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，包含以下成員變量：（根據(jù)下邊的成員大小得出 一個page占56字節(jié)）
magic：用來校驗 AutoreleasePoolPage 的結構是否完整（16字節(jié)）next：指向最新添加的autoreleased對象的下一個位置，初始化時執(zhí)行begin()：獲取對象壓棧的起始位置（8字節(jié)）thread：指向當前線程（8字節(jié)）parent：指向父節(jié)點，第一個節(jié)點的parent值為nil（8字節(jié)）child：指向子節(jié)點，最后一個節(jié)點的child值為nil（8字節(jié)）depth：代表深度，從0開始，往后遞增1（4字節(jié)）hiwat：代表high water mark最大入棧數(shù)量標記（4字節(jié)）
2.2.3、push（對象壓棧）
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，并允許堆調試器跟蹤自動釋放池- 不存在，調用
autoreleaseNewPage函數(shù)，從一個新的池頁開始創(chuàng)建 - 否則，調用
autoreleaseFast函數(shù)，將哨兵對象壓棧
autoreleaseFast
- 若存在 page，且未存滿，調用
add函數(shù) - 若存在 page，但已存滿，調用
autoreleaseFullPage函數(shù)遍歷鏈表，找到最后一個空白的子頁面
對其進行創(chuàng)建新頁
設置為熱頁面
添加對象
- 不存在 page，調用
autoreleaseNoPage函數(shù)調用 AutoreleasePoolPage 構造函數(shù)，創(chuàng)建新頁- 通過父類 AutoreleasePoolPageData 進行初始化
begin：獲取對象壓棧的起始位置（sizeof(*this)：大小取決于自身結構體中的成員變量、返回對象可壓棧的真正開始地址，在成員變量以下）objc_thread_self：通過tls獲取當前線程- 鏈接雙向鏈表
設置為熱頁面
pushExtraBoundary為YES，哨兵對象壓棧對象壓棧
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 對象循環(huán)加入自動釋放池，當存儲 504 個對象時，池頁已滿，第 505 個對象創(chuàng)建新池頁存儲
- 一頁的容量：
504 * 8 = 4032，加上56字節(jié)成員變量和8字節(jié)哨兵對象，共計4096字節(jié) - 每一頁都存在
56字節(jié)的成員變量 - 一個自動釋放池，只會壓棧一個哨兵對象
2.3、objc_autoreleasePoolPop
void
objc_autoreleasePoolPop(void *ctxt)
{
AutoreleasePoolPage::pop(ctxt);
}
2.3.1、pop（對象出棧）
static inline void
pop(void *token)
{
AutoreleasePoolPage *page;
id *stop;
//判斷當前對象是否為空占位符
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，將標記設置為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，通過雙向鏈表循環(huán)向上找到最冷頁面
page = coldPage();
//將token設置為起始位置
token = page->begin();
} else {
//獲取token所在的頁
page = pageForPointer(token);
}
//賦值給stop
stop = (id *)token;
//當前位置不是哨兵對象
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. 對象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(xiàn)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();
//當前頁中對象出棧，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:在逐頁池調試期間刪除所有內容
//獲取父頁面
AutoreleasePoolPage *parent = page->parent;
//銷毀當前頁面
page->kill();
//將父頁面設置為熱頁面
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
//銷毀當前頁面
page->kill();
//將熱頁面標記設置為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對象
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
//內存平移，獲取對象
id obj = *--page->next;
#endif
memset((void*)page->next, SCRIBBLE, sizeof(*page->next));
page->protect();
//當前對象不是哨兵對象
