iOS关于自动释放池

本文是经过翻阅博客、论坛学习以及代码调试的总结，如有疑惑或不准确的地方，欢迎评论沟通指正。

通读本文你将理解：

自动释放池底层结构
自动释放池何时释放（换言之autorelease何时执行release操作）
ARC下什么样的初始化方法系统会为我们做一次autorelease操作

Objc源码下载地址https://opensource.apple.com/tarballs/objc4/

一、自动释放池底层结构

总结一句话就是：以栈为节点，以双向链表形式组合而成的一个数据结构。通俗一些讲自动释放池是以多个AutoreleasePoolPage为结点，通过链表的方式串连起来的结构，这一整串就是自动释放池。

双向链表结构

结点对象

magic 用于对当前 AutoreleasePoolPage 完整性的校验
thread 保存了当前页所在的线程
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
每个AutoreleasePoolPage大小均为4096

释放池结构

二、自动释放池何时释放

//ARC 环境
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
   @autoreleasepool {
        YMObject *object = [[YMObject alloc] init];
    }；
}

实际的函数调用是这样的

汇编调用

Pasted Graphic 2.jpg

需要注意的是，整个程序中push和pop的操作都是一一对应的，下面会说明
来分析一下 objc_autoreleasePoolPush和objc_autoreleasePoolPop这两个函数做了什么

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

void
objc_autoreleasePoolPop(void *ctxt)
{
    AutoreleasePoolPage::pop(ctxt);
}


void *
_objc_autoreleasePoolPush(void)
{
    return objc_autoreleasePoolPush();
}

void
_objc_autoreleasePoolPop(void *ctxt)
{
    objc_autoreleasePoolPop(ctxt);
}

Objc4源码中可以看到实际上都是AutoreleasePoolPage类的push和pop函数。Push函数中会调用一个比较核心的方法: autoreleaseFast

    //这个函数的作用就是，找到最顶层的一个AutoreleasePoolPage对象，如果没有那就创建一个；如果找到了，判断他是否已经装满了full()，因为一个AutoreleasePoolPage只有4096个字节大小，如果满了那就会调用autoreleaseNoPage()创建一个AutoreleasePoolPage对象并添加add；如果没满则直接执行add(obj)。
    static inline id *autoreleaseFast(id obj)
    {
        AutoreleasePoolPage *page = hotPage();  //hotPage()函数会对应线程去取自动释放池，这里也可以看出释放池和线程是一一对应的关系
        if (page && !page->full()) {
            return page->add(obj);
        } else if (page) {
            return autoreleaseFullPage(obj, page);
        } else {
            return autoreleaseNoPage(obj);
        }
    }

需要注意的是上述add(obj)中的obj是一个POOL_BOUNDARY对象(可以称为哨兵对象)，并不是我们的autorelease的对象，每次执行push操作时都会插入一个哨兵对象，并且把哨兵对象的地址作为返回值返回了，pop函数需要用到这个哨兵对象的地址，对应的每次pop都是寻找到上一个哨兵对象，对期间所有的autorelease对象执行一次release操作。

再来看下pop函数：其中会调用一个比较核心的函数releaseUntil(id *stop)

void releaseUntil(id *stop) 
    {
        // Not recursive: we don't want to blow out the stack 
        // if a thread accumulates a stupendous amount of garbage
        while (this->next != stop) {    //一直遍历
            // Restart from hotPage() every time, in case -release 
            // autoreleased more objects
            AutoreleasePoolPage *page = hotPage();
            // fixme I think this `while` can be `if`, but I can't prove it
            while (page->empty()) { //如果当前page中的autorelease对象已释放完毕则会重新遍历父结点的page，知道找到传递来的哨兵对象为止
                page = page->parent;
                setHotPage(page);
            }
            page->unprotect();
            id obj = *--page->next;
            memset((void*)page->next, SCRIBBLE, sizeof(*page->next));
            page->protect();

            if (obj != POOL_BOUNDARY) {
                objc_release(obj);
            }
        }
        setHotPage(this);
#if DEBUG
        // we expect any children to be completely empty
        for (AutoreleasePoolPage *page = child; page; page = page->child) {
            assert(page->empty());
        }
#endif
    }

