iOS 底層拾遺：AutoreleasePool
前言
在陽神的 黑幕背後的Autorelease 文章中已經把 AutoreleasePool 核心邏輯講明白了，不過多是結論性的東西，筆者通讀原始碼以探究更多的細節，驗證一下老生常談的一些結論。
原始碼基於 Runtime 750。
一、@autoreleasepool {} 幹了些什麼
main.m 檔案程式碼：
int main(int argc,const char * argv[]) {
@autoreleasepool {}
return 0;
}
複製程式碼使用 clang -rewrite-objc main.m 檢視經過編譯器前端處理的程式碼：
struct __AtAutoreleasePool {
__AtAutoreleasePool 可以看出@autoreleasepool{}
__AtAutoreleasePool型別的區域性變數幷包含在當前作用域，__AtAutoreleasePool構造和析構時分別呼叫了兩個方法，所以簡化過程如下：
void *context = objc_autoreleasePoolPush()
// 物件呼叫 autorelease 裝入自動釋放池
objc_autoreleasePoolPop(context)
複製程式碼可以猜測 push 和 pop 操作是實現自動釋放的關鍵。
二、AutoreleasePoolPage 記憶體分佈
官方文件 中提到了，主執行緒以及非顯式建立的執行緒（比如 GCD）都會有一個 event loop (RunLoop 就是具體實現)，在 loop 的每一個迴圈週期的開始和結束會分別呼叫自動釋放池的 push 和 pop 方法，由此來實現自動的記憶體管理。
objc_autoreleasePoolPush()和objc_autoreleasePoolPop(...)實際上會呼叫到AutoreleasePoolPage類的push()和pop()方法，先看一下這個類的資料結構：
class AutoreleasePoolPage {
...
magic_t const magic;
id *next;
pthread_t const thread;
AutoreleasePoolPage * const parent;
AutoreleasePoolPage *child;
static void * operator new(size_t size) {
return malloc_zone_memalign(malloc_default_zone(),SIZE,SIZE);
}
id * begin() {
return (id *) ((uint8_t *)this+sizeof(*this));
}
id * end() {
return (id *) ((uint8_t *)this+SIZE);
}
...
}
複製程式碼-
parent和child正是指向前驅和後繼指標，自動釋放池就是一個以AutoreleasePoolPage為節點的雙向連結串列（後文驗證）。 -
thread是指當前 page 所對應的執行緒。 -
magic用於校驗記憶體是否損壞。 -
next指向當前可插入物件的地址。
記憶體對齊
重寫了new運算子，使用了malloc_zone_memalign(...)進行記憶體分配：
extern void *malloc_zone_memalign(malloc_zone_t *zone,size_t alignment,size_t size) ;
/*
* Allocates a new pointer of size size whose address is an exact multiple of alignment.
* alignment must be a power of two and at least as large as sizeof(void *).
* zone must be non-NULL.
*/
複製程式碼註釋說得很清楚了，這個方法以alignment對齊的地址分配size的記憶體空間。呼叫時兩個引數都使用了SIZE巨集，實際上就是虛擬記憶體頁的大小：
#define I386_PGBYTES 4096
複製程式碼一個 page 的記憶體空間設定過小會導致更多的開闢空間操作降低效率，大量的parent/child指標變數也會佔用可觀的記憶體；空間設定過大可能會導致一個 page 的利用率低浪費過多記憶體。設定為 4096 是比較考究的，在保證記憶體對齊的情況下最大化利用空間避免記憶體碎片。這麼做過後 page 的地址總是 4096 的整數倍，可以讓某些運算更便捷（比如後文會說的通過指標地址尋找對應的 page）。
begin() 與 end()
AutoreleasePoolPage本身的大小遠不及 4096，而超出的空間正是用來存放“期望被自動管理的物件”。begin()和end()方法標記了這個範圍。
sizeof(*this)表示AutoreleasePoolPage本身的大小，那麼(uint8_t *)this+sizeof(*this)就是最低地址，(uint8_t *)this+SIZE就是最高地址。逐個插入物件時，next指標從begin()到end()逐個移動，後面的full()方法就是指next == end()，empty()就是指next == begin()。
值得注意的是next/end()/begin()等都是id *型別的，即指向指標的指標，進行 +1 -1 運算時移動的是一個id大小的距離。
三、push 邏輯
push()方法會呼叫autoreleaseFast(POOL_BOUNDARY)：
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);
}
}
複製程式碼hotPage 指的是當前可插入物件的 page，放到後面一點分析，先來看插入物件的邏輯，分三種情況：
1、當 page 存在且沒滿時，直接新增物件：
id *add(id obj)
{
assert(!full());
unprotect();
id *ret = next; // faster than `return next-1` because of aliasing
*next++ = obj;
protect();
return ret;
}
複製程式碼unprotect()/protect()內部使用了int mprotect(void *a,size_t b,int c)，設定記憶體起點a長度b的記憶體區域為c型別的訪問限制：
inline void protect() {
#if PROTECT_AUTORELEASEPOOL
mprotect(this,PROT_READ);
check();
#endif
}
inline void unprotect() {
#if PROTECT_AUTORELEASEPOOL
check();
mprotect(this,PROT_READ | PROT_WRITE);
#endif
}
複製程式碼unprotect()設定為可讀可寫，protect()設定為只讀，所以這裡的目的是保證 page 寫安全。不過有#define PROTECT_AUTORELEASEPOOL 0定義說明目前版本還沒有開放這個保護功能。
2、當 page 存在且滿了時，拓展 page 節點並新增物件：
static __attribute__((noinline))
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);
}
複製程式碼迴圈的邏輯：從 child 方向找到未滿的 page，若找不到則建立一個新 page 拼接到連結串列尾部（AutoreleasePoolPage 構造方法會把傳入的 page 引數作為 parent 前驅物件）。後面再設定最新的 page 為 hotpage 並將 obj 新增進 page。
3、當 page 不存在時，初始化一個
static __attribute__((noinline))
id *autoreleaseNoPage(id obj)
{ ...
