autoreleasepool底层详解

由于 Objective-C 中的内存管理是一个比较大的话题，所以会分为两篇文章来对内存管理中的一些机制进行剖析，一部分分析自动释放池以及 

autorelease

 方法，另一部分分析 

retain

、

release

 方法的实现以及自动引用计数。

写在前面

这篇文章会在源代码层面介绍 Objective-C 中自动释放池，以及方法的 

autorelease

 的具体实现。

从 main 函数开始

main

 函数可以说是在整个 iOS 开发中非常不起眼的一个函数，它很好地隐藏在 

Supporting
Files

 文件夹中，却是整个 iOS 应用的入口。

main.m

 文件中的内容是这样的：

int main(int argc, char * argv[]) {
@autoreleasepool {
return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));
}
}

在这个 

@autoreleasepool

 block 中只包含了一行代码，这行代码将所有的事件、消息全部交给了 

UIApplication

 来处理，但是这不是本文关注的重点。

需要注意的是：整个 iOS 的应用都是包含在一个自动释放池 block 中的。

@autoreleasepool

@autoreleasepool

 到底是什么？我们在命令行中使用 

clang
-rewrite-objc main.m

 让编译器重新改写这个文件：

$ clang -rewrite-objc main.m

在生成了一大堆警告之后，当前目录下多了一个 

main.cpp

 文件



这里删除了 

main

 函数中其他无用的代码。

在这个文件中，有一个非常奇怪的 

__AtAutoreleasePool

 的结构体，前面的注释写到 

/*
@autoreleasepopl */

。也就是说 

@autoreleasepool {}

 被转换为一个 

__AtAutoreleasePool

结构体：

{
__AtAutoreleasePool __autoreleasepool;
}

想要弄清楚这行代码的意义，我们要在 

main.cpp

 中查找名为 

__AtAutoreleasePool

 的结构体：

struct __AtAutoreleasePool {
__AtAutoreleasePool() {atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();}
~__AtAutoreleasePool() {objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);}
void * atautoreleasepoolobj;
};

这个结构体会在初始化时调用 

objc_autoreleasePoolPush()

 方法，会在析构时调用 

objc_autoreleasePoolPop

 方法。

这表明，我们的 

main

 函数在实际工作时其实是这样的：

int main(int argc, const char * argv[]) {
{
void * atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();

// do whatever you want

objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);
}
return 0;
}

@autoreleasepool

 只是帮助我们少写了这两行代码而已，让代码看起来更美观，然后要根据上述两个方法来分析自动释放池的实现。

AutoreleasePool 是什么

这一节开始分析方法 

objc_autoreleasePoolPush

 和 

objc_autoreleasePoolPop

 的实现：

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

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

上面的方法看上去是对 

AutoreleasePoolPage

 对应静态方法 

push

 和 

pop

 的封装。

这一小节会按照下面的顺序逐步解析代码中的内容：

AutoreleasePoolPage 的结构
objc_autoreleasePoolPush 方法
objc_autoreleasePoolPop 方法

AutoreleasePoolPage 的结构

AutoreleasePoolPage

 是一个 C++ 中的类：



它在 

NSObject.mm

 中的定义是这样的：

class AutoreleasePoolPage {
magic_t const magic;
id *next;
pthread_t const thread;
AutoreleasePoolPage * const parent;
AutoreleasePoolPage *child;
uint32_t const depth;
uint32_t hiwat;
};

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
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）

#define I386_PGBYTES 4096
#define PAGE_SIZE I386_PGBYTES

双向链表

自动释放池中的 

AutoreleasePoolPage

 是以双向链表的形式连接起来的：

parent

 和 

child

 就是用来构造双向链表的指针。

自动释放池中的栈

如果我们的一个 

AutoreleasePoolPage

 被初始化在内存的 

0x100816000
~ 0x100817000

 中，它在内存中的结构如下：



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

，它就会如下图所示移动到下一个为空的内存地址中：



关于 

hiwat

 和 

depth

 在文章中并不会进行介绍，因为它们并不影响整个自动释放池的实现，也不在关键方法的调用栈中。

POOL_SENTINEL（哨兵对象）

到了这里，你可能想要知道 

POOL_SENTINEL

 到底是什么，还有它为什么在栈中。

首先回答第一个问题： 

POOL_SENTINEL

 只是 

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

。

而当方法 

objc_autoreleasePoolPop

 调用时，就会向自动释放池中的对象发送 

release

 消息，直到第一个 

POOL_SENTINEL

：

objc_autoreleasePoolPush 方法

了解了 

POOL_SENTINEL

，我们来重新回顾一下 

objc_autoreleasePoolPush

 方法：

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

它调用 

AutoreleasePoolPage

 的类方法 

push

，也非常简单：

static inline void *push() {
return autoreleaseFast(POOL_SENTINEL);
}

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

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

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

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

。

page->add 添加对象

id *add(id obj)

 将对象添加到自动释放池页中：

id *add(id obj) {
id *ret = next;
*next = obj;
next++;
return ret;
}

笔者对这个方法进行了处理，更方便理解。

这个方法其实就是一个压栈的操作，将对象加入 

AutoreleasePoolPage

 然后移动栈顶的指针。

autoreleaseFullPage（当前 hotPage 已满）

autoreleaseFullPage

 会在当前的 

hotPage

 已满的时候调用：

static id *autoreleaseFullPage(id obj, AutoreleasePoolPage *page) {
do {
if (page->child) page = page->child;
else page = new AutoreleasePoolPage(page);
} while (page->full());

setHotPage(page);
return page->add(obj);
}

它会从传入的 

page

 开始遍历整个双向链表，直到：

查找到一个未满的 

AutoreleasePoolPage

使用构造器传入 

parent

 创建一个新的 

AutoreleasePoolPage

在查找到一个可以使用的 

AutoreleasePoolPage

 之后，会将该页面标记成 

hotPage

，然后调动上面分析过的 

page->add

 方法添加对象。

autoreleaseNoPage（没有 hotPage)

如果当前内存中不存在 

hotPage

，就会调用 

autoreleaseNoPage

 方法初始化一个 

AutoreleasePoolPage

：

static id *autoreleaseNoPage(id obj) {
AutoreleasePoolPage *page = new AutoreleasePoolPage(nil);
setHotPage(page);

if (obj != POOL_SENTINEL) {
page->add(POOL_SENTINEL);
}

return page->add(obj);
}

既然当前内存中不存在 

AutoreleasePoolPage

，就要从头开始构建这个自动释放池的双向链表，也就是说，新的 

AutoreleasePoolPage

 是没有 

parent

 指针的。

初始化之后，将当前页标记为 

hotPage

，然后会先向这个 

page

 中添加一个 

POOL_SENTINEL

 对象，来确保在 

pop

 调用的时候，不会出现异常。

最后，将 

obj

 添加到自动释放池中。

objc_autoreleasePoolPop 方法

同样，回顾一下上面提到的 

objc_autoreleasePoolPop

 方法：

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

看起来传入任何一个指针都是可以的，但是在整个工程并没有发现传入其他对象的例子。不过在这个方法中传入其它的指针也是可行的，会将自动释放池释放到相应的位置。

我们一般都会在这个方法中传入一个哨兵对象 

POOL_SENTINEL

，如下图一样释放对象：

对 objc_autoreleasePoolPop 行为的测试

在继续分析这个方法之前做一个小测试，在 

objc_autoreleasePoolPop

 传入非哨兵对象，测试一下这个方法的行为。

下面是 

main.m

 文件中的源代码：

#import <Foundation/Foundation.h>

int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {

NSString *s = @"Draveness";
[s stringByAppendingString:@"-Suffix"];

}
return 0;
}

在代码的这一行打一个断点，因为这里会调用 

autorelease

 方法，将字符串加入自动释放池：



当代码运行到这里时，通过 lldb 打印出当前 

hotPage

 中的栈内容：



通过 

static

 方法获取当前 

hotPage

打印 

AutoreleasePoolPage

 中的内容
打印当前 

next

 指针指向的内容，以及之前的内容，

-2

时已经到了 

begin()

 位置
使用 

print()

和 

printAll()

打印自动释放池中内容
然后将字符串 

@"Draveness-Suffix"

 的指针传入 

pop

 方法，测试 

pop

 方法能否传入非哨兵参数。



再次打印当前 

AutoreleasePoolPage

 的内容时，字符串已经不存在了，这说明向 

pop

 方法传入非哨兵参数是可行的，只是我们一般不会传入非哨兵对象。

让我们重新回到对 

objc_autoreleasePoolPop

 方法的分析，也就是 

AutoreleasePoolPage::pop

 方法的调用：

static inline void pop(void *token) {
AutoreleasePoolPage *page = pageForPointer(token);
id *stop = (id *)token;

page->releaseUntil(stop);

if (page->child) {
if (page->lessThanHalfFull()) {
page->child->kill();
} else if (page->child->child) {
page->child->child->kill();
}
}
}

在这个方法中删除了大量无关的代码，以及对格式进行了调整。

该静态方法总共做了三件事情：

使用 

pageForPointer

 获取当前 

token

 所在的 

AutoreleasePoolPage

调用 

releaseUntil

 方法释放栈中的对象，直到 

stop

调用 

child

 的 

kill

 方法

我到现在也不是很清楚为什么要根据当前页的不同状态 

kill

 掉不同 

child

 的页面。

if (page->lessThanHalfFull()) {
page->child->kill();
} else if (page->child->child) {
page->child->child->kill();
}

pageForPointer 获取 AutoreleasePoolPage

pageForPointer

 方法主要是通过内存地址的操作，获取当前指针所在页的首地址：

static AutoreleasePoolPage *pageForPointer(const void *p) {
return pageForPointer((uintptr_t)p);
}

static AutoreleasePoolPage *pageForPointer(uintptr_t p) {
AutoreleasePoolPage *result;
uintptr_t offset = p % SIZE;

assert(offset >= sizeof(AutoreleasePoolPage));

result = (AutoreleasePoolPage *)(p - offset);
result->fastcheck();

return result;
}

将指针与页面的大小，也就是 4096 取模，得到当前指针的偏移量，因为所有的 

AutoreleasePoolPage

 在内存中都是对齐的：

p = 0x100816048
p % SIZE = 0x48
result = 0x100816000

而最后调用的方法 

fastCheck()

 用来检查当前的 

result

 是不是一个 

AutoreleasePoolPage

。

通过检查 

magic_t

 结构体中的某个成员是否为 

0xA1A1A1A1

。

releaseUntil 释放对象

releaseUntil

 方法的实现如下：

void releaseUntil(id *stop) {
while (this->next != stop) {
AutoreleasePoolPage *page = hotPage();

while (page->empty()) {
page = page->parent;
setHotPage(page);
}

page->unprotect();
id obj = *--page->next;
memset((void*)page->next, SCRIBBLE, sizeof(*page->next));
page->protect();

if (obj != POOL_SENTINEL) {
objc_release(obj);
}
}

setHotPage(this);
}

它的实现还是很容易的，用一个 

while

 循环持续释放 

AutoreleasePoolPage

 中的内容，直到 

next

 指向了 

stop

 。

使用 

memset

 将内存的内容设置成 

SCRIBBLE

，然后使用 

objc_release

 释放对象。

kill() 方法

到这里，没有分析的方法就只剩下 

kill

 了，而它会将当前页面以及子页面全部删除：

void kill() {
AutoreleasePoolPage *page = this;
while (page->child) page = page->child;

AutoreleasePoolPage *deathptr;
do {
deathptr = page;
page = page->parent;
if (page) {
page->unprotect();
page->child = nil;
page->protect();
}
delete deathptr;
} while (deathptr != this);
}

autorelease 方法

我们已经对自动释放池生命周期有一个比较好的了解，最后需要了解的话题就是 

autorelease

 方法的实现，先来看一下方法的调用栈：

- [NSObject autorelease]
└── id objc_object::rootAutorelease()
└── id objc_object::rootAutorelease2()
└── static id AutoreleasePoolPage::autorelease(id obj)
└── static id AutoreleasePoolPage::autoreleaseFast(id obj)
├── id *add(id obj)
├── static id *autoreleaseFullPage(id obj, AutoreleasePoolPage *page)
│   ├── AutoreleasePoolPage(AutoreleasePoolPage *newParent)
│   └── id *add(id obj)
└── static id *autoreleaseNoPage(id obj)
├── AutoreleasePoolPage(AutoreleasePoolPage *newParent)
└── id *add(id obj)

在 

autorelease

 方法的调用栈中，最终都会调用上面提到的 autoreleaseFast 方法，将当前对象加到 

AutoreleasePoolPage

 中。

这一小节中这些方法的实现都非常容易，只是进行了一些参数上的检查，最终还要调用autoreleaseFast 方法：

inline id objc_object::rootAutorelease() {
if (isTaggedPointer()) return (id)this;
if (prepareOptimizedReturn(ReturnAtPlus1)) return (id)this;

return rootAutorelease2();
}

__attribute__((noinline,used)) id objc_object::rootAutorelease2() {
return AutoreleasePoolPage::autorelease((id)this);
}

static inline id autorelease(id obj) {
id *dest __unused = autoreleaseFast(obj);
return obj;
}

由于在上面已经分析过 

autoreleaseFast

 方法的实现，这里就不会多说了。

小结

整个自动释放池 

AutoreleasePool

 的实现以及 

autorelease

 方法都已经分析完了，我们再来回顾一下文章中的一些内容：

自动释放池是由 

AutoreleasePoolPage

 以双向链表的方式实现的
当对象调用 

autorelease

 方法时，会将对象加入 

AutoreleasePoolPage

 的栈中
调用 

AutoreleasePoolPage::pop

 方法会向栈中的对象发送 

release

 消息

参考资料