Objective-C之Autorelease Pool底层实现原理记录（双向链表）以及在Runloop中是如何参与进去的
最近需要重新整理知识点备用，把一些重要的原理都搞了一遍
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前言
int main(int argc, char * argv[]) {
@autoreleasepool {
return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([MTFAppDelegate class]));
}
}以上就是我们所看到的第一个自动释放池写法，按我之前的理解如下
1.自动释放池内部是由 AutoreleasePoolPage为节点的双向链表结构形成，AutoreleasePool本身没有任何形式的结构
2.当对象在autoreleasepool里面调用隐式执行autorelease的时候，会将对象加入上述以AutoreleasePoolPage为节点的双向链表中
3.每一个自动释放池初始化调用objc_autoreleasePoolPush（内部是会有一个哨兵对象作为标记，我的理解是一个自动释放池对应一个哨兵token），当objc_autoreleasePoolPop调用会根据传入的哨兵对象进行地址偏移，然后遍历出对象挨个执行release操作，知道遇到下一个哨兵或者stop为止
由于很早之前看到雷纯峰和德莱文大神的文章，知道原理，但是一直没有系统记录下知识点，乘国庆有时间，又阅读了这两位大神的文章，特此记录下知识点，并加上些自己的理解，方便新手看懂和自己温故知新
@autoreleasepool
根据我们看到的第一个main函数的自动释放池，可以看到整个 iOS 的应用都是包含在一个自动释放池 block 中的。
首先通过clang把OC代码转换成c++runtime代码
$ clang -rewrite-objc main.m如下 也就是说@autoreleasepool {} 被转换为一个 __AtAutoreleasePool 结构体：
int main(int argc, const char * argv[]) {
/* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool;
NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_cz_5w_ql3y92hzcthzvjv84fcl80000gn_T_main_7919a8_mi_0);
}
return 0;
}struct __AtAutoreleasePool {
__AtAutoreleasePool() {atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();}
~__AtAutoreleasePool() {objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);}
void * atautoreleasepoolobj;
};最终转换出来实际上我们看到的main函数代码就是这样的
int main(int argc, const char * argv[]) {
{
void * atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();
// do whatever you want
objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);
}
return 0;
}
AutoreleasePoolPage 的结构
上述展开的代码实际上就是如下PoolPage的操作
void *objc_autoreleasePoolPush(void) {
return AutoreleasePoolPage::push();
}
void objc_autoreleasePoolPop(void *ctxt) {
AutoreleasePoolPage::pop(ctxt);
}什么是AutoreleasePoolPage？
其实AutoreleasePool没有单独的内存结构，而是通过AutoreleasePoolPage为节点的双向链表来实现。
- 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
空的poolpage如下
magic用来校验 AutoreleasePoolPage 的结构是否完整；next指向最新添加的 autoreleased 对象的下一个位置，初始化时指向begin()；thread指向当前线程；parent指向父结点，第一个结点的 parent 值为nil；双向链表上一个节点child指向子结点，最后一个结点的 child 值为nil；双向链表下一个节点depth代表深度，从 0 开始，往后递增 1；hiwat代表 high water mark 。- 每一个自动释放池都是由一系列的
AutoreleasePoolPage组成的，并且每一个AutoreleasePoolPage的大小都是4096字节（16 进制 0x1000）另外，当
next == begin()时，表示 AutoreleasePoolPage 为空；当next == end()时，表示 AutoreleasePoolPage 已满。
其中有 56 bit 用于存储 AutoreleasePoolPage 的成员变量，剩下的 0x100816038 ~ 0x100817000 都是用来存储加入到自动释放池中的对象。
begin()和end()这两个类的实例方法帮助我们快速获取0x100816038 ~ 0x100817000这一范围的边界地址。
next 指向了下一个为空的内存地址，如果 next 指向的地址加入一个 object，也就是AutoreleasePool当中加入一个对象执行autorelease方法后，它就会如下图所示移动到下一个为空的内存地址中：
objc_autoreleasePoolPush (Push操作)
一些列的转换autoreleasePool的push方法转换为 AutoreleasePoolPage 的 push 函数，来看下它的作用和执行过程。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。
