关于自动释放池的讲解与介绍
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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了关于自动释放池的讲解与介绍相关的知识,希望对你有一定的参考价值。
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。
写在前面
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。
从 main 函数开始
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。
main.m 文件中的内容是这样的: int main(int argc, char * argv[]) { @autoreleasepool { return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class])); } }
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。
需要注意的是:整个 iOS 的应用都是包含在一个自动释放池 block 中的。
@autoreleasepool
@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:
$ clang -rewrite-objc main.m
在生成了一大堆警告之后,当前目录下多了一个 main.cpp 文件
这里删除了 main 函数中其他无用的代码。
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 /* @autoreleasepool */。也就是说 @autoreleasepool {} 被转换为一个 __AtAutoreleasePool 结构体:
{ __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; }
想要弄清楚这行代码的意义,我们要在 main.cpp 中查找名为 __AtAutoreleasePool 的结构体:
struct __AtAutoreleasePool { __AtAutoreleasePool() {atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();} ~__AtAutoreleasePool() {objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);} void * atautoreleasepoolobj; };
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。
这表明,我们的 main 函数在实际工作时其实是这样的:
int main(int argc, const char * argv[]) { { void * atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush(); // do whatever you want objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj); } return 0; }
@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。
AutoreleasePool 是什么
这一节开始分析方法 objc_autoreleasePoolPush 和 objc_autoreleasePoolPop 的实现:
void *objc_autoreleasePoolPush(void) { return AutoreleasePoolPage::push(); } void objc_autoreleasePoolPop(void *ctxt) { AutoreleasePoolPage::pop(ctxt); }
上面的方法看上去是对 AutoreleasePoolPage 对应静态方法 push 和 pop 的封装。
这一小节会按照下面的顺序逐步解析代码中的内容:
AutoreleasePoolPage 的结构
AutoreleasePoolPage 是一个 C++ 中的类:
它在 NSObject.mm 中的定义是这样的:
class AutoreleasePoolPage { magic_t const magic; id *next; pthread_t const thread; AutoreleasePoolPage * const parent; AutoreleasePoolPage *child; uint32_t const depth; uint32_t hiwat; };
-
magic 用于对当前 AutoreleasePoolPage 完整性的校验
-
thread 保存了当前页所在的线程
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)
#define I386_PGBYTES 4096 #define PAGE_SIZE I386_PGBYTES
双向链表
自动释放池中的 AutoreleasePoolPage 是以双向链表的形式连接起来的:
parent 和 child 就是用来构造双向链表的指针。
自动释放池中的栈
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:
其中有 56 bit 用于存储 AutoreleasePoolPage 的成员变量,剩下的 0x100816038 ~ 0x100817000 都是用来存储加入到自动释放池中的对象。
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。
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,它就会如下图所示移动到下一个为空的内存地址中:
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。
POOL_SENTINEL(哨兵对象)
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。
首先回答第一个问题: POOL_SENTINEL 只是 nil 的别名。
#define POOL_SENTINEL nil
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。
int main(int argc, const char * argv[]) { { void * atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush(); // do whatever you want objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj); } return 0; }
上面的 atautoreleasepoolobj 就是一个 POOL_SENTINEL。
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:
objc_autoreleasePoolPush 方法
了解了 POOL_SENTINEL,我们来重新回顾一下 objc_autoreleasePoolPush 方法:
void *objc_autoreleasePoolPush(void) { return AutoreleasePoolPage::push(); }
它调用 AutoreleasePoolPage 的类方法 push,也非常简单:
static inline void *push() { return autoreleaseFast(POOL_SENTINEL); }
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:
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); } }
上述方法分三种情况选择不同的代码执行:
-
有 hotPage 并且当前 page 不满
调用 page->add(obj) 方法将对象添加至 AutoreleasePoolPage 的栈中
-
有 hotPage 并且当前 page 已满
调用 autoreleaseFullPage 初始化一个新的页
调用 page->add(obj) 方法将对象添加至 AutoreleasePoolPage 的栈中
-
无 hotPage
调用 autoreleaseNoPage 创建一个 hotPage
