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啸笑天
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黑幕背后的Autorelease

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我是前言

Autorelease机制是iOS开发者管理对象内存的好伙伴,MRC中,调用[obj autorelease]来延迟内存的释放是一件简单自然的事,ARC下,我们甚至可以完全不知道Autorelease就能管理好内存。而在这背后,objc和编译器都帮我们做了哪些事呢,它们是如何协作来正确管理内存的呢?刨根问底,一起来探究下黑幕背后的Autorelease机制。

Autorelease对象什么时候释放?

这个问题拿来做面试题,问过很多人,没有几个能答对的。很多答案都是“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

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__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)
}

这个实验同时也证明了viewDidLoadviewWillAppear是在同一个runloop调用的,而viewDidAppear是在之后的某个runloop调用的。
由于这个vc在loadView之后便add到了window层级上,所以viewDidLoadviewWillAppear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:

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- (void)viewDidLoad
{
    [super viewDidLoad];
    @autoreleasepool {
        NSString *str = [NSString stringWithFormat:@"sunnyxx"];
    }
    NSLog(@"%@", str); // Console: (null)
}

Autorelease原理

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:

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void *context = objc_autoreleasePoolPush();
// {}中的代码
objc_autoreleasePoolPop(context);

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。

AutoreleasePoolPage是一个C++实现的类



 

  • 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)
  • AutoreleasePool是按线程一一对应的(结构中的thread指针指向当前线程)
  • AutoreleasePoolPage每个对象会开辟4096字节内存(也就是虚拟内存一页的大小),除了上面的实例变量所占空间,剩下的空间全部用来储存autorelease对象的地址
  • 上面的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
  • 一个AutoreleasePoolPage的空间被占满时,会新建一个AutoreleasePoolPage对象,连接链表,后来的autorelease对象在新的page加入

所以,若当前线程中只有一个AutoreleasePoolPage对象,并记录了很多autorelease对象地址时内存如下图:



 

图中的情况,这一页再加入一个autorelease对象就要满了(也就是next指针马上指向栈顶),这时就要执行上面说的操作,建立下一页page对象,与这一页链表连接完成后,新page的next指针被初始化在栈底(begin的位置),然后继续向栈顶添加新对象。

所以,向一个对象发送- autorelease消息,就是将这个对象加入到当前AutoreleasePoolPage的栈顶next指针指向的位置

释放时刻

每当进行一次objc_autoreleasePoolPush调用时,runtime向当前的AutoreleasePoolPage中add进一个哨兵对象,值为0(也就是个nil),那么这一个page就变成了下面的样子:



 

objc_autoreleasePoolPush的返回值正是这个哨兵对象的地址,被objc_autoreleasePoolPop(哨兵对象)作为入参,于是:

  1. 根据传入的哨兵对象地址找到哨兵对象所处的page
  2. 在当前page中,将晚于哨兵对象插入的所有autorelease对象都发送一次- release消息,并向回移动next指针到正确位置
  3. 补充2:从最新加入的对象一直向前清理,可以向前跨越若干个page,直到哨兵所在的page

刚才的objc_autoreleasePoolPop执行后,最终变成了下面的样子:



 

嵌套的AutoreleasePool

知道了上面的原理,嵌套的AutoreleasePool就非常简单了,pop的时候总会释放到上次push的位置为止,多层的pool就是多个哨兵对象而已,就像剥洋葱一样,每次一层,互不影响。


【附加内容】

Autorelease返回值的快速释放机制

值得一提的是,ARC下,runtime有一套对autorelease返回值的优化策略。
比如一个工厂方法:

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+ (instancetype)createSark {
    return [self new]; 
}
// caller
Sark *sark = [Sark createSark];

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:

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+ (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。

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,比如在非arm架构下,使用pthread提供的方法实现:

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void* pthread_getspecific(pthread_key_t);
int pthread_setspecific(pthread_key_t , const void *);

说它是黑魔法可能被懂pthread的笑话- -

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。

于是问题又来了,假如被调方和主调方只有一边是ARC环境编译的该咋办?(比如我们在ARC环境下用了非ARC编译的第三方库,或者反之)
只能动用更高级的黑魔法。

黑魔法之__builtin_return_address

这个内建函数原型是char *__builtin_return_address(int level),作用是得到函数的返回地址,参数表示层数,如__builtin_return_address(0)表示当前函数体返回地址,传1是调用这个函数的外层函数的返回值地址,以此类推。

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- (int)foo {
    NSLog(@"%p", __builtin_return_address(0)); // 根据这个地址能找到下面ret的地址
    return 1;
}
// caller
int ret = [sark foo];

看上去也没啥厉害的,不过要知道,函数的返回值地址,也就对应着调用者结束这次调用的地址(或者相差某个固定的偏移量,根据编译器决定)
也就是说,被调用的函数也有翻身做地主的机会了,可以反过来对主调方干点坏事。
回到上面的问题,如果一个函数返回前知道调用方是ARC还是非ARC,就有机会对于不同情况做不同的处理

黑魔法之反查汇编指令

通过上面的__builtin_return_address加某些偏移量,被调方可以定位到主调方在返回值后面的汇编指令

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// caller 
int ret = [sark foo];
// 内存中接下来的汇编指令(x86,我不懂汇编,瞎写的)
movq ??? ???
callq ???

而这些汇编指令在内存中的值是固定的,比如movq对应着0x48。
于是乎,就有了下面的这个函数,入参是调用方__builtin_return_address传入值

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static bool callerAcceptsFastAutorelease(const void * const ra0) {
    const uint8_t *ra1 = (const uint8_t *)ra0;
    const uint16_t *ra2;
    const uint32_t *ra4 = (const uint32_t *)ra1;
    const void **sym;
    // 48 89 c7    movq  %rax,%rdi
    // e8          callq symbol
    if (*ra4 != 0xe8c78948) {
        return false;
    }
    ra1 += (long)*(const int32_t *)(ra1 + 4) + 8l;
    ra2 = (const uint16_t *)ra1;
    // ff 25       jmpq *symbol@DYLDMAGIC(%rip)
    if (*ra2 != 0x25ff) {
        return false;
    }
    ra1 += 6l + (long)*(const int32_t *)(ra1 + 2);
    sym = (const void **)ra1;
    if (*sym != objc_retainAutoreleasedReturnValue)
    {
        return false;
    }
    return true;
}

它检验了主调方在返回值之后是否紧接着调用了objc_retainAutoreleasedReturnValue,如果是,就知道了外部是ARC环境,反之就走没被优化的老逻辑。

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:

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[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。 

 

感谢:http://blog.sunnyxx.com/2014/10/15/behind-autorelease/

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 return AUTORELEASE(obj);
}

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