Objective-C Autorelease Pool 的实现原理(1)

作者:本站整理时间:2015-06-19

内存管理一直是学习 Objective-C 的重点和难点之一，尽管现在已经是 ARC 时代了，但是了解 Objective-C 的内存管理机制仍然是十分必要的。其中，弄清楚 autorelease 的原理更是重中之重，只有理解了 autorelease 的原理，我们才算是真正了解了 Objective-C 的内存管理机制。注：本文使用的 runtime 源码是当前的最新版本 objc4-646.tar.gz 。

　　autoreleased 对象什么时候释放

　　autorelease 本质上就是延迟调用 release ，那 autoreleased 对象究竟会在什么时候释放呢？为了弄清楚这个问题，我们先来做一个小实验。这个小实验分 3 种场景进行，请你先自行思考在每种场景下的 console 输出，以加深理解。注：本实验的源码可以在这里 AutoreleasePool 找到。

　　思考得怎么样了？相信在你心中已经有答案了。那么让我们一起来看看 console 输出：

　　跟你预想的结果有出入吗？Any way ，我们一起来分析下为什么会得到这样的结果。

　　分析：3 种场景下，我们都通过 [NSString stringWithFormat:@"leichunfeng"] 创建了一个 autoreleased 对象，这是我们实验的前提。并且，为了能够在 viewWillAppear 和 viewDidAppear 中继续访问这个对象，我们使用了一个全局的 __weak 变量 string_weak_ 来指向它。因为 __weak 变量有一个特性就是它不会影响所指向对象的生命周期，这里我们正是利用了这个特性。

　　场景 1：当使用 [NSString stringWithFormat:@"leichunfeng"] 创建一个对象时，这个对象的引用计数为 1 ，并且这个对象被系统自动添加到了当前的 autoreleasepool 中。当使用局部变量 string 指向这个对象时，这个对象的引用计数 +1 ，变成了 2 。因为在 ARC 下 NSString *string 本质上就是 __strong NSString *string 。所以在 viewDidLoad 方法返回前，这个对象是一直存在的，且引用计数为 2 。而当 viewDidLoad 方法返回时，局部变量 string 被回收，指向了 nil 。因此，其所指向对象的引用计数 -1 ，变成了 1 。

　　而在 viewWillAppear 方法中，我们仍然可以打印出这个对象的值，说明这个对象并没有被释放。咦，这不科学吧？我读书少，你表骗我。不是一直都说当函数返回的时候，函数内部产生的对象就会被释放的吗？如果你这样想的话，那我只能说：骚年你太年经了。开个玩笑，我们继续。前面我们提到了，这个对象是一个 autoreleased 对象，autoreleased 对象是被添加到了当前最近的 autoreleasepool 中的，只有当这个 autoreleasepool 自身 drain 的时候，autoreleasepool 中的 autoreleased 对象才会被 release 。

　　另外，我们注意到当在 viewDidAppear 中再打印这个对象的时候，对象的值变成了 nil ，说明此时对象已经被释放了。因此，我们可以大胆地猜测一下，这个对象一定是在 viewWillAppear 和 viewDidAppear 方法之间的某个时候被释放了，并且是由于它所在的 autoreleasepool 被 drain 的时候释放的。

　　你说什么就是什么咯？有本事你就证明给我看你妈是你妈。额，这个我真证明不了，不过上面的猜测我还是可以证明的，不信，你看！

　　在开始前，我先简单地说明一下原理，我们可以通过使用 lldb 的 watchpoint 命令来设置观察点，观察全局变量 string_weak_ 的值的变化，string_weak_ 变量保存的就是我们创建的 autoreleased 对象的地址。在这里，我们再次利用了 __weak 变量的另外一个特性，就是当它所指向的对象被释放时，__weak 变量的值会被置为 nil 。了解了基本原理后，我们开始验证上面的猜测。

　　我们先在第 35 行打一个断点，当程序运行到这个断点时，我们通过 lldb 命令 watchpoint set v string_weak_ 设置观察点，观察 string_weak_ 变量的值的变化。如下图所示，我们将在 console 中看到类似的输出，说明我们已经成功地设置了一个观察点：

