iOS-底层原理(27)-内存管理之copy+weak+autorease原理

1.下面代码执行结果如何

// Person.h
@interface Person : NSObject
@property (copy, nonatomic) NSMutableArray *data;
@end

// 调用
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // Do any additional setup after loading the view, typically from a nib.
    
    Person *p = [[Person alloc] init];
    
    p.data = [NSMutableArray array];
    [p.data addObject:@"jack"];
    [p.data addObject:@"rose"];
    NSLog(@"end");
}

运行结果

image.png

- (void)setData:(NSArray *)data {
    if (_data != data) {
        [_data release];
        _data = [data copy];
    }
}

分析:因为data是copy属性，所以在其set方法里先执行判断，然后执行release操作，最后执行copy操作，变成了一个不可变对象。

二 copy

拷贝的目的：产生一个副本对象，跟源对象互不影响
修改了源对象，不会影响副本对象
修改了副本对象，不会影响源对象

iOS提供了2个拷贝方法

copy 不可变拷贝，产生不可变副本
mutableCopy可变拷贝，产生可变副本

深拷贝和浅拷贝

深拷贝 内容拷贝，产生新的对象
浅拷贝 指针拷贝，没有产生新的对象

copy和mutableCopy 图解

image.png

1.copy都是不可变拷贝，产生不可变副本。mutableCopy都是可变拷贝，产生可变副本。
2.除了不可变对象的copy是浅拷贝，其他都是深拷贝。

三引用计数的存储

在64bit中，引用计数可以直接存储在优化过的isa指针中，也可能存储在SideTable类中

image.png

refcnts是一个存放着对象引用计数的散列表

四 weak实现原理 - dealloc

当一个对象要释放时，会自动调用dealloc，接下的调用轨迹是

1.dealloc
2._objc_rootDealloc
3.rootDealloc
4.object_dispose
5.objc_destructInstance、free

image.png

五自动释放池

自动释放池的主要底层数据结构是：__AtAutoreleasePool、AutoreleasePoolPage
调用了autorelease的对象最终都是通过AutoreleasePoolPage对象来管理的
__AtAutoreleasePool结构体

 struct __AtAutoreleasePool {
    __AtAutoreleasePool() { // 构造函数，在创建结构体的时候调用
        atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();
    }
 
    ~__AtAutoreleasePool() { // 析构函数，在结构体销毁的时候调用
        objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);
    }
 
    void * atautoreleasepoolobj;
 };

下面将代码进行转换

@autoreleasepool {
    Person *p4 = [[[MJPerson alloc] init] autorelease];
}

将上述代码转成C++代码

 {
    __AtAutoreleasePool __autoreleasepool;
    MJPerson *person = ((MJPerson *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((MJPerson *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((MJPerson *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("MJPerson"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init")), sel_registerName("autorelease"));
 }

去除一些不必要的代码后变成下面这个样子

 {
    __AtAutoreleasePool __autoreleasepool;
   MJPerson *person = [[[MJPerson alloc] init] autorelease];
 }

又因为__AtAutoreleasePool是一个结构体，所以创建时会调用其构造函数__AtAutoreleasePool()，当离开其作用域后，会调用其析构函数~__AtAutoreleasePool()，所以上面的代码又可以转换成下面的代码

atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();
Person *person = [[[Person alloc] init] autorelease];
objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);

5.0 自动释放池

自动释放池的主要底层数据结构是：__AtAutoreleasePool、AutoreleasePoolPage
调用了autorelease的对象最终都是通过AutoreleasePoolPage对象来管理的

源码分析

clang重写@autoreleasepool
objc4源码：NSObject.mm

image.png

变量说明

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

5.1 AutoreleasePoolPage的结构

每个AutoreleasePoolPage对象占用4096字节内存，除了用来存放它内部的成员变量，剩下的空间用来存放autorelease对象的地址
所有的AutoreleasePoolPage对象通过双向链表的形式连接在一起

image.png

atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();
Person *person = [[[Person alloc] init] autorelease];
objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);

上图的执行步骤说明

调用push方法会将一个POOL_BOUNDARY入栈，并且返回其存放的内存地址，即返回给atautoreleasepoolobj。
调用pop方法时传入一个POOL_BOUNDARY的内存地址，会从最后一个入栈的对象开始发送release消息，直到遇到这个POOL_BOUNDARY
id *next指向了下一个能存放autorelease对象地址的区域

代码例子如下

extern void _objc_autoreleasePoolPrint(void);

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool { //  r1 = push()
        
        Person *p1 = [[[Person alloc] init] autorelease];
        Person *p2 = [[[Person alloc] init] autorelease];
        
        @autoreleasepool { // r2 = push()
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                Person *p3 = [[[Person alloc] init] autorelease];
            }
            
            @autoreleasepool { // r3 = push()
                Person *p4 = [[[Person alloc] init] autorelease];
                _objc_autoreleasePoolPrint();
            } // pop(r3)
        } // pop(r2)
    } // pop(r1)
    return 0;
}

