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[移动开发]75.Autorelease机制及释放时机

  2016-04-02 20:53:54

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 系统就能管理好内存。而在这背后,objc和编译器都帮我们做了哪些事呢,一起来探究下Autorelease机制吧。

概述


当向一个对象发送一个autorelease消息时,Cocoa就会将该对象的一个引用放入到最新的自动释放池。它仍然是个正当的对象,因此自动释放池定义的作用域内的其它对象可以向它发送消息。当自动释放池释放时,其中所有被管理对象都会收到”relrease”的消息, 从而池中的所有对象也就被释放。注意,同一个对象可以被多次调用”autorelease”方法,并可以放到同一个”AutoreleasePool”中。
所以引入这个自动释放池机制,对象的”autorelease”方法代替”relrease”方法可以延长它的生命周期,直接到当前”AutorelreasePool”释放。

iOS通过引用计数管理内存


OC 是通过”referring counting”(引用计数)的方式来管理内存的, 对象在开始分配内存(alloc)的时候引用计数为一,以后每当碰到有copy,retain的时候引用计数都会加一, 每当碰到release和autorelease的时候引用计数就会减一,如果此对象的计数变为了0, 就会被系统销毁.
GC(Garbage Collection) 即垃圾回收, 需要注意的是iOS没有垃圾回收机制的, 只靠引用计数来进行管理内存, 这其实也是 Autorelease 原理的核心. 大家不要混淆这种方法和垃圾回收机制. 不过很多语言还是有自己的垃圾回收机制的, 推荐一篇文章关于垃圾回收(GC)的三种基本方式.

NSAutoreleasePool

如何使用


NSAutoreleasePool *pool=[[NSAutoreleasePool alloc] init];
当执行[pool autorelease]的时候,系统会进行一次内存释放,把autorelease的对象释放掉,如果没有NSAutoreleasePool , 那这些内存不会释放
注意,对象并不是自动被加入到当前pool中,而是需要对对象发送autorelease消息,这样,对象就被加到当前pool的管理里了。当当前pool接受到drain消息时,它就简单的对它所管理的所有对象发送release消息。
NSAutoreleasePool * pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
NSString* nsstring;
char* cstring = "Hello CString";
nsstring = [NSString stringWithUTF8String:cstring];
[pool drain];

注意事项


1.NSAutoreleasePool的管理范围是在NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc]init];与[pool drain];之间的对象
2.在程序的入口main函数就调用NSAutoreleasePool,这样保证程序中不调用NSAutoreleasePool,但在退出时自动释放。新开线程最好实现NSAutoreleasePool
3.NSAutoreleasePool实际上是个对象引用计数自动处理器. NSAutoreleasePool可以同时有多个,它的组织是个栈,总是存在一个栈顶pool,也就是当前pool,每创建一个pool,就往栈里压一个,改变当前pool为新建的pool,然后,每次给pool发送drain消息,就弹出栈顶的pool,改当前pool为栈里的下一个 pool。
4.如果在Automatic Reference Counting(ARC) 不能直接使用autorelease pools,而是使用@autoreleasepool{}, @autoreleasepool{} 比直接使用NSAutoreleasePool 效率高。但在 MRC 下两者都是适用的.
5.在非 GC的引用计数环境下,drain和release一样,但是在garbage-collected环境中,使用drain。(”release”与”drain”的区别是”drain”在有GC的环境中会引起GC回收操作,”release”反之。但在非GC环境中,两者相同。官方的说法是为了程序的兼容性,应该考虑用”drain”代替”release”。)

Autorelease原理


现在看一段 MRC 下关于单层 autoreleasePool使用的代码:
NSAutoreleasePool * pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
NSArray * array = <NSArray alloc] init] autorelease];
[pool drain];

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:
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:

上图中的情况,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,最终变成下面的样子:

嵌套的AutoreleasePool


但由于你提到了生成的每个实例可能会比较大。只在循环外嵌套,可能导致在pool释放前,内存里已经有10000个实例存在,造成瞬间占用内存过大的情况。因此,如果你的每个实例仅需要在单次循环过程中用到,那么可以考虑可以在循环内创建pool并释放
NSAutoreleasePool * pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
for (int i = 0; i < 10000; i++)
{
        NSAutoreleasePool * pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
    // ...
    [pool drain];
}
[pool drain];

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。

Autorelease 释放时机


很多人说, 当程序执行到作用域结束的位置时(当前作用域大括号结束时),自动释放池就会被释放,这个说法是不对的。正确的过程是如何呢?
iOS的运行时是由一个一个runloop组成的,每个runloop都会执行下图的一些步骤:

可以看到,每个runloop中都创建一个Autorelease Pool,并在runloop的末尾进行释放,所以,一般情况下,每个接受autorelease消息的对象,都会在下个runloop开始前被释放。也就是说,在一段同步的代码中执行过程中,生成的对象接受autorelease消息后,一般是不会在作用域结束前释放的。
所以严谨的说, 在没有手动添加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
__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)}

由于这个vc在loadView之后便add到了window层级上,所以viewDidLoad和viewWillAppear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:
- (void)viewDidLoad
{
    [super viewDidLoad];
    @autoreleasepool {        NSString *str = [NSString stringWithFormat:@"sunnyxx"];
    }    NSLog(@"%@", str); // Console: (null)}

参考资料:Autorelease原理解析
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2016-04-02 20:51:48  
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