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;
//循環(huán)找到最后一個子頁面
while (page->child) page = page->child;
AutoreleasePoolPage *deathptr;
do {
deathptr = page;
//找到父頁面
page = page->parent;
if (page) {
//將子頁面設置為nil
page->unprotect();
page->child = nil;
page->protect();
}
//銷毀子頁面
delete deathptr;
//遍歷銷毀到this為止
} while (deathptr != this);
}
3、嵌套使用
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]: ##############
- 線程的自動釋放池是一個指針堆棧，當嵌套使用時，添加好各自堆棧的哨兵對象；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，通過結構體的構造函數(shù)和析構函數(shù)觸發(fā)
- 壓棧：調用
objc_autoreleasePoolPush函數(shù) - 出棧：調用
objc_autoreleasePoolPop函數(shù)
特點：
- 自動釋放池是一個存儲指針的棧結構
- 指針要么是一個要釋放的對象，要么是
POOL_BOUNDARY自動釋放池邊界，俗稱：哨兵對象 - 哨兵對象的作用：當自動釋放池將對象進行
pop操作時，需要知道邊界在哪里，否則會破壞別人的內存空間。而哨兵對象，就是邊界標識 - 自動釋放池的?？臻g被分成一個 雙鏈接 結構的頁面列表，可添加和刪除頁面
- 雙向鏈表的特別，一個頁中同時存在父節(jié)點和子節(jié)點?？上蚯罢业礁疙撁?，也可向后找到子頁面
- 線程本地存儲指向熱頁，其中存儲新自動釋放的對象
- 棧原則，先進后出，可以理解為最后一個頁面就是熱頁。里面的對象最后被
push，最先被pop
容量：
- 池頁大小為
4096字節(jié)，每一頁都包含56字節(jié)的成員變量，但一個自動釋放池中，只會壓棧一個哨兵對象，占8字節(jié)
原理：
自動釋放池的本質是
__AtAutoreleasePool結構體，包含構造函數(shù)和析構函數(shù)結構體聲明，觸發(fā)構造函數(shù)，調用
objc_autoreleasePoolPush函數(shù)，本質是對象壓棧的push方法當結構體出作用域空間，觸發(fā)析構函數(shù)，調用
objc_autoreleasePoolPop函數(shù)，本質是對象出棧的pop方法對象壓棧
- 如果存在
page，并且沒有存滿，調用add函數(shù)- 使用
*next++進行內存平移 - 將對象壓棧
- 如果存在
page，但存儲已滿，調用autoreleaseFullPage函數(shù) - 遍歷鏈表，找到最后一個空白的子頁面
- 對其進行創(chuàng)建新頁
- 設置為熱頁面
- 添加對象
- 使用
- 否則，不存在
page，調用autoreleaseNoPage函數(shù)- 通過父類
AutoreleasePoolPageData進行初始化 begin：獲取對象壓棧的起始位置objc_thread_self：通過tls獲取當前線程- 鏈接雙向鏈表
- 設置為熱頁面
pushExtraBoundary為YES，哨兵對象壓棧- 對象壓棧
- 通過父類
- 如果存在
對象出棧
- 調用
popPage函數(shù)，傳入stop為哨兵對象的位置 - 當前頁中對象出棧，到
stop位置停止 - 調用
kill函數(shù)，銷毀當前頁面
- 調用
嵌套使用：
- 線程的自動釋放池是一個指針堆棧，當嵌套使用時，添加好各自堆棧的哨兵對象。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前綴開頭的方法進行對象創(chuàng)建，不會加入到自動釋放池；它們的空間開辟由開發(fā)者申請，釋放也由開發(fā)者進行管理
與線程的關系：
- 每個線程（包括主線程）維護自己的對象堆棧。隨著新池的創(chuàng)建，它們被添加到堆棧的頂部。當池被釋放時，它們會從堆棧中移除
autoreleased對象被放置在當前線程的頂部自動釋放池中；當一個線程終止時，它會自動清空所有與其關聯(lián)的自動釋放池
與 Runloop 的關系：
- 主程序在事件循環(huán)的每個循環(huán)開始時在主線程上創(chuàng)建一個自動釋放池
- 并在結束時將其排空，從而釋放在處理事件時生成的任何自動釋放對象
使用：
- for循環(huán)中大量創(chuàng)建對象時，使用 autorelease 可以有效控制內存的快速增長（原因是釋放沒有創(chuàng)建快，如果不加 autorelease 最終內存也會降下來，但可以 減少內存峰值）
for (int i = 0; i<100000000; i++) {
@autoreleasepool {
NSLog(@"%d",i);
__autoreleasing LZPerson *p =[LZPerson new];
}
}
到此這篇關于iOS底層探索之自動釋放池的文章就介紹到這了,更多相關iOS自動釋放池內容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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