iOS底层-内存管理之自动释放池

前言

内存管理里的篇章还有个自动释放池(AutoreleasePool)，它是一种内存回收机制，放入autoreleasePool中的对象会延迟释放。那么这个自动释放池是什么，又有怎样的特性？下面我们将对它进行深入分析

结构分析

在main.m有@autoreleasepool，通过clang查看如下：

在C++源码中@autoreleasepool是个__autoreleasepool的构造函数，通过搜索AtAutoreleasePool发现其代码如下：
```
struct __AtAutoreleasePool {
  __AtAutoreleasePool() {atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();}
  ~__AtAutoreleasePool() {objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);}
  void * atautoreleasepoolobj;
};
```
- 通过观察结构，发现在构造函数时会调用objc_autoreleasePoolPush，析构时调用objc_autoreleasePoolPop，再结合OC断点和汇编，最终确定代码在libobjc.A.dylib，于是在objc4-818.2源码中分析核心代码
通过搜索objc_autoreleasePoolPush和objc_autoreleasePoolPop发现，他们的源码比较类似都是调用AutoreleasePoolPage中的函数，一个是调用push，一个是调用pop：
```
void *
objc_autoreleasePoolPush(void)
{
    return AutoreleasePoolPage::push();
}

void
objc_autoreleasePoolPop(void *ctxt)
{
    AutoreleasePoolPage::pop(ctxt);
}
```
下面先分析下AutoreleasePoolPage

AutoreleasePoolPage

1. 找到AutoreleasePoolPage，在方法的开头可以看到注释:
- 在注释中可以得到：自动释放池存放的是指针，这些指针要么指向对象，要么指向释放池的边界POOL_BOUNDARY，池中还有一个哨兵对象，自动释放池是一个双向链表。
1. AutoreleasePoolPage有自己的构造函数和析构函数：

AutoreleasePoolPageData

AutoreleasePoolPage继承AutoreleasePoolPageData，它是一个结构体

相关参数作用如下：
- magic：用来校验AutoreleasePoolPage的结构是否完整
- next：指向最新添加的autoreleased对象下一个位置，就是这个对象初始化时指向的begin()
- thread：指向当前线程
- parent：指向父结点，第一个节点的parent值为nil
- child：指向子结点，最后一个结点的child值为nil
- depth：代表深度，从0开始往后递增1。也就是每增一页就递增1
- hiwat：代表high water mark，最大入栈数量标记
下面在代码中分析AutoreloeasePool的结构

代码分析

创建一个空的工程，将环境改成MRC然后在@autoreleasePool中加入对象，并打印autoreleasePool中的相关内容：
```
extern void _objc_autoreleasePoolPrint(void);

int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSObject *obj = [[NSObject alloc] autorelease];
        _objc_autoreleasePoolPrint();
    }
    return 0;
}
```
- 1. _objc_autoreleasePoolPrint是在objc源码中是一个打印自动释放池内容的函数。
- 1. @autoreleasepool是自动释放池，autorelease是将对象加入自动释放池
打印结果如下：
- 可以观察到自动释放池前面有56字节的一些相关初始化成员变量，然后有个8字节的哨兵对象，之后才是加入自动释放池的对象。

首页结构图

根据上面的分析，autoreleasePool第一页的结构如下图

自动释放池是怎么加入销毁对象的，一页能够加入多少销毁对象呢，以及对象的释放在什么时候？下面我们将从原理去分析这些特性

原理

push

首先来看看push代码

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;
}

不看debug的代码，于是可以定位到autoreleaseFast代码

autoreleaseFast代码如下:

static inline id *autoreleaseFast(id obj)
{
    AutoreleasePoolPage *page = hotPage(); // 获取hotpage
    if (page && !page->full()) { // 如果page存在且没有存满，则添加对象
        return page->add(obj); 
    } else if (page) { // 存满则新增
        return autoreleaseFullPage(obj, page); 
    } else { // page不存在，则创建page
        return autoreleaseNoPage(obj);
    }
}

从hotPage取到page后主要分为三种情况：
- 1. page存在且没有满，则添加
- 1. page满了，则调用autoreleaseFullPage方法分页后添加
- 1. page不存在就调用autoreleaseNoPage进行相关创建并添加操作

下面针对这三种情况进行详细分析

add

add代码的核心是个内存平移的操作
- next指针最开始指向begin位置，当进来一个obj，next就会往下平移一个单位直到存满
- next指针平移过程如下图：

判断存满full

首先来看看存满的条件full：
- 当next指向end位置，也就是page的末尾时就代表存满了，可以看到size的最大值是2^12也就是4096，由于里面的成员变量占56字节，哨兵对象占8字节，所以可以添加的对象占4032字节，也就是可以添加504个销毁对象。
代码验证：
- 当添加第505个时就会进行分页，打印如下
  - 第505个对象添加在了新的page中，新的page中处理初始化需要的成员变量外，并没有哨兵对象，也就是新增的页面占用4040个字节，也就是 可以存储505个对象
- 疑问：为什么第二页没有哨兵对象？
  - 答：因为哨兵对象有"监控"page边界的作用，第一页已经满了已经不需要add操作，所以它可以去第二页工作，由于没有存满之前都在当前页工作，所以只需要一个哨兵对象就足够了

结论：
1. 第一页最多可以存储504个对象，新增页最多存储505个对象
2. 新增页没有哨兵对象

autoreleaseFullPage

当存满后会走autoreleaseFullPage方法
- 此处主要是do-while循环中找到最后一张page
  - 如果没有满，则将page设置成hot，再调用add添加obj
  - 如果满了，就调用AutoreleasePoolPage创建新page，然后再add添加obj。
AutoreleasePoolPage方法主要是进行page初始化，并设置成员变量的值，如果有parent，则设置parent的child为自己

autoreleaseNoPage

当没有取到hotPage，也就是第一个page不存在时就会进行创建：
- 创建的过程和上面存满的过程一样，但第一个界面创建后会先添加一个哨兵对象，然后再添加销毁对象

pop

pop主要代码如下
- 如果token指向哨兵对象，则说明第一页是空的，然后做一些相应处理
- popPageDebug方法最终会走到popPage函数，再查看popPage的实现

popPage

代码如下

截屏2021-11-12 19.35.51.png

1. popPage首先会调用releaseUntil将对象进行release：
- 这块代码主要是在while循环中进行内存平移取到对象，然后调用objc_release方法进行释放
- 平移取对象的过程如下图：
1. 对象释放后，然后当前页是空的，就会找到parent，然后将当前页kill，并将parent设置成hotPage
1. 如果是page是第一页，则直接kill，并将hotPage设置为nil
1. 如果当前page有child：
- 如果当前页半满，则将child直接kill
- 如果child还有child，则将child的child直接kill