AutoreleasePoolPage *page = new AutoreleasePoolPage(nil);
setHotPage(page);
...
return page->add(obj);
}
複製程式碼這個方法核心就是建立第一個 page 然後加入執行緒區域性儲存。
hotPage
從上面的push()方法分析可知，被自動管理的物件會不斷插入雙向連結串列從前到後第一個未滿 page ，hotPage()其實就是指向這個 page，還有個coldPage()方法是根據hotPage()找到第一個 page。
既然自動釋放池是由AutoreleasePoolPage組成的雙向連結串列，那這個連結串列該如何訪問呢？可能常規的思路是建立一個全域性變數來訪問它，不過這裡使用了另外一個方式：
static inline AutoreleasePoolPage *hotPage()
{
AutoreleasePoolPage *result = (AutoreleasePoolPage *)
tls_get_direct(key);
// EMPTY_POOL_PLACEHOLDER 表示沒有 page
if ((id *)result == EMPTY_POOL_PLACEHOLDER) return nil;
if (result) result->fastcheck();
return result;
}
static inline void setHotPage(AutoreleasePoolPage *page)
{
if (page) page->fastcheck();
tls_set_direct(key,(void *)page);
}
複製程式碼tls_get_direct(...)和tls_set_direct(...)內部就是使用執行緒的區域性儲存（TLS: Thread Local Storage）將 page 儲存起來，這樣可以避免維護額外的空間來記錄尾部的 page。由此也驗證了自動釋放池與執行緒一一對應的關係。
在 YYKit 中有一個使用廣泛的技巧：將某個物件最後使用時放在非同步執行緒，如果這個物件釋放就（可能?）會在這個非同步執行緒，從而降低主執行緒壓力。實際上就是編譯器插入 autorelease 程式碼將物件加入到非同步執行緒的自動釋放池，而如果非同步執行緒的釋放池先於主執行緒的釋放池pop()而呼叫物件的release()方法，那麼這個物件如果釋放就會在非同步執行緒。所以筆者認為這個優化並非絕對有效（這裡衍生出一個問題：一個物件被多個自動釋放池管理，若物件釋放這些釋放池怎麼避免的野指標問題？）。
POOL_BOUNDARY
push()方法呼叫autoreleaseFast(POOL_BOUNDARY)時傳入的是一個 POOL_BOUNDARY 並非需要被管理的物件，它的定義如下：
# define POOL_BOUNDARY nil
複製程式碼在呼叫autoreleaseFast(obj)方法會返回指向obj指標的指標，它是一個id *型別，也就是說，這個返回值關心的只是obj指標的地址，而不是obj值的地址，obj指標的地址就是對應AutoreleasePoolPage物件記憶體中的某段區域。
再看一下上層呼叫：
void *context = objc_autoreleasePoolPush()
...
