AutoreleasePool详解和runloop的关系

内存管理一直是学习 Objective-C 的重点和难点之一，在实际的软件开发工作中，经常会遇见由于内存原因而导致的crash。而autorelease pool在内存管理中有着举足轻重的作用，只有理解了 autorelease pool 的原理，我们才算是真正了解了 Objective-C 的内存管理机制。下面我会从以下几个方面给大家讲解：

· NSAutoreleasePool是什么？
· NSAutoreleasePool的实现原理是什么？
· NSAutoreleasePool何时释放？
· 如何使用Autorelease Pool Blocks
· AutoreleasePool与runloop和线程的关系
· NSAutoreleasePool是什么?

NSAutoreleasePool是什么？

NSAutoreleasePool实际上是个对象引用计数自动处理器，在官方文档中被称为是一个类。Objective-C的对象（全部继承自NSObject），就是使用引用计数的方法来管理对象的存活，众所周知，当引用计数为0时，对象就被销毁了。操作非常简单，当对象被创建时，引用计数被设成1。可以给对象发送retain消息，让对象对自己的引用计数加1。而当对象接受到release消息时，对象就会对自己的引用计数进行减1，当引用计数到了0，对象就会调用自己的dealloc处理。当对象被加入到NSAutoreleasePool中，会对其对象retain一次，当NSAutoreleasePool结束时，会对其所有对象发送一次release消息。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。

NSAutoreleasePool的实现原理是什么？

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);

@autoreleasepool {} 在编译时 @autoreleasepool {} 被转换为一个__AtAutoreleasePool ，通常这个结构体会在初始化时调用 objc_autoreleasePoolPush()方法,在析构时调用 objc_autoreleasePoolPop () 方法。而这些方法都是对AutoreleasePoolPage的简单封装。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）。

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。

-[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：

AutoreleasePoolPage

1. magic 用来校验 AutoreleasePoolPage 的结构是否完整；
2. next 指向最新添加的 autoreleased 对象的下一个位置，初始化时指向 begin() ；
3. thread 指向当前线程；
4. parent 指向父结点，第一个结点的 parent 值为 nil ；
5. child 指向子结点，最后一个结点的 child 值为 nil ；
6. depth 代表深度，从 0 开始，往后递增 1；
7. hiwat 代表 high water mark ，表示最大可容纳节点数量。

另外，当 next == begin() 时，表示 AutoreleasePoolPage 为空；当 next == end() 时，表示 AutoreleasePoolPage 已满。

Autorelease Pool Blocks

我们使用 clang -rewrite-objc 命令将下面的 Objective-C 代码重写成 C++ 代码：

@autoreleasepool {

}

将会得到以下输出结果（只保留了相关代码）：

extern "C" __declspec(dllimport) void * objc_autoreleasePoolPush(void);
extern "C" __declspec(dllimport) void objc_autoreleasePoolPop(void *);

struct __AtAutoreleasePool {
  __AtAutoreleasePool() {atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();}
  ~__AtAutoreleasePool() {objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);}
  void * atautoreleasepoolobj;
};

/* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool;

}

不得不说，苹果对 @autoreleasepool {} 的实现真的是非常巧妙，真正可以称得上是代码的艺术。苹果通过声明一个 __AtAutoreleasePool 类型的局部变量 __autoreleasepool 来实现 @autoreleasepool {} 。当声明 __autoreleasepool 变量时，构造函数 __AtAutoreleasePool()被调用，即执行 atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush(); ；当出了当前作用域时，析构函数 ~__AtAutoreleasePool() 被调用，即执行 objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj); 。也就是说 @autoreleasepool {} 的实现代码可以进一步简化如下：

/* @autoreleasepool */ {
    void *atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();
    // 用户代码，所有接收到 autorelease 消息的对象会被添加到这个 autoreleasepool 中
    objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);
}

因此，单个 autoreleasepool 的运行过程可以简单地理解为 objc_autoreleasePoolPush()、[对象 autorelease] 和 objc_autoreleasePoolPop(void *) 三个过程。

push 操作

上面提到的 objc_autoreleasePoolPush() 函数本质上就是调用的 AutoreleasePoolPage 的 push 函数。

void *objc_autoreleasePoolPush(void)
{
    if (UseGC) return nil;
    return AutoreleasePoolPage::push();
}

