OC底层原理三十七：内存管理（autorelease & runloop）

OC底层原理学习大纲

上一节，详细介绍了weak、strong、强引用的解决方案。本节，我们将介绍:

autorelease自动释放池
runloop

准备工作:

可编译的objc4-781源码: https://www.jianshu.com/p/45dc31d91000

runloop源码： https://opensource.apple.com/tarballs/CF/

1.`autorelease`自动释放池

autorelease自动释放池： 自动管理作用域内对象引用计数的池子。

面试题1：临时变量什么时候释放？
面试题2：简述自动释放池原理
面试题3：自动释放池能否嵌套使用？

1.1 初探autorelease

APP的入口函数main，包含了@autoreleasepool:

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
    }
    return 0;
}

使用clang将main.m编译后输出main.cpp，在cpp文件中，可以看到：

image.png

image.png

@autoreleasepool在编译期转化为了__AtAutoreleasePool结构体。

__AtAutoreleasePool的构造函数创建了自动释放池对象

__AtAutoreleasePool的析构函数释放了自动释放池对象

仿__AtAutoreleasePool实现一个构造和析构函数，观察生命周期:

image.png

利用结构体的构造和析构函数，有效的匹配作用域。

1.2 源码分析

定位源码： (libobjc库)

在main.m文件的@autoreleasepool处加上断点，打开汇编模式，运行代码:

image.png

加入objc_autoreleasePoolPush符号断点，运行代码，发现源码在libobjc库

image.png

打开objc4源码，搜索objc_autoreleasePoolPush：

image.png

1.2.1 自动释放池结构

image.png

1.2.2 push自动释放池

image.png

1.2.3 pop自动释放池

image.png

1.3 代码验证：

必须在MRC环境下，才可以使用autorelease

image.png

#import 
#import 

// 声明外部实现
extern void _objc_autoreleasePoolPrint(void);

int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        for (int i = 0 ; i<505; i++) {
            NSObject * objc = [[NSObject alloc] autorelease];
        }
        // 打印自动释放池的结构信息
        _objc_autoreleasePoolPrint();
    }
    return 0;
}

打印结果：

image.png

image.png
数据较多，只截取了第一页开头和第二页数据

1.4 autorelease的嵌套

#import 
#import 

// 声明外部实现
extern void _objc_autoreleasePoolPrint(void);

int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        
        for (int i = 0 ; i<5; i++) {
            NSObject * objc = [[NSObject alloc] autorelease];
        }
        
        @autoreleasepool {
            for (int i = 0 ; i<3; i++) {
                NSObject * objc = [[NSObject alloc] autorelease];
            }
            // 打印自动释放池的结构信息
            _objc_autoreleasePoolPrint();
            printf("\n-----------------------------\n");
        }
        // 打印自动释放池的结构信息
        _objc_autoreleasePoolPrint();
    }
    return 0;
}

image.png

autoRelease的嵌套，并没有在结构上进行嵌套。而是利用哨兵的作用，直接多插入一个哨兵。

因为每次遇到哨兵(pop出栈时)，都表示一个autorelease可释放

2. runloop

【前言】
关于runloop，我看了一些资料，越看越把我看晕。停下来稍微理一下。
（ps：runloop版本号是我虚构的，辅助理解）

【使命】runloop的官方文档是在thread线程板块中，他只是线程的一个辅助方式。

很简单的理解：一个线程，我们创建后，执行完任务，它就释放了。那每次使用，我都这样创建->执行->释放，岂不是很麻烦？

我也不知道我啥时候会用到，我就希望有一个线程，在我需要在这个线程执行任务的时候，直接把任务丢过去就可以了。很开心，runloop满足你。

【实现】runloop，顾名思义，就是一个(run)运行(loop)循环。它的作用上面说了，就是让线程一直保持可用状态(保活)，如何保持一直在线？

第一想法是，给个do-while(1)循环，循环内可以接受外部函数，我们每次要执行任务时，给他一个函数就可以了。聪明！runloop1.0版本已经被你开发了。

【小结】runloop，本身就是一个函数，函数内创建do-while循环，一直持有着当前线程(在哪个线程调用它，它就一直持有着哪个线程)。

【优化】按照上面使用do-while(1)循环，我们会发现cpu在激增，因为它一直在运行。那有人就有想法了，能不能我需要的时候它就运行，我不用的时候，它就休息，不要占用我的cpu资源。我真不想要这个线程的时候，线程和循环都给我销毁。可以不可以呀？