执行结果

image.png

因为只打印了一个PAGE，所以说明他们是在同一个AutoreleasePoolPage，只是每次一个新的autoreleasepool，都会插入一个POOL_BOUNDARY。

每次释放对象时，都是从后往前释放，直到遇到POOL_BOUNDARY为止。

代码例子二

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool { //  r1 = push()
        @autoreleasepool {
            MJPerson *p1 = [[[MJPerson alloc] init] autorelease];
            _objc_autoreleasePoolPrint();
        }
        return 0;
    }
}

执行结果

image.png

代码例子三

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool { //  r1 = push()
        
        MJPerson *p1 = [[[MJPerson alloc] init] autorelease];
        MJPerson *p2 = [[[MJPerson alloc] init] autorelease];
        
        @autoreleasepool { // r2 = push()
            for (int i = 0; i < 600; i++) {
                MJPerson *p3 = [[[MJPerson alloc] init] autorelease];
            }

            @autoreleasepool { // r3 = push()
                MJPerson *p4 = [[[MJPerson alloc] init] autorelease];
                _objc_autoreleasePoolPrint();
            } // pop(r3)

        } // pop(r2)
        
    } // pop(r1)
    return 0;
}

执行结果

image.png

5.2 Runloop和Autorelease

iOS在主线程的Runloop中注册了2个Observer

第1个Observer监听了kCFRunLoopEntry事件，会调用objc_autoreleasePoolPush()
第2个Observer

<1> 监听了kCFRunLoopBeforeWaiting事件，会调用objc_autoreleasePoolPop()、objc_autoreleasePoolPush()
<2> 监听了kCFRunLoopBeforeExit事件，会调用objc_autoreleasePoolPop()

5.3 autorelease对象在什么时机会被调用release

实践内容可以参考你真的懂iOS的autorelease吗?

代码例子如下

MRC环境下

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    // 这个Person什么时候调用release，是由RunLoop来控制的
    // 它可能是在某次RunLoop循环中，RunLoop休眠之前调用了release
    MJPerson *person = [[[MJPerson alloc] init] autorelease];
    NSLog(@"%s", __func__);
}

- (void)viewWillAppear:(BOOL)animated
{
    [super viewWillAppear:animated];
    
    NSLog(@"%s", __func__);
}

- (void)viewDidAppear:(BOOL)animated
{
    [super viewDidAppear:animated];
    
    NSLog(@"%s", __func__);
}

运行结果如下

image.png

得出结论，autorelease并不是根据对象的作用域来决定释放时机。

实际上，autorelease释放对象的依据是Runloop，简单说，runloop就是iOS中的消息循环机制，当一个runloop结束时系统才会一次性清理掉被autorelease处理过的对象，其实本质上说是在本次runloop迭代结束时清理掉被本次迭代期间被放到autorelease pool中的对象的。至于何时runloop结束并没有固定的duration。

本次runloop迭代休眠之前调用了objc_autoreleasePoolPop()方法，然后调用release，从而释放Person对象。

5.4 方法里有局部对象，出了方法后会立即释放吗

ARC环境下

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    Person *person = [[Person alloc] init];
    NSLog(@"%s", __func__);
}

- (void)viewWillAppear:(BOOL)animated {
    [super viewWillAppear:animated];
    
    NSLog(@"%s", __func__);
}

- (void)viewDidAppear:(BOOL)animated {
    [super viewDidAppear:animated];
    
    NSLog(@"%s", __func__);
}

image.png

通过打印结果可知，当person对象出了其作用域后就销毁，即系统会在它出作用域的时候，自动调用其release方法。

扩展

既然由runloop来决定对象释放时机而不是作用域，那么，在一个{}内使用循环大量创建对象就有可能带来内存上的问题，大量对象会被创建而没有及时释放，这时候就需要靠我们人工的干预autorelease的释放了。

上文有提到autorelease pool，一旦一个对象被autorelease，则该对象会被放到iOS的一个池：autorelease pool，其实这个pool本质上是一个stack，扔到pool中的对象等价于入栈。我们把需要及时释放掉的代码块放入我们生成的autorelease pool中，结束后清空这个自定义的pool，主动地让pool清空掉，从而达到及时释放内存的目的。优化代码如下

@autoreleasePool{
    //domeSomeThing;
}

什么时候用@autoreleasepool

根据 Apple的文档，使用场景如下：

写基于命令行的的程序时，就是没有UI框架，如AppKit等Cocoa框架时。
写循环，循环里面包含了大量临时创建的对象。（本文的例子）
创建了新的线程。（非Cocoa程序创建线程时才需要）
长时间在后台运行的任务。

autorelease 机制基于 UI framework。因此写非UI framework的程序时，需要自己管理对象生存周期。

autorelease 触发时机发生在下一次runloop的时候。因此如何在一个大的循环里不断创建autorelease对象，那么这些对象在下一次runloop回来之前将没有机会被释放，可能会耗尽内存。这种情况下，可以在循环内部显式使用@autoreleasepool {}将autorelease对象释放。

自己创建的线程。Cocoa的应用都会维护自己autoreleasepool。因此，代码里spawