最近需要重新整理知識點備用，把一些重要的原理都搞了一遍

前言

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

以上就是我們所看到的第一個自動釋放池寫法，按我之前的理解如下

1.自動釋放池內部是由 AutoreleasePoolPage為節點的雙向連結串列結構形成，AutoreleasePool本身沒有任何形式的結構

2.當物件在autoreleasepool裡面呼叫隱式執行autorelease的時候，會將物件加入上述以AutoreleasePoolPage為節點的雙向連結串列中

3.每一個自動釋放池初始化呼叫objc_autoreleasePoolPush（內部是會有一個哨兵物件作為標記，我的理解是一個自動釋放池對應一個哨兵token），當objc_autoreleasePoolPop呼叫會根據傳入的哨兵物件進行地址偏移，然後遍歷出物件挨個執行release操作，知道遇到下一個哨兵或者stop為止

由於很早之前看到雷純峰和德萊文大神的文章，知道原理，但是一直沒有系統記錄下知識點，乘國慶有時間，又閱讀了這兩位大神的文章，特此記錄下知識點，並加上些自己的理解，方便新手看懂和自己溫故知新

@autoreleasepool

根據我們看到的第一個main函式的自動釋放池，可以看到整個 iOS 的應用都是包含在一個自動釋放池 block 中的。

首先通過clang把OC程式碼轉換成c++runtime程式碼

$ clang -rewrite-objc main.m

如下 也就是說@autoreleasepool {} 被轉換為一個 __AtAutoreleasePool 結構體： 

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;
};

最終轉換出來實際上我們看到的main函式程式碼就是這樣的

int main(int argc, const char * argv[]) {
    {
        void * atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();
        
        // do whatever you want
        
        objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);
    }
    return 0;
}

AutoreleasePoolPage 的結構

上述展開的程式碼實際上就是如下PoolPage的操作

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

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

什麼是AutoreleasePoolPage？

其實AutoreleasePool沒有單獨的記憶體結構，而是通過AutoreleasePoolPage為節點的雙向連結串列來實現。

• 每一個執行緒的 autoreleasepool 其實就是一個指標的堆疊；
• 每一個指標代表一個需要 release 的物件或者 POOL_SENTINEL（哨兵物件，代表一個 autoreleasepool 的邊界）；
• 一個 pool token 就是這個 pool 所對應的 POOL_SENTINEL 的記憶體地址。當這個 pool 被 pop 的時候，所有記憶體地址在 pool token 之後的物件都會被 release ；
• 這個堆疊被劃分成了一個以 page 為結點的雙向連結串列。pages 會在必要的時候動態地增加或刪除；
• Thread-local storage（執行緒區域性儲存）指向 hot page ，即最新新增的 autoreleased 物件所在的那個 page 

空的poolpage如下

1. magic 用來校驗 AutoreleasePoolPage 的結構是否完整；
2. next 指向最新新增的 autoreleased 物件的下一個位置，初始化時指向 begin() ；
3. thread 指向當前執行緒；
4. parent 指向父結點，第一個結點的 parent 值為 nil ；雙向連結串列上一個節點
5. child 指向子結點，最後一個結點的 child 值為 nil ；雙向連結串列下一個節點
6. depth 代表深度，從 0 開始，往後遞增 1；
7. hiwat 代表 high water mark 。
8. 每一個自動釋放池都是由一系列的 AutoreleasePoolPage 組成的，並且每一個 AutoreleasePoolPage 的大小都是 4096 位元組（16 進位制 0x1000）

另外，當 next == begin() 時，表示 AutoreleasePoolPage 為空；當 next == end() 時，表示 AutoreleasePoolPage 已滿。

其中有 56 bit 用於儲存 AutoreleasePoolPage 的成員變數，剩下的 0x100816038 ~ 0x100817000 都是用來儲存加入到自動釋放池中的物件。

begin() 和 end() 這兩個類的例項方法幫助我們快速獲取 0x100816038 ~ 0x100817000 這一範圍的邊界地址。

next 指向了下一個為空的記憶體地址，如果 next 指向的地址加入一個 object，也就是AutoreleasePool當中加入一個物件執行autorelease方法後，它就會如下圖所示移動到下一個為空的記憶體地址中：

objc_autoreleasePoolPush (Push操作)

一些列的轉換autoreleasePool的push方法轉換為 AutoreleasePoolPage 的 push 函式，來看下它的作用和執行過程。一個 push 操作其實就是建立一個新的 autoreleasepool ，對應 AutoreleasePoolPage 的具體實現就是往 AutoreleasePoolPage 中的 next 位置插入一個 POOL_SENTINEL ，並且返回插入的 POOL_SENTINEL 的記憶體地址。這個地址也就是我們前面提到的 pool token ，在執行 pop 操作的時候作為函式的入參。 

上面的AutoreleasePoolPage在這裡會進入一個比較關鍵的方法 autoreleaseFast，並傳入哨兵物件 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);
   }
}

上述方法分三種情況選擇不同的程式碼執行：

• 有 hotPage 並且當前 page 不滿
  • 呼叫 page->add(obj) 方法將物件新增至 AutoreleasePoolPage 的棧中
• 有 hotPage 並且當前 page 已滿
  • 呼叫 autoreleaseFullPage 初始化一個新的頁
  • 呼叫 page->add(obj) 方法將物件新增至 AutoreleasePoolPage 的棧中
• 無 hotPage
  • 呼叫 autoreleaseNoPage 建立一個 hotPage
  • 呼叫 page->add(obj) 方法將物件新增至 AutoreleasePoolPage 的棧中

最後的都會呼叫 page->add(obj) 將物件新增到自動釋放池中。

hotPage 可以理解為當前正在使用的 AutoreleasePoolPage。

POOL_SENTINEL（哨兵物件）

這裡很有必要先介紹下這個東西，正常情況下他就是nil的別名

#define POOL_SENTINEL nil

在每個自動釋放池初始化呼叫 objc_autoreleasePoolPush 的時候，都會把一個 POOL_SENTINEL push 到自動釋放池的棧頂，並且返回這個 POOL_SENTINEL 哨兵物件。

int main(int argc, const char * argv[]) {
    {
        void * atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();
        
        // do whatever you want
        
        objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);
    }
    return 0;
}

上面的 atautoreleasepoolobj 就是一個 POOL_SENTINEL。

理解：

當我們看到一個@autoreloeasepool{}的程式碼的時候，轉換之後如上程式碼，可以理解為在雙向連結串列結構的基礎上，每個node節點就是poolpage物件，該物件有固定大小4096，前幾個位元組用於儲存屬性欄位，後面從begin地址開始到end地址結束用來儲存自動釋放池裡面的物件，就會在屬性欄位挨著的地址上出現一個哨兵標誌POOL_SENTINEL，也就是nil標誌自動釋放池的出現，返回值地址用來標誌對應的池子，後續pop的時候根據池子遍歷物件挨個執行release操作

 autorelease 操作

AutoreleasePoolPage 的 autorelease 函式的實現對我們來說就比較容量理解了，它跟 push 操作的實現非常相似。只不過 push 操作插入的是一個 POOL_SENTINEL ，而 autorelease 操作插入的是一個具體的 autoreleased 物件。

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 函式本質上也是呼叫的 AutoreleasePoolPage 的 pop 函式。

pop 函式的入參就是 push 函式的返回值，也就是 POOL_SENTINEL 的記憶體地址，即 pool token 。當執行 pop 操作時，記憶體地址在 pool token 之後的所有 autoreleased 物件都會被 release 。直到 pool token 所在 page 的 next 指向 pool token 為止。

下面是某個執行緒的 autoreleasepool 堆疊的記憶體結構圖，在這個 autoreleasepool 堆疊中總共有兩個 POOL_SENTINEL ，即有兩個 autoreleasepool 。該堆疊由三個 AutoreleasePoolPage 結點組成，第一個 AutoreleasePoolPage 結點為 coldPage() ，最後一個 AutoreleasePoolPage 結點為 hotPage() 。其中，前兩個結點已經滿了，最後一個結點中儲存了最新新增的 autoreleased 物件 objr3 的記憶體地址。

如果執行pop（token），autoreleasepool對應的堆疊資訊就會變成如下

總結：

[email protected]展開來其實就是objc_autoreleasePoolPush和objc_autoreleasePoolPop，但是這兩個函式也是封裝的一個底層物件AutoreleasePoolPage，實際對應的是AutoreleasePoolPage::push和AutoreleasePoolPage::pop

2.autoreleasepool本身並沒有內部結構，而是一種通過AutoreleasePoolPage為節點的雙向連結串列結構

3.根據AutoreleasePoolPage雙向連結串列的結構，可以看到當呼叫objc_autoreleasePoolPush的時候實際上除了初始化poolpage物件屬性之外，還會插入一個POOL_SENTINEL哨兵，用來區分不同autoreleasepool之間包裹的物件。

4.當物件呼叫 autorelease 方法時，會將實際物件插入 AutoreleasePoolPage 的棧中，通過next指標移動。

5.autoreleasePoolPage的結構欄位上面有介紹，其中每個雙向連結串列的node節點也就是poolpage物件記憶體大小為4096，除了基礎屬性之外，外插一個POOL_SENTINEL，每出現一個@autorelease就會有一個哨兵，剩下的通過begin和end來標識是否儲存滿，滿了就會重新建立一個poolpage來連結連結串列，按照這個套路，出現一個PoolPush就建立一個哨兵，出現一個物件的autorelease，就增加一個實際的物件，滿了就建立新的連結串列節點這樣衍生下去

6.AutoreleasePoolPage::pop那麼當呼叫pop的時候，會傳入需要drain的哨兵節點，遍歷該記憶體地址上方所有物件，直到遇到對應的哨兵，然後釋放棧中遍歷到的物件，每刪除一頁就修正雙向連結串列的指標，最後兩張圖很容易理解

7.ARC下，直接呼叫上面的方法，整個執行緒都被自動釋放池雙向連結串列管理，Push建立的時候插入哨兵物件，當我們在內部寫程式碼的時候，會自動新增Autorelease，物件會加入到在哨兵節點之間，加入到next指標上，一個個往後移，滿了4096就換下一個poolPage物件節點來儲存，出了釋放池，會呼叫pop，傳入自動釋放池的哨兵給pop，然後遍歷哨兵記憶體地址之後的所有物件執行release，最後吧next指標移到目標哨兵

8.Runloop這裡就不介紹了，可以翻看另外寫的部落格，App啟動的時候會在主Runloop裡面註冊兩個觀察者和一個回撥函式，

第一個Observe觀察到entry即將進入loop的時候，會呼叫_objc_autoreleasePoolPush（）建立自動釋放池，優先順序最高，保證在所有回撥方法之前。

第二個Observe觀察到即將進入休眠或者退出的時候，當監聽到Beforewaiting的時候，呼叫_objc_autoreleasePoolPop() 和 _objc_autoreleasePoolPush() 釋放舊的建立新的，當監聽到Exit的時候呼叫_objc_autoreleasePoolPop釋放pool，這裡的Observe優先順序最低，發生在所有回撥函式之後。