调用 page->add(obj) 方法将对象添加至 AutoreleasePoolPage 的栈中
最后的都会调用 page->add(obj) 将对象添加到自动释放池中。
hotPage 可以理解为当前正在使用的 AutoreleasePoolPage。
page->add 添加对象
id *add(id obj) 将对象添加到自动释放池页中:
id *add(id obj) { id *ret = next; *next = obj; next++; return ret; }
笔者对这个方法进行了处理,更方便理解。
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。
autoreleaseFullPage(当前 hotPage 已满)
autoreleaseFullPage 会在当前的 hotPage 已满的时候调用:
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); }
它会从传入的 page 开始遍历整个双向链表,直到:
-
查找到一个未满的 AutoreleasePoolPage
-
使用构造器传入 parent 创建一个新的 AutoreleasePoolPage
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。
autoreleaseNoPage(没有 hotPage)
如果当前内存中不存在 hotPage,就会调用 autoreleaseNoPage 方法初始化一个
AutoreleasePoolPage: static id *autoreleaseNoPage(id obj) { AutoreleasePoolPage *page = new AutoreleasePoolPage(nil); setHotPage(page); if (obj != POOL_SENTINEL) { page->add(POOL_SENTINEL); } return page->add(obj); }
既然当前内存中不存在 AutoreleasePoolPage,就要从头开始构建这个自动释放池的双向链表,也就是说,新的 AutoreleasePoolPage 是没有 parent 指针的。
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。
最后,将 obj 添加到自动释放池中。
objc_autoreleasePoolPop 方法
同样,回顾一下上面提到的 objc_autoreleasePoolPop 方法:
void objc_autoreleasePoolPop(void *ctxt) { AutoreleasePoolPage::pop(ctxt); }
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。不过在这个方法中传入其它的指针也是可行的,会将自动释放池释放到相应的位置。
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:
对 objc_autoreleasePoolPop 行为的测试
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。
下面是 main.m 文件中的源代码:
#import int main(int argc, const char * argv[]) { @autoreleasepool { NSString *s = @"Draveness"; [s stringByAppendingString:@"-Suffix"]; } return 0; }
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:
当代码运行到这里时,通过 lldb 打印出当前 hotPage 中的栈内容:
-
通过 static 方法获取当前 hotPage
-
打印 AutoreleasePoolPage 中的内容
-
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
-
使用 print()和 printAll()打印自动释放池中内容
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。
再次打印当前 AutoreleasePoolPage 的内容时,字符串已经不存在了,这说明向 pop 方法传入非哨兵参数是可行的,只是我们一般不会传入非哨兵对象。
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:
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(); } } }
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。
该静态方法总共做了三件事情:
-
使用 pageForPointer 获取当前 token 所在的 AutoreleasePoolPage
-
调用 releaseUntil 方法释放栈中的对象,直到 stop
-
调用 child 的 kill 方法
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。
if (page->lessThanHalfFull()) { page->child->kill(); } else if (page->child->child) { page->child->child->kill(); }
pageForPointer 获取 AutoreleasePoolPage
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:
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; }
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 = 0x100816048
p % SIZE = 0x48
result = 0x100816000
而最后调用的方法 fastCheck() 用来检查当前的 result 是不是一个 AutoreleasePoolPage。
通过检查 magic_t 结构体中的某个成员是否为 0xA1A1A1A1。
releaseUntil 释放对象
releaseUntil 方法的实现如下:
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); }
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 。
使用 memset 将内存的内容设置成 SCRIBBLE,然后使用 objc_release 释放对象。
kill() 方法
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:
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); }
autorelease 方法
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:
- [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)
在 autorelease 方法的调用栈中,最终都会调用上面提到的 autoreleaseFast 方法,将当前对象加到 AutoreleasePoolPage 中。
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 autoreleaseFast 方法:
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; }
由于在上面已经分析过 autoreleaseFast 方法的实现,这里就不会多说了。
小结
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:
自动释放池是由 AutoreleasePoolPage 以双向链表的方式实现的
当对象调用 autorelease 方法时,会将对象加入 AutoreleasePoolPage 的栈中
调用 AutoreleasePoolPage::pop 方法会向栈中的对象发送 release 消息
参考资料
深入了解各第三方的源代码分析:iOS-Source-Code-Analyze
What is autoreleasepool? - Objective-C
以上是关于关于自动释放池的讲解与介绍的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章