iOS 深入探究 AutoreleasePool
AutoreleasePool 是什麼
AutoreleasePool （下面稱為快取池）是 iOS 開發中的一種記憶體管理的機制，物件呼叫 autorelease 方法後會被放到快取池中延遲釋放，當快取池需要清除時，會向這些 Autoreleased 物件傳送 release 訊息。
新建一個 Xcode 專案，將專案調整成 MRC:
MRC 中，需要使用
retain/release/autorelease 手動管理記憶體,如下程式碼：
int main(int argc, const char * argv[]) {
NSLog(@"-A-");
Coder *coder = [[Coder alloc] init];
[coder release];
NSLog 這裡用 alloc 建立了 coder 物件，讓它的引用計數增加，然後呼叫 release 方法完成釋放。如果使用 autorelease，就需要用到自動快取池了，程式碼如下：
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
NSLog(@"-A-");
Coder *coder = [[[Coder alloc] init] autorelease];
NSLog 這裡的 coder 物件在出了自動快取池的作用域後被自動釋放。
不是所有情況都是出了作用域後自動釋放，後面詳解。
@autoreleasepool 幹了什麼
通過 xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m 命令將 main.m 轉成 C++ 程式碼。
會發現 @autoreleasepool 被轉成一個成員變數：
__AtAutoreleasePool __autoreleasepool;
複製程式碼 __AtAutoreleasePool 結構體的實現：
struct __AtAutoreleasePool {
__AtAutoreleasePool() {atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();}
~__AtAutoreleasePool() {objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);}
void * atautoreleasepoolobj;
};
複製程式碼這裡有一個 C++ 的語法，__AtAutoreleasePool() 是建構函式，建立結構體時呼叫，~__AtAutoreleasePool() 是解構函式，在結構體銷燬時呼叫，所以上面的程式碼就可以理解為：
int main(int argc, const char * argv[]) {
void *atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();
// @autoreleasepool 括號裡面的程式碼
objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);
return 0;
}
複製程式碼這也解釋了上面說的為什麼並不是所有情況都是出了 @autoreleasepool 作用域後自動釋放，因為這只是一個語法糖，本質是呼叫了上面的 Push&PoP 方法。
AutoreleasePoolPage
runtime原始碼地址，這裡使用的 objc4-723
在原始碼中查詢上面的 Push&Pop 函式：
void *objc_autoreleasePoolPush(void)
{
return AutoreleasePoolPage::push();
}
void objc_autoreleasePoolPop(void *ctxt)
{
AutoreleasePoolPage::pop(ctxt);
}
複製程式碼這裡呼叫了 AutoreleasePoolPage 這個類的 Push&Pop 函式，關於 Push&Pop 這裡先打住。先來看看 AutoreleasePoolPage 是怎樣的結構，這裡只有成員變數：
class AutoreleasePoolPage
{
magic_t const magic;
id *next;
pthread_t const thread;
AutoreleasePoolPage * const parent;
AutoreleasePoolPage *child;
uint32_t const depth;
uint32_t hiwat;
// ...
}
複製程式碼這裡的 next 指標指向的是最新被新增進來的 autorelease 物件的下一個位置。 單看這個是不好理解的，所以這裡直接先說 AutoreleasePoolPage。
自動釋放池實際上是封裝的 AutoreleasePoolPage 這個 C++ 類，以雙向連結串列的形式構成。每個 AutoreleasePoolPage 物件會開闢 4096 位元組記憶體（也就是虛擬記憶體一頁的大小），除了上面的例項變數所佔空間，剩下的空間全部用來以棧的方式儲存 autorelease 物件。AutoreleasePoolPage 空間被佔滿時，會以連結串列的形式新建連結一個 AutoreleasePoolPage 物件，然後將 autorelease 物件的地址存在裡面。如圖所示：
原始碼分析
回到最初的 C++ 程式碼：
void *atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();
objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);
複製程式碼呼叫 Push 函式後，會獲得一個返回值，這個返回值作為 Pop 函式的引數被傳入了，下面來看看裡面具體的原理是什麼。直接來看 Push 函式的原始碼：
// 簡化後
static inline void *push()
{
id *dest;
dest = autoreleaseFast(POOL_BOUNDARY);
return dest;
}
複製程式碼這裡有個 POOL_BOUNDARY 值得我們注意，不過檢視它的定義會發現它其實是等價 nil 的巨集定義：
# define POOL_BOUNDARY nil
複製程式碼也就是說，POOL_BOUNDARY 僅僅只是一個哨兵值。進入 autoreleaseFast(...) 函式：
static inline id *autoreleaseFast(id obj)
{
AutoreleasePoolPage *page = hotPage();
if (page && !page->full()) {
// 1.
return page->add(obj);
} else if (page) {
// 2.
return autoreleaseFullPage(obj, page);
} else {
// 3.
