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Objective-C Autorelease Pool 的实现原理(1)

时间:2015-06-23 来源:本站整理 我要评论
     内存管理一直是学习 Objective-C 的重点和难点之一,尽管现在已经是 ARC 时代了,但是了解 Objective-C 的内存管理机制仍然是十分必要的。其中,弄清楚 autorelease 的原理更是重中之重,只有理解了 autorelease 的原理,我们才算是真正了解了 Objective-C 的内存管理机制。注:本文使用的 runtime 源码是当前的最新版本 objc4-646.tar.gz 。
 
  autoreleased 对象什么时候释放
 
  autorelease 本质上就是延迟调用 release ,那 autoreleased 对象究竟会在什么时候释放呢?为了弄清楚这个问题,我们先来做一个小实验。这个小实验分 3 种场景进行,请你先自行思考在每种场景下的 console 输出,以加深理解。注:本实验的源码可以在这里 AutoreleasePool 找到。
 
  
  思考得怎么样了?相信在你心中已经有答案了。那么让我们一起来看看 console 输出:
 

 
  跟你预想的结果有出入吗?Any way ,我们一起来分析下为什么会得到这样的结果。

  分析:3 种场景下,我们都通过 [NSString stringWithFormat:@"leichunfeng"] 创建了一个 autoreleased 对象,这是我们实验的前提。并且,为了能够在 viewWillAppear 和 viewDidAppear 中继续访问这个对象,我们使用了一个全局的 __weak 变量 string_weak_ 来指向它。因为 __weak 变量有一个特性就是它不会影响所指向对象的生命周期,这里我们正是利用了这个特性。
 
  场景 1:当使用 [NSString stringWithFormat:@"leichunfeng"] 创建一个对象时,这个对象的引用计数为 1 ,并且这个对象被系统自动添加到了当前的 autoreleasepool 中。当使用局部变量 string 指向这个对象时,这个对象的引用计数 +1 ,变成了 2 。因为在 ARC 下 NSString *string 本质上就是 __strong NSString *string 。所以在 viewDidLoad 方法返回前,这个对象是一直存在的,且引用计数为 2 。而当 viewDidLoad 方法返回时,局部变量 string 被回收,指向了 nil 。因此,其所指向对象的引用计数 -1 ,变成了 1 。
 
  而在 viewWillAppear 方法中,我们仍然可以打印出这个对象的值,说明这个对象并没有被释放。咦,这不科学吧?我读书少,你表骗我。不是一直都说当函数返回的时候,函数内部产生的对象就会被释放的吗?如果你这样想的话,那我只能说:骚年你太年经了。开个玩笑,我们继续。前面我们提到了,这个对象是一个 autoreleased 对象,autoreleased 对象是被添加到了当前最近的 autoreleasepool 中的,只有当这个 autoreleasepool 自身 drain 的时候,autoreleasepool 中的 autoreleased 对象才会被 release 。
 
  另外,我们注意到当在 viewDidAppear 中再打印这个对象的时候,对象的值变成了 nil ,说明此时对象已经被释放了。因此,我们可以大胆地猜测一下,这个对象一定是在 viewWillAppear 和 viewDidAppear 方法之间的某个时候被释放了,并且是由于它所在的 autoreleasepool 被 drain 的时候释放的。
 
  你说什么就是什么咯?有本事你就证明给我看你妈是你妈。额,这个我真证明不了,不过上面的猜测我还是可以证明的,不信,你看!

  在开始前,我先简单地说明一下原理,我们可以通过使用 lldb 的 watchpoint 命令来设置观察点,观察全局变量 string_weak_ 的值的变化,string_weak_ 变量保存的就是我们创建的 autoreleased 对象的地址。在这里,我们再次利用了 __weak 变量的另外一个特性,就是当它所指向的对象被释放时,__weak 变量的值会被置为 nil 。了解了基本原理后,我们开始验证上面的猜测。
 
  我们先在第 35 行打一个断点,当程序运行到这个断点时,我们通过 lldb 命令 watchpoint set v string_weak_ 设置观察点,观察 string_weak_ 变量的值的变化。如下图所示,我们将在 console 中看到类似的输出,说明我们已经成功地设置了一个观察点:
  
  
设置好观察点后,点击 Continue program execution 按钮,继续运行程序,我们将看到如下图所示的界面:
  
 
  我们先看 console 中的输出,注意到 string_weak_ 变量的值由 0x00007f9b886567d0 变成了
0x0000000000000000 ,也就是 nil 。说明此时它所指向的对象被释放了。另外,我们也可以注意到一个细节,那就是 console 中打印了两次对象的值,说明此时 viewWillAppear 也已经被调用了,而 viewDidAppear 还没有被调用。

 
  接着,我们来看看左侧的线程堆栈。我们看到了一个非常敏感的方法调用 -[NSAutoreleasePool release] ,这个方法最终通过调用 AutoreleasePoolPage::pop(void *) 函数来负责对 autoreleasepool 中的 autoreleased 对象执行 release 操作。结合前面的分析,我们知道在 viewDidLoad 中创建的 autoreleased 对象在方法返回后引用计数为 1 ,所以经过这里的 release 操作后,这个对象的引用计数 -1 ,变成了 0 ,该 autoreleased 对象最终被释放,猜测得证。

  另外,值得一提的是,我们在代码中并没有手动添加 autoreleasepool ,那这个 autoreleasepool 究竟是哪里来的呢?看完后面的章节你就明白了。
 
  场景 2:同理,当通过 [NSString stringWithFormat:@"leichunfeng"] 创建一个对象时,这个对象的引用计数为 1 。而当使用局部变量 string 指向这个对象时,这个对象的引用计数 +1 ,变成了 2 。而出了当前作用域时,局部变量 string 变成了 nil ,所以其所指向对象的引用计数变成 1 。另外,我们知道当出了 @autoreleasepool {} 的作用域时,当前 autoreleasepool 被 drain ,其中的 autoreleased 对象被 release 。所以这个对象的引用计数变成了 0 ,对象最终被释放。
 
  场景 3:同理,当出了 @autoreleasepool {} 的作用域时,其中的 autoreleased 对象被 release ,对象的引用计数变成 1 。当出了局部变量 string 的作用域,即 viewDidLoad 方法返回时,string 指向了 nil ,其所指向对象的引用计数变成 0 ,对象最终被释放。
 
  理解在这 3 种场景下,autoreleased 对象什么时候释放对我们理解 Objective-C 的内存管理机制非常有帮助。其中,场景 1 出现得最多,就是不需要我们手动添加 @autoreleasepool {} 的情况,直接使用系统维护的 autoreleasepool ;场景 2 就是需要我们手动添加 @autoreleasepool {} 的情况,手动干预 autoreleased 对象的释放时机;场景 3 是为了区别场景 2 而引入的,在这种场景下并不能达到出了 @autoreleasepool {} 的作用域时 autoreleased 对象被释放的目的。
 
  PS:请读者参考场景 1 的分析过程,使用 lldb 命令 watchpoint 自行验证下在场景 2 和场景 3 下 autoreleased 对象的释放时机,you should give it a try yourself 。
 
  AutoreleasePoolPage
 
  细心的读者应该已经有所察觉,我们在上面已经提到了 -[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:
 
  
 
  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 ;
 
  child 指向子结点,最后一个结点的 child 值为 nil ;
 
  depth 代表深度,从 0 开始,往后递增 1;
 
  hiwat 代表 high water mark 。
 
  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):
 
  
 

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