上面的AutoreleasePoolPage在这里会进入一个比较关键的方法 autoreleaseFast，并传入哨兵对象 POOL_SENTINEL：
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);
}
}
上述方法分三种情况选择不同的代码执行：
- 有
hotPage并且当前page不满- 调用
page->add(obj)方法将对象添加至AutoreleasePoolPage的栈中
- 调用
- 有
hotPage并且当前page已满- 调用
autoreleaseFullPage初始化一个新的页 - 调用
page->add(obj)方法将对象添加至AutoreleasePoolPage的栈中
- 调用
- 无
hotPage- 调用
autoreleaseNoPage创建一个hotPage - 调用
page->add(obj)方法将对象添加至AutoreleasePoolPage的栈中
- 调用
最后的都会调用 page->add(obj) 将对象添加到自动释放池中。
hotPage可以理解为当前正在使用的AutoreleasePoolPage。
POOL_SENTINEL（哨兵对象）
这里很有必要先介绍下这个东西，正常情况下他就是nil的别名
#define POOL_SENTINEL nil在每个自动释放池初始化调用 objc_autoreleasePoolPush 的时候，都会把一个 POOL_SENTINEL push 到自动释放池的栈顶，并且返回这个 POOL_SENTINEL 哨兵对象。
int main(int argc, const char * argv[]) {
{
void * atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();
// do whatever you want
objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);
}
return 0;
}上面的
atautoreleasepoolobj就是一个POOL_SENTINEL。
理解：
当我们看到一个@autoreloeasepool{}的代码的时候，转换之后如上代码，可以理解为在双向链表结构的基础上，每个node节点就是poolpage对象，该对象有固定大小4096，前几个字节用于存储属性字段，后面从begin地址开始到end地址结束用来存储自动释放池里面的对象，就会在属性字段挨着的地址上出现一个哨兵标志POOL_SENTINEL，也就是nil标志自动释放池的出现，返回值地址用来标志对应的池子，后续pop的时候根据池子遍历对象挨个执行release操作
autorelease 操作
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;
}
objc_autoreleasePoolPop 方法
同理，前面提到的 objc_autoreleasePoolPop 函数本质上也是调用的 AutoreleasePoolPage 的 pop 函数。
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。
如果执行pop（token），autoreleasepool对应的堆栈信息就会变成如下
总结：
1.@autorelease展开来其实就是objc_autoreleasePoolPush和objc_autoreleasePoolPop，但是这两个函数也是封装的一个底层对象AutoreleasePoolPage，实际对应的是AutoreleasePoolPage::push和AutoreleasePoolPage::pop
2.autoreleasepool本身并没有内部结构，而是一种通过AutoreleasePoolPage为节点的双向链表结构
3.根据AutoreleasePoolPage双向链表的结构，可以看到当调用objc_autoreleasePoolPush的时候实际上除了初始化poolpage对象属性之外，还会插入一个POOL_SENTINEL哨兵，用来区分不同autoreleasepool之间包裹的对象。
4.当对象调用 autorelease 方法时，会将实际对象插入 AutoreleasePoolPage 的栈中，通过next指针移动。
5.autoreleasePoolPage的结构字段上面有介绍，其中每个双向链表的node节点也就是poolpage对象内存大小为4096，除了基础属性之外，外插一个POOL_SENTINEL，每出现一个@autorelease就会有一个哨兵，剩下的通过begin和end来标识是否存储满，满了就会重新创建一个poolpage来链接链表，按照这个套路，出现一个PoolPush就创建一个哨兵，出现一个对象的autorelease，就增加一个实际的对象，满了就创建新的链表节点这样衍生下去
6.AutoreleasePoolPage::pop那么当调用pop的时候，会传入需要drain的哨兵节点，遍历该内存地址上方所有对象，直到遇到对应的哨兵，然后释放栈中遍历到的对象，每删除一页就修正双向链表的指针，最后两张图很容易理解
7.ARC下，直接调用上面的方法，整个线程都被自动释放池双向链表管理，Push创建的时候插入哨兵对象，当我们在内部写代码的时候，会自动添加Autorelease，对象会加入到在哨兵节点之间，加入到next指针上，一个个往后移，满了4096就换下一个poolPage对象节点来存储，出了释放池，会调用pop，传入自动释放池的哨兵给pop，然后遍历哨兵内存地址之后的所有对象执行release，最后吧next指针移到目标哨兵
8.Runloop这里就不介绍了，可以翻看另外写的博客，App启动的时候会在主Runloop里面注册两个观察者和一个回调函数，
第一个Observe观察到entry即将进入loop的时候，会调用_objc_autoreleasePoolPush（）创建自动释放池，优先级最高，保证在所有回调方法之前。
第二个Observe观察到即将进入休眠或者退出的时候，当监听到Beforewaiting的时候，调用_objc_autoreleasePoolPop() 和 _objc_autoreleasePoolPush() 释放旧的创建新的，当监听到Exit的时候调用_objc_autoreleasePoolPop释放pool，这里的Observe优先级最低，发生在所有回调函数之后。