因此，我们接下来看看 AutoreleasePoolPage 的 push 函数的作用和执行过程。一个 push 操作其实就是创建一个新的 autoreleasepool ，对应 AutoreleasePoolPage 的具体实现就是往 AutoreleasePoolPage 中的 next 位置插入一个 POOL_SENTINEL ，并且返回插入的 POOL_SENTINEL 的内存地址。这个地址也就是我们前面提到的 pool token ，在执行 pop 操作的时候作为函数的入参。

static inline void *push()
{
    id *dest = autoreleaseFast(POOL_SENTINEL);
    assert(*dest == POOL_SENTINEL);
    return dest;
}

push 函数通过调用 autoreleaseFast 函数来执行具体的插入操作。

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);
    }
}

autoreleaseFast 函数在执行一个具体的插入操作时，分别对三种情况进行了不同的处理：

1. 当前 page 存在且没有满时，直接将对象添加到当前 page 中，即 next 指向的位置；
2. 当前 page 存在且已满时，创建一个新的 page ，并将对象添加到新创建的 page 中；
3. 当前 page 不存在时，即还没有 page 时，创建第一个 page ，并将对象添加到新创建的 page 中。

每调用一次 push 操作就会创建一个新的 autoreleasepool ，即往 AutoreleasePoolPage 中插入一个 POOL_SENTINEL ，并且返回插入的 POOL_SENTINEL 的内存地址。

autorelease 操作

通过 NSObject.mm 源文件，我们可以找到 -autorelease 方法的实现：

- (id)autorelease {
    return ((id)self)->rootAutorelease();
}

通过查看 ((id)self)->rootAutorelease() 的方法调用，我们发现最终调用的就是 AutoreleasePoolPage 的 autorelease 函数。

__attribute__((noinline,used))
id objc_object::rootAutorelease2()
{
    assert(!isTaggedPointer());
    return AutoreleasePoolPage::autorelease((id)this);
}

AutoreleasePoolPage 的 autorelease 函数的实现对我们来说就比较容量理解了，它跟 push 操作的实现非常相似。只不过 push 操作插入的是一个 POOL_SENTINEL ，而 autorelease 操作插入的是一个具体的 autoreleased 对象。

static inline id autorelease(id obj)
{
    assert(obj);
    assert(!obj->isTaggedPointer());
    id *dest __unused = autoreleaseFast(obj);
    assert(!dest  ||  *dest == obj);
    return obj;
}

pop 操作

同理，前面提到的 objc_autoreleasePoolPop(void *) 函数本质上也是调用的 AutoreleasePoolPage 的 pop 函数。

void objc_autoreleasePoolPop(void *ctxt)
{
    if (UseGC) return;

    // fixme rdar://9167170
    if (!ctxt) return;

    AutoreleasePoolPage::pop(ctxt);
}

pop 函数的入参就是 push 函数的返回值，也就是 POOL_SENTINEL 的内存地址，即 pool token 。当执行 pop 操作时，内存地址在 pool token 之后的所有 autoreleased 对象都会被 release 。直到 pool token 所在 page 的 next 指向 pool token 为止。

下面是某个线程的 autoreleasepool 堆栈的内存结构图，在这个 autoreleasepool 堆栈中总共有两个 POOL_SENTINEL ，即有两个 autoreleasepool 。该堆栈由三个 AutoreleasePoolPage 结点组成，第一个 AutoreleasePoolPage 结点为 coldPage() ，最后一个 AutoreleasePoolPage 结点为 hotPage() 。其中，前两个结点已经满了，最后一个结点中保存了最新添加的 autoreleased 对象 objr3 的内存地址。

AutoreleasePoolPage1

此时，如果执行 pop(token1) 操作，那么该 autoreleasepool 堆栈的内存结构将会变成如下图所示：

AutoreleasePoolPage2

NSAutoreleasePool何时释放？

当别人问你NSAutoreleasePool何时释放？你回答“当前作用域大括号结束时释放”，显然木有正确理解Autorelease机制。
在没有手加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)
}