上述就是我们自己通过@autoreleasePool{ }形式创建的释放池的创建和销毁，以及其内部的主要逻辑分析。
当然系统默认也是会在当前runloop结束本次循环即将进入休眠的时候也会执行一次pop操作来对释放池内的对象进行一次release操作，然后再重新执行一次push操作。

再补充一下：（直接从别处搬来的…）

App启动后，苹果在主线程 RunLoop 里注册了两个 Observer，其回调都是 _wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler()。

第一个 Observer 监视的事件是 Entry(即将进入Loop)，其回调内会调用 _objc_autoreleasePoolPush() 创建自动释放池。其 order 是-2147483647，优先级最高，保证创建释放池发生在其他所有回调之前。
第二个 Observer 监视了两个事件： BeforeWaiting(准备进入休眠) 时调用_objc_autoreleasePoolPop() 和 _objc_autoreleasePoolPush() 释放旧的池并创建新池；Exit(即将退出Loop) 时调用 _objc_autoreleasePoolPop() 来释放自动释放池。这个 Observer 的 order 是 2147483647，优先级最低，保证其释放池子发生在其他所有回调之后。

总结可以下来就是：app启动调用了一次push来创建释放池，中间我们自己可能会通过@autoreleasePool{ }再执行n次push和pop操作，runloop即将休眠时又会调用一次pop和一次push，runloop在Exit时，又会调用一次pop操作，可以说是一个push就有一个pop与之对应的，从而保证对象能正常释放。

三、ARC下什么样的初始化方法系统会为我们做一次autorelease操作

ARC下以alloc/new/copy/mutableCopy开头的方法，其返回的对象归调用者所有。归调用者所有的意思是：调用上述四个方法的那段代码负责释放方法返回的对象。（摘自Effective Objective-C 2.0 P124）

非alloc/new/copy/mutableCopy开头的方法编译器都会自动帮我们调用autorelease方法。

//自定义类方法
+ (instancetype)createSark {
    return [self new]; //这里是有autorelease的（谁创建谁释放）
}
// caller
Sark *sark = [Sark createSark]; //此处有retain操作，作用域结束会有release操作

值得一提的是，ARC下，runtime有一套对autorelease返回值的优化策略：

秉着谁创建谁释放的原则，返回值需要是一个autorelease对象才能配合调用方正确管理内存，于是乎编译器改写成了形如下面的代码：

+ (instancetype)createSark {
    id tmp = [self new];
    return objc_autoreleaseReturnValue(tmp); // 代替我们调用autorelease
}
// caller
id tmp = objc_retainAutoreleasedReturnValue([Sark createSark]) // 代替我们调用retain
Sark *sark = tmp;
objc_storeStrong(&sark, nil); // 相当于代替我们调用了release

一切看上去都很好，不过既然编译器知道了这么多信息，干嘛还要劳烦autorelease这个开销不小的机制呢？于是乎，runtime使用了一些黑魔法将这个问题解决了，继续往下看。

黑魔法之Thread Local Storage

Thread Local Storage（TLS）线程局部存储，目的很简单，将一块内存作为某个线程专有的存储，以key-value的形式进行读写.
在返回值身上调用objc_autoreleaseReturnValue方法时，runtime将这个返回值object储存在TLS中，然后直接返回这个object（不调用autorelease）；同时，在外部接收这个返回值的objc_retainAutoreleasedReturnValue里，发现TLS中正好存了这个对象，那么直接返回这个object（不调用retain）。
于是乎，调用方和被调方利用TLS做中转，很有默契的免去了对返回值的内存管理。这样就省去了两个操作：autorelease和外部的一次retain操作，对于性能提高很多。

自动释放池用途

for (int i = 0; i < 100000000; i++)
{
    @autoreleasepool
    {
        NSString* string = @"ab c";
        NSArray* array = [string componentsSeparatedByString:string];   //放入自动释放池中，从而避免大量局部变量要等待runloop将要休眠才释放从而造成的内存峰值。
    }
}

参考文章：
https://www.jianshu.com/p/8b011b844231
https://blog.sunnyxx.com/2014/10/15/behind-autorelease/