　　
设置好观察点后，点击 Continue program execution 按钮，继续运行程序，我们将看到如下图所示的界面：

　　我们先看 console 中的输出，注意到 string_weak_ 变量的值由 0x00007f9b886567d0 变成了
0x0000000000000000 ，也就是 nil 。说明此时它所指向的对象被释放了。另外，我们也可以注意到一个细节，那就是 console 中打印了两次对象的值，说明此时 viewWillAppear 也已经被调用了，而 viewDidAppear 还没有被调用。

　　接着，我们来看看左侧的线程堆栈。我们看到了一个非常敏感的方法调用 -[NSAutoreleasePool release] ，这个方法最终通过调用 AutoreleasePoolPage::pop(void *) 函数来负责对 autoreleasepool 中的 autoreleased 对象执行 release 操作。结合前面的分析，我们知道在 viewDidLoad 中创建的 autoreleased 对象在方法返回后引用计数为 1 ，所以经过这里的 release 操作后，这个对象的引用计数 -1 ，变成了 0 ，该 autoreleased 对象最终被释放，猜测得证。

　　另外，值得一提的是，我们在代码中并没有手动添加 autoreleasepool ，那这个 autoreleasepool 究竟是哪里来的呢？看完后面的章节你就明白了。

　　场景 2：同理，当通过 [NSString stringWithFormat:@"leichunfeng"] 创建一个对象时，这个对象的引用计数为 1 。而当使用局部变量 string 指向这个对象时，这个对象的引用计数 +1 ，变成了 2 。而出了当前作用域时，局部变量 string 变成了 nil ，所以其所指向对象的引用计数变成 1 。另外，我们知道当出了 @autoreleasepool {} 的作用域时，当前 autoreleasepool 被 drain ，其中的 autoreleased 对象被 release 。所以这个对象的引用计数变成了 0 ，对象最终被释放。

　　场景 3：同理，当出了 @autoreleasepool {} 的作用域时，其中的 autoreleased 对象被 release ，对象的引用计数变成 1 。当出了局部变量 string 的作用域，即 viewDidLoad 方法返回时，string 指向了 nil ，其所指向对象的引用计数变成 0 ，对象最终被释放。

　　理解在这 3 种场景下，autoreleased 对象什么时候释放对我们理解 Objective-C 的内存管理机制非常有帮助。其中，场景 1 出现得最多，就是不需要我们手动添加 @autoreleasepool {} 的情况，直接使用系统维护的 autoreleasepool ；场景 2 就是需要我们手动添加 @autoreleasepool {} 的情况，手动干预 autoreleased 对象的释放时机；场景 3 是为了区别场景 2 而引入的，在这种场景下并不能达到出了 @autoreleasepool {} 的作用域时 autoreleased 对象被释放的目的。

　　PS：请读者参考场景 1 的分析过程，使用 lldb 命令 watchpoint 自行验证下在场景 2 和场景 3 下 autoreleased 对象的释放时机，you should give it a try yourself 。

　　AutoreleasePoolPage

　　细心的读者应该已经有所察觉，我们在上面已经提到了 -[NSAutoreleasePool release] 方法最终是通过调用 AutoreleasePoolPage::pop(void *) 函数来负责对 autoreleasepool 中的 autoreleased 对象执行 release 操作的。

　　那这里的 AutoreleasePoolPage 是什么东西呢？其实，autoreleasepool 是没有单独的内存结构的，它是通过以 AutoreleasePoolPage 为结点的双向链表来实现的。我们打开 runtime 的源码工程，在 NSObject.mm 文件的第 438-932 行可以找到 autoreleasepool 的实现源码。通过阅读源码，我们可以知道：

　　每一个线程的 autoreleasepool 其实就是一个指针的堆栈；

　　每一个指针代表一个需要 release 的对象或者 POOL_SENTINEL（哨兵对象，代表一个 autoreleasepool 的边界）；

　　一个 pool token 就是这个 pool 所对应的 POOL_SENTINEL 的内存地址。当这个 pool 被 pop 的时候，所有内存地址在 pool token 之后的对象都会被 release ；

　　这个堆栈被划分成了一个以 page 为结点的双向链表。pages 会在必要的时候动态地增加或删除；

　　Thread-local storage（线程局部存储）指向 hot page ，即最新添加的 autoreleased 对象所在的那个 page 。

　　一个空的 AutoreleasePoolPage 的内存结构如下图所示：