要求挺多呀，但挺合理的。于是runloop2.0版本满足你。

【第一个要求：支持销毁】
runloop给do-while加上条件，你不要了就把这条件设置为不满足就OK啦。

【第二个要求：支持休眠和唤醒】

首先，runloop得知道它到底还有没有没干完的活。怎么界定呢？简单，runloop列个业务清单，打今儿起，我就只接这几种业务，做完了会回调你。(像不像去抽血，1，2，3号抽血，请在4，5，6窗口等结果。血液检测完了，你就可以拿到结果了 )。如果所有业务都处理完了，就进入休眠状态（没活了可以玩会手机，休息下）

那啥时候唤醒？怎么被唤醒呢？

runloop直接使用系统内核的mach port的消息机制mach_msg()，当接收业务时，系统会(通过source1)直接唤醒runloop，去执行现在当前接收到的任务。
每一次循环，都会查询活有没有干完，有没有其他活在排队。没有了就休息。收到系统消息就接着干活。

总之，目前我就是这么理解runloop的，总结一下：

作用：为线程保活(所以一个线程一个runloop，一一对应)

实现：线程内的一个函数，弄个do-while循环让这个线程一直在线。可以处理几类事务并回调处理结果。支持休眠和被唤醒，也支持销毁。

相关链接：
RunLoop 官方文档
逻辑教育kody老师的公开课
ibireme大神的Runloop分析
RunLoop 源码阅读

至此，我想你内心对runloop已经有了一个大体认知。
（一开始就一头扎进源码的我，可没这么幸运）

现在，我们来正式了解runloop：

2.1 runloop是什么

runloop：

使用一个循环，保持程序的持续运行；

一个线程对应一个runloop，负责处理APP中各种事件（触摸、定时器、performSelector）

节省cpu资源。(无任务时自动休眠，被唤醒后继续工作)

经典runloop流程图：

image.png

2.1.1 runloop的循环

简单循环案例，会占用cpu。

image.png
runloop的循环，闲时不会占用cpu。
(app启动就会启动主线程，主线程内就维持着一个runloop，一直给程序保活。)

image.png
我们下载runloop源码，将CFRunLoop.c和CFRunLoop.h文件拖入demo文件夹，搜索void CFRunloopRun:

image.png
发现runloop的[do-while]循环在stop或finished时，会结束。

ps: 验证了runloop1.0到2.0的过渡

2.2 runloop线程保活

上面我们说了，一个runloop对应一个线程，作用就是线程保活：

2.2.1 原始线程（用完即销毁）：

//MARK: - HTThread
// 继承NSThread，为了打印dealloc - 线程释放
@interface HTThread : NSThread
@end
@implementation HTThread
-(void)dealloc{ NSLog(@"%@ %s",[HTThread currentThread].name,__func__); }
@end

//MARK: - ViewController
@interface ViewController ()
@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    // 1. 调用完，直接销毁
    HTThread * thread = [[HTThread alloc]initWithTarget:self selector:@selector(threadTest) object:nil];
    thread.name = @"ht_Thread";
    [thread start];
}

- (void)threadTest {
    NSLog(@"%@ %s",[NSThread currentThread].name, __func__);
}
@end

image.png

可以看到，名为ht_thread的线程，执行完任务（threadTest函数）后，就被销毁了。

2.2.2 runloop线程保活：

@interface HTThread : NSThread
@end
@implementation HTThread
-(void)dealloc{ NSLog(@"%@ %s",[HTThread currentThread].name,__func__); }
@end

//MARK: -ViewController
@interface ViewController ()
@property(nonatomic, strong) HTThread * thread;
@property(nonatomic, strong) NSRunLoop * runloop; // 常驻线程

@end
@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    [self createThread];
}

- (void)createThread {
    _thread = [[HTThread alloc]initWithTarget:self selector:@selector(threadTest) object:nil];
    _thread.name = @"ht_Thread";
    [_thread start];
}

- (void)threadTest {
    
    NSLog(@"%@ %s",[NSThread currentThread].name, __func__);

    // @autoreleasepool 对子线程中的临时变量做优化管理。更高效利用空间
    @autoreleasepool {
        // 使用runloop对当前线程保活(当前`threadTest`函数是在`ht_Thread`线程内执行)
        _runloop = [NSRunLoop currentRunLoop];
        [_runloop addPort:[NSMachPort port] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
        // 处理主线程，其他线程都需要手动开启runloop （run内绑定了线程与runloop的关系）
        [_runloop run];
    }
    
    // runloop没被释放，就到不来这一行。threadTest函数也一直不会结束
    NSLog(@"runloop释放了 %@ %s",[NSThread currentThread].name, __func__);
    
}

- (void)threadTask {
    NSLog(@"%@ %s",[NSThread currentThread].name, __func__);
}