return autoreleaseNoPage(obj);
}
}
複製程式碼hotPage 指當前使用的
AutoreleasePoolPage節點，coldPage 指已經被裝滿的連結串列節點。
這裡的判斷邏輯完全符合前面關於 AutoreleasePoolPage 的說明：
- 1.當前
page存在且沒有滿時，直接將物件新增到當前page中。 - 2.當前
page存在且已滿時，建立一個新的page，並將物件新增到新建立的page中，然後將這兩個連結串列節點連結。 - 3.當前
page不存在時，建立第一個page，並將物件新增到新建立的page中。
Push 後，都會先新增一個
POOL_BOUNDARY 來佔位，是為了對應一次
Pop 的釋放，例如圖中的
page 就需要兩次
Pop 然後完全的釋放。也就是程式碼中巢狀的情況：
@autoreleasepool {
@autoreleasepool {
}
}
複製程式碼這裡還需要強調的是，這裡使用的是雙鏈表來實現，只有在當前 page 空間使用完後，才會建立新的 page，並不是每個 @autoreleasepool 對應一個 AutoreleasePoolPage 物件。
接下來看 Pop 的原始碼:
// 簡化後
static inline void pop(void *token)
{
AutoreleasePoolPage *page;
id *stop;
page = pageForPointer(token);
stop = (id *)token;
// 1.根據 token，也就是上文的佔位 POOL_BOUNDARY 釋放 `autoreleased` 物件
page->releaseUntil(stop);
// hysteresis: keep one empty child if page is more than half full
// 2.釋放 `Autoreleased` 物件後，銷燬多餘的 page。
if (page->lessThanHalfFull()) {
page->child->kill();
}
else if (page->child->child) {
page->child->child->kill();
}
}
複製程式碼這裡沒什麼說的，來到 releaseUntil(...) 內部：
// 簡化後
void releaseUntil(id *stop)
{
// 1.
while (this->next != stop) {
AutoreleasePoolPage *page = hotPage();
// 2.
while (page->empty()) {
page = page->parent;
setHotPage(page);
}
// 3.
if (obj != POOL_BOUNDARY) {
objc_release(obj);
}
}
// 4.
setHotPage(this);
}
複製程式碼- 1.外部迴圈挨個遍歷
autoreleased物件，直到遍歷到stop這個POOL_BOUNDARY。 - 2.如果當前
hatPage沒有POOL_BOUNDARY，將hatPage設定為父節點。 - 3.給當前
autoreleased物件傳送release訊息。 - 4.再次配置
hatPage。
再來看看 autorelease 的實現，這裡直接定位到 page 裡面的 autorelease:
// 簡化後
static inline id autorelease(id obj)
{
id *dest __unused = autoreleaseFast(obj);
return obj;
}
複製程式碼和上面的 push 操作中呼叫的同一函式 autoreleaseFast，沒什麼說的。
這裡從原始碼層面上就瞭解了自動快取池道理是怎麼一回事。
AutoreleasePool 和 runloop
這裡需要 runloop 的知識，可以看我前面的文章 iOS 淺談 Runloop
App 啟動後，蘋果在主執行緒 RunLoop 裡註冊了兩個 Observer，回撥都是 _wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler ，用來處理自動快取池。
列印主執行緒的 runloop 進行確認。
print(RunLoop.main)
複製程式碼Observer 觀察的狀態，上面的是
activities = 0x1，下面的是
activities = 0xa0。這裡需要一點
runloop 的知識，下面就是
runloop 可以被監聽的狀態列舉。
typedef CF_OPTIONS(CFOptionFlags, CFRunLoopActivity) {
kCFRunLoopEntry = (1UL << 0), // 1
kCFRunLoopBeforeTimers = (1UL << 1), // 2
kCFRunLoopBeforeSources = (1UL << 2), // 4
kCFRunLoopBeforeWaiting = (1UL << 5), // 32
kCFRunLoopAfterWaiting = (1UL << 6), // 64
kCFRunLoopExit = (1UL << 7), // 128
kCFRunLoopAllActivities = 0x0FFFFFFFU
};
複製程式碼0x1 （等於1）對應的是 kCFRunLoopEntry ，第一個 Observer 監視的即將進入Loop時，，其回撥內會呼叫 _objc_autoreleasePoolPush() 建立一個自動釋放池。其 order 是 -2147483647，優先順序最高，保證建立快取池發生在其他所有回撥之前。
0xa0（16進位制等於160，等於32+128） 對應的是 kCFRunLoopBeforeWaiting&kCFRunLoopExit，第二個 Observer 監視了兩個事件： 準備進入休眠時呼叫 _objc_autoreleasePoolPop() 和 _objc_autoreleasePoolPush() 釋放舊的池並建立新池；即將退出Loop時呼叫 _objc_autoreleasePoolPop() 來釋放自動釋放池。這個 Observer 的 order 是 2147483647，優先順序最低，保證其釋放快取池發生在其他所有回撥之後。
所以對於我們應用來說，autoreleased 物件更多的是在 runloop 的休眠時進行釋放的。
參考
關於 AutoreleasePool 還有一些實際使用中的技巧，例如解決迴圈中 autoreleased 物件的記憶體問題等等。