如何使用AutoreleasePool Blocks

一些程序会创建大量自动释放的临时对象。这些对象会在代码块结束之前增加程序的内存占用率。有时候，在当前时间循环迭代结束之前累积临时变量不会导致内存资源的过分消耗，但也有时候，巨大数量的临时对象会占据客观的内存资源，这时你可能会希望对象尽可能快地被销毁。在后者的情况下，你可能会需要创建自己的自动释放池块。在代码块的末尾，这些临时对象会被释放，通常这些对象的释放会降低程序的内存使用率。
大多情况下临时对象会一直在内存中聚集，直到当前的一次runloop迭代结束这样对内存造成很大的负担。

苹果用了一段代码举例说明

NSArray *urls = <# An array of file URLs #>; 

for (NSURL *url in urls) { 

    @autoreleasepool { 

        NSError *error; 

        NSString *fileContents = [NSString stringWithContentsOfURL:url 

                                         encoding:NSUTF8StringEncoding error:&error]; 

        /* Process the string, creating and autoreleasing more objects. */ 

    } 

}

每次循环代码块结束，里面的临时对象也会释放，这样就很好的解决了内存占用的问题。

NSThread、NSRunLoop 和 NSAutoreleasePool

根据苹果官方文档中对 NSRunLoop 的描述，我们可以知道每一个线程，包括主线程，都会拥有一个专属的 NSRunLoop 对象，并且会在有需要的时候自动创建。

Each NSThread object, including the application’s main thread, has an NSRunLoop object automatically created for it as needed.

同样的，根据苹果官方文档中对 NSAutoreleasePool 的描述，我们可知，在主线程的 NSRunLoop 对象（在系统级别的其他线程中应该也是如此，比如通过 dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0) 获取到的线程）的每个 event loop 开始前，系统会自动创建一个 autoreleasepool ，并在 event loop 结束时 drain 。我们上面提到的场景 1 中创建的 autoreleased 对象就是被系统添加到了这个自动创建的 autoreleasepool 中，并在这个 autoreleasepool 被 drain 时得到释放。

The Application Kit creates an autorelease pool on the main thread at the beginning of every cycle of the event loop, and drains it at the end, thereby releasing any autoreleased objects generated while processing an event.

另外，NSAutoreleasePool 中还提到，每一个线程都会维护自己的 autoreleasepool 堆栈。换句话说 autoreleasepool 是与线程紧密相关的，每一个 autoreleasepool 只对应一个线程。

Each thread (including the main thread) maintains its own stack of NSAutoreleasePool objects.

弄清楚 NSThread、NSRunLoop 和 NSAutoreleasePool 三者之间的关系可以帮助我们从整体上了解 Objective-C 的内存管理机制，清楚系统在背后到底为我们做了些什么，理解整个运行机制等。

其他Autorelease相关知识点

使用容器的block版本的枚举器时，内部会自动添加一个AutoreleasePool：

[array enumerateObjectsUsingBlock:^(id obj, NSUInteger idx, BOOL *stop) {
    // 这里被一个局部@autoreleasepool包围着
}];

当然，在普通for循环和for in循环中没有，所以，还是新版的block版本枚举器更加方便。for循环中遍历产生大量autorelease变量时，就需要手加局部AutoreleasePool咯。

总结

看到这里，相信你应该对 Objective-C 的内存管理机制有了更进一步的认识。通常情况下，我们是不需要手动添加 autoreleasepool 的，使用线程自动维护的 autoreleasepool 就好了。根据苹果官方文档中对 Using Autorelease Pool Blocks 的描述，我们知道在下面三种情况下是需要我们手动添加 autoreleasepool 的：

1. 如果你编写的程序不是基于 UI 框架的，比如说命令行工具；
2. 如果你编写的循环中创建了大量的临时对象；
3. 如果你创建了一个辅助线程。

参考链接：
http://blog.sunnyxx.com/2014/10/15/behind-autorelease/
http://blog.leichunfeng.com/blog/2015/05/31/objective-c-autorelease-pool-implementation-principle/