- (void)touchesBegan:(NSSet *)touches withEvent:(UIEvent *)event {
    // 点击，让_thread线程执行任务（`threadTask`函数）
    // 如果疑惑_thread是被self强持有，本身就可执行的话。 可手动注释`@autoreleasepool`内部代码。再点击检验。会发现崩溃了。
    // 因为虽然_thread在，但是没法让它为你工作，runloop是可以帮你管理_thread并让它为你工作的。
    [self performSelector:@selector(threadTask) onThread:_thread withObject:nil waitUntilDone:YES];
}

@end

runloop成功的实现了线程保活。（我想用的时候，都可以用）

image.png

2.3 runloop的读取

runloop的读取，支持2种方式：
主线程获取（CFRunLoopGetMain）和 当前线程获取（CFRunLoopGetCurre）。内部调用_CFRunLoopGet0函数。

image.png

总结：

主线程是static全局唯一的，第一次获取时创建。

线程不存在，默认使用主线程，并返回主线程的runloop

首次访问，会创建全局唯一的__CFRunLoops字典。key为线程，value为runloop。
(线程与runloop是一一对应)

每次优先从__CFRunLoops字典中，通过key(线程)，获取value(runloop)。

如果runloop 不存在，就创建线程对应的runloop，并更新__CFRunLoops字典对应值。

更新TSD（线程私有存储），记录runloop。

返回runloop

面试题: runLoop与线程的关系
一一对应关系。由全局Runloop字典进行记录，其中key为线程，value为runloop。

2.4 runloop的创建

image.png

总结：

以__CFRunLoop为模板，创建Runloop结构体对象

属性的初始化赋值

Mode的获取：

如果通过__kCFRunLoopModeTypeID读取到Modes，并且 Modes中存在kCFRunLoopDefaultMode，就直接返回找到的Mode。

否则，创建一个Mode，加入modes中。返回Mode。

拓展：

runLoop本质是__CFRunLoop格式的结构体。

记录线程锁，port唤醒端口，所在线程、所有标记为Common的Mode、加入CommonMode的item事务、当前Mode和所有Mode

image.png

理解commonModes和modes:

image.png

2.5 runloop的运行原理

image.png

看完源码后，runloop的运行周期，唤醒方式都十分清晰了。现在奉上经典的Runloop流程图：

image.png

补充说明:

【最外层流程】
kCFRunLoopEntry进入循环 (发通知)
-> __CFRunLoopRun 运行循环
-> kCFRunLoopExit退出循环(发通知)

【循环内部】
kCFRunLoopBeforeTimers即将处理Timer (发通知)
-> kCFRunLoopBeforeSources 即将处理Sources0 (发通知)
（__CFRunLoopDoBlocks 处理Blocks）
-> __CFRunLoopDoSources0 处理Sources0
（__CFRunLoopDoBlocks 处理Blocks）
-> __CFRunLoopServiceMachPort : 监听Port端口消息（source1），有消息就跳转handle_msg
-> kCFRunLoopBeforeWaiting: 将进入休眠 (发通知)
进入休眠，等待唤醒 （内部的Timer到期、gcd都可唤醒）
-> 线程被唤醒， (发通知)

3.【handle_msg】处理消息:

被Timers唤醒（CFRUNLOOP_WAKEUP_FOR_TIMER）： __CFRunLoopDoTimers (发通知)

被gcd唤醒（CFRUNLOOP_WAKEUP_FOR_DISPATCH）：__CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__ （发通知）

被source唤醒（CFRUNLOOP_WAKEUP_FOR_SOURCE）： __CFRunLoopDoSource1
（__CFRunLoopDoBlocks 处理Blocks）

检查stop或finish

Timer、dispatch、source等回调函数：

// main  dispatch queue
__CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__

// __CFRunLoopDoObservers
__CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__

// __CFRunLoopDoBlocks
__CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_BLOCK__

// __CFRunLoopDoSources0
__CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__

// __CFRunLoopDoSource1
__CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE1_PERFORM_FUNCTION__

// __CFRunLoopDoTimers
__CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_TIMER_CALLBACK_FUNCTION__

在执行回调Block前，我们可以在堆栈中看到上述回调函数。

回调函数检验：
（每次触发TouchBegin时，所在线程的runloop都会调用__CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__函数）

image.png

至此，完成了runloop的基础探索。

OC底层原理三十七：内存管理（autorelease & runloop）

1.autorelease自动释放池

1.1 初探autorelease

1.2 源码分析

1.2.1 自动释放池结构

1.2.2 push自动释放池

1.2.3 pop自动释放池

1.3 代码验证：

1.4 autorelease的嵌套

2. runloop

2.1 runloop是什么

2.1.1 runloop的循环

2.2 runloop线程保活

2.2.1 原始线程（用完即销毁）：

2.2.2 runloop线程保活：

2.3 runloop的读取

2.4 runloop的创建

2.5 runloop的运行原理

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1.`autorelease`自动释放池