objc_autoreleasePoolPop(context)
複製程式碼pop 時會將這個obj指標的地址傳入進去。pop 的邏輯是把 hotPage 裡面裝的物件依次移除併發送 release 訊息（後面會詳細分析），當前 page 移除完了，繼續移除 parent 節點內的物件，以此反覆，而移除物件操作何時停止就是到這個obj指標的地址。
所以，push 操作加入一個 POOL_BOUNDARY 實際上就是加一個邊界，pop 操作時根據邊界判斷範圍，這就是一個入棧與出棧的過程。
magic 校驗
多次出現的check()方法如下：
void check(bool die = true) {
if (!magic.check() || !pthread_equal(thread,pthread_self())) busted(die);
}
void fastcheck(bool die = true) {
//補充：#define CHECK_AUTORELEASEPOOL (DEBUG)
#if CHECK_AUTORELEASEPOOL
check(die);
#else
if (! magic.fastcheck()) busted(die);
#endif
}
複製程式碼可以看到，它們都呼叫了magic的 check 方法，在 DEBUG 時還會去檢查當前執行緒是否與 page 的執行緒一致。
magic是magic_t型別的，這個結構體主要是有個uint32_t m[4];陣列，構造時記憶體直接會寫為0xA1A1A1A1 AUTORELEASE!，然後check()邏輯就是判斷構造時的值是否發生了改變，若發生改變說明這個 page 已經被破壞。
四、autorelease 邏輯
上層物件呼叫 autorelease 方法會呼叫到AutoreleasePoolPage的以下方法：
static inline id autorelease(id obj)
{
assert(obj);
assert(!obj->isTaggedPointer());
id *dest __unused = autoreleaseFast(obj);
assert(!dest || dest == EMPTY_POOL_PLACEHOLDER || *dest == obj);
return obj;
}
複製程式碼顯然，最終還是會呼叫前面解析的autoreleaseFast(...)方法進行物件插入。由此也可以推斷，在一個 Thread 沒有 Runloop 自動執行自動釋放池的 push 和 pop 時，物件進行 autorelease 時若發現沒有自動釋放池節點會自動建立 page 並加入執行緒區域性儲存（參考前面的autoreleaseNoPage(...)方法分析）。
五、pop 邏輯
objc_autoreleasePoolPop(context)的context引數是objc_autoreleasePoolPush()返回的，實際上就是POOL_BOUNDARY對應的在AutoreleasePoolPage中的地址。最終會呼叫到pop()方法：
static inline void pop(void *token)
{
AutoreleasePoolPage *page;
id *stop;
...
// 拿到 token 邊界對應的 page
page = pageForPointer(token);
stop = (id *)token;
...
// pop 內部物件直到 stop 邊界
page->releaseUntil(stop);
...
// 刪除空的 child 連結串列節點，如果當前頁物件超過一半，保留下一個空節點
if (page->lessThanHalfFull()) {
page->child->kill();
}
else if (page->child->child) {
page->child->child->kill();
}
}
複製程式碼pop()的邏輯應該很好理解了，token引數就是邊界，下面分別分析步驟：
找到邊界對應的 page
static AutoreleasePoolPage *pageForPointer(const void *p) {
return pageForPointer((uintptr_t)p);
}
static AutoreleasePoolPage *pageForPointer(uintptr_t p) {
AutoreleasePoolPage *result;
uintptr_t offset = p % SIZE;
....
result = (AutoreleasePoolPage *)(p - offset);
result->fastcheck();
return result;
}
複製程式碼看上面個函式，const void *p是指標的指標，((uintptr_t)p)才表示POOL_BOUNDARY指標在對應 page 中的地址。
看下面個函式，前面分析過記憶體對齊的處理，那麼 page 的起始地址必然是 SIZE (也就是頁大小 4096) 的倍數，那麼p % SIZE就得到了這個p在 page 中的地址偏移，最後通過p - offset就拿到了 page 的起始地址，這個處理比較秀。
移除被管理物件併發送 release 訊息
void releaseUntil(id *stop) {
while (this->next != stop) {
AutoreleasePoolPage *page = hotPage();
// 如果當前 page 空了，指向 parent
while (page->empty()) {
page = page->parent;
setHotPage(page);
}
// 將即將要移除物件對應 page 中的記憶體置為 SCRIBBLE
page->unprotect();
id obj = *--page->next;
memset((void*)page->next,SCRIBBLE,sizeof(*page->next));
page->protect();
// 呼叫物件的 release 方法
if (obj != POOL_BOUNDARY) {
objc_release(obj);
}
}
// 把當前 page 設定 hotpage（呼叫時 this 就是對應期望釋放邊界的 page）
setHotPage(this);
...
}
複製程式碼清除 child
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);
}
複製程式碼這個邏輯一目瞭然了：找到當前 page 的 child 方向尾部 page，然後反向挨著釋放並且把其 parent 節點的 child 指標置空。前面也說明了unprotect和protect內部並沒有開啟寫入安全保護。
後語
以上就是自動釋放池大部分原始碼的分析了，這部分原始碼沒有涉及彙編並且程式碼量比較少，所以看起來相對容易。多理解一些記憶體管理底層有利於理解各種上層特性、定位記憶體難題，也有助於寫出更穩定的程式碼。並且在這個過程中，不可避免需要接觸作業系統和編譯原理相關知識，也算是能培養通識效能力。
讀原始碼遠比記結論重要，遇到某些優秀的程式碼細節往往令人驚喜，不失為一種樂趣。