75. Autorelease机制及释放时机

Posted 2020-07-02 DCSnail-蜗牛

Autorelease机制是ios开发者管理对象内存的好伙伴，MRC中，调用[obj autorelease]来延迟内存的释放是一件简单自然的事；ARC下，我们甚至可以完全不知道Autorelease 系统就能管理好内存。而在这背后，objc和编译器都帮我们做了哪些事呢，一起来探究下Autorelease机制吧。

概述

当向一个对象发送一个autorelease消息时，Cocoa就会将该对象的一个引用放入到最新的自动释放池。它仍然是个正当的对象，因此自动释放池定义的作用域内的其它对象可以向它发送消息。当自动释放池释放时，其中所有被管理对象都会收到”relrease”的消息, 从而池中的所有对象也就被释放。注意，同一个对象可以被多次调用”autorelease”方法，并可以放到同一个”AutoreleasePool”中。
所以引入这个自动释放池机制，对象的”autorelease”方法代替”relrease”方法可以延长它的生命周期，直接到当前”AutorelreasePool”释放。

iOS通过引用计数管理内存

OC 是通过”referring counting”(引用计数)的方式来管理内存的, 对象在开始分配内存(alloc)的时候引用计数为一,以后每当碰到有copy,retain的时候引用计数都会加一, 每当碰到release和autorelease的时候引用计数就会减一,如果此对象的计数变为了0, 就会被系统销毁.
GC（Garbage Collection) 即垃圾回收, 需要注意的是iOS没有垃圾回收机制的, 只靠引用计数来进行管理内存, 这其实也是 Autorelease 原理的核心. 大家不要混淆这种方法和垃圾回收机制. 不过很多语言还是有自己的垃圾回收机制的, 推荐一篇文章关于垃圾回收（GC）的三种基本方式.

NSAutoreleasePool

如何使用

NSAutoreleasePool *pool=[[NSAutoreleasePool alloc] init];
当执行[pool autorelease]的时候，系统会进行一次内存释放，把autorelease的对象释放掉，如果没有NSAutoreleasePool , 那这些内存不会释放
注意，对象并不是自动被加入到当前pool中，而是需要对对象发送autorelease消息，这样，对象就被加到当前pool的管理里了。当当前pool接受到drain消息时，它就简单的对它所管理的所有对象发送release消息。

NSAutoreleasePool * pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
NSString* nsstring;
char* cstring = "Hello CString";
nsstring = [NSString stringWithUTF8String:cstring];
[pool drain];

注意事项

1.NSAutoreleasePool的管理范围是在NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc]init];与[pool drain];之间的对象
2.在程序的入口main函数就调用NSAutoreleasePool，这样保证程序中不调用NSAutoreleasePool，但在退出时自动释放。新开线程最好实现NSAutoreleasePool
3.NSAutoreleasePool实际上是个对象引用计数自动处理器. NSAutoreleasePool可以同时有多个，它的组织是个栈，总是存在一个栈顶pool，也就是当前pool，每创建一个pool，就往栈里压一个，改变当前pool为新建的pool，然后，每次给pool发送drain消息，就弹出栈顶的pool，改当前pool为栈里的下一个 pool。
4.如果在Automatic Reference Counting(ARC) 不能直接使用autorelease pools,而是使用@autoreleasepool{}, @autoreleasepool{} 比直接使用NSAutoreleasePool 效率高。但在 MRC 下两者都是适用的.
5.在非 GC的引用计数环境下，drain和release一样，但是在garbage-collected环境中，使用drain。(”release”与”drain”的区别是”drain”在有GC的环境中会引起GC回收操作，”release”反之。但在非GC环境中，两者相同。官方的说法是为了程序的兼容性，应该考虑用”drain”代替”release”。)

Autorelease原理

现在看一段 MRC 下关于单层 autoreleasePool使用的代码:

NSAutoreleasePool * pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
NSArray * array = [[[NSArray alloc] init] autorelease];
[pool drain];

AutoreleasePoolPage

ARC下，我们使用@autoreleasepool{}来使用一个AutoreleasePool，随后编译器将其改写成下面的样子：

void *context = objc_autoreleasePoolPush();// {}中的代码objc_autoreleasePoolPop(context);

而这两个函数都是对AutoreleasePoolPage的简单封装，所以自动释放机制的核心就在于这个类。

AutoreleasePoolPage是一个C++实现的类

AutoreleasePool并没有单独的结构，而是由若干个AutoreleasePoolPage以双向链表的形式组合而成（分别对应结构中的parent指针和child指针）。
AutoreleasePool是按线程一一对应的（结构中的thread指针指向当前线程）。
AutoreleasePoolPage每个对象会开辟4096字节内存（也就是虚拟内存一页的大小），除了上面的实例变量所占空间，剩下的空间全部用来储存autorelease对象的地址。
上面的id *next指针作为游标指向栈顶最新add进来的autorelease对象的下一个位置。
一个AutoreleasePoolPage的空间被占满时，会新建一个AutoreleasePoolPage对象，连接链表，后来的autorelease对象在新的page加入。
所以，若当前线程中只有一个AutoreleasePoolPage对象，并记录了很多autorelease对象地址时，内存如下图：

上图中的情况，这一页再加入一个autorelease对象就要满了（也就是next指针马上指向栈顶），这时就要执行上面说的操作，建立下一页page对象，与这一页链表连接完成后，新page的next指针被初始化在栈底（begin的位置），然后继续向栈顶添加新对象。
所以，向一个对象发送- autorelease消息，就是将这个对象加入到当前AutoreleasePoolPage的栈顶next指针指向的位置。

释放时刻

每当进行一次objc_autoreleasePoolPush调用时，runtime向当前的AutoreleasePoolPage中add进一个哨兵对象，值为0（也就是个nil），那么这一个page就变成了下面的样子：

objc_autoreleasePoolPush的返回值正是这个哨兵对象的地址，被objc_autoreleasePoolPop(哨兵对象)作为入参，于是：
1、根据传入的哨兵对象地址找到哨兵对象所处的page。
2、在当前page中，将晚于哨兵对象插入的所有autorelease对象都发送一次- release消息，并向回移动next指针到正确位置。
3、补充2：从最新加入的对象一直向前清理，可以向前跨越若干个page，直到哨兵所在的page，刚才的objc_autoreleasePoolPop执行后，最终变成下面的样子：

嵌套的AutoreleasePool

但由于你提到了生成的每个实例可能会比较大。只在循环外嵌套，可能导致在pool释放前，内存里已经有10000个实例存在，造成瞬间占用内存过大的情况。因此，如果你的每个实例仅需要在单次循环过程中用到，那么可以考虑可以在循环内创建pool并释放

NSAutoreleasePool * pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
for (int i = 0; i < 10000; i++)
{
        NSAutoreleasePool * pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
    // ...
    [pool drain];
}
[pool drain];

知道了上面的原理，嵌套的AutoreleasePool就非常简单了，pop的时候总会释放到上次push的位置为止，多层的pool就是多个哨兵对象而已，就像剥洋葱一样，每次一层，互不影响。

Autorelease 释放时机

很多人说, 当程序执行到作用域结束的位置时(当前作用域大括号结束时)，自动释放池就会被释放，这个说法是不对的。正确的过程是如何呢?

iOS的运行时是由一个一个runloop组成的，每个runloop都会执行下图的一些步骤：

可以看到，每个runloop中都创建一个Autorelease Pool，并在runloop的末尾进行释放，所以，一般情况下，每个接受autorelease消息的对象，都会在下个runloop开始前被释放。也就是说，在一段同步的代码中执行过程中，生成的对象接受autorelease消息后，一般是不会在作用域结束前释放的。
所以严谨的说, 在没有手动添加Autorelease Pool的情况下，Autorelease对象是在当前的runloop迭代结束时释放的，而它能够释放的原因是系统在每个runloop迭代中都加入了自动释放池Push和Pop。

小实验

__weak id reference = nil;
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];    NSString *str = [NSString stringWithFormat:@"sunnyxx"];    // str是一个autorelease对象，设置一个weak的引用来观察它
    reference = str;
}
- (void)viewWillAppear:(BOOL)animated {
    [super viewWillAppear:animated];    NSLog(@"%@", reference); // Console: sunnyxx}
- (void)viewDidAppear:(BOOL)animated {
    [super viewDidAppear:animated];    NSLog(@"%@", reference); // Console: (null)}

由于这个vc在loadView之后便add到了window层级上，所以viewDidLoad和viewWillAppear是在同一个runloop调用的，因此在viewWillAppear中，这个autorelease的变量依然有值。
当然，我们也可以手动干预Autorelease对象的释放时机：

- (void)viewDidLoad
{
    [super viewDidLoad];
    @autoreleasepool {        NSString *str = [NSString stringWithFormat:@"sunnyxx"];
    }    NSLog(@"%@", str); // Console: (null)}

参考资料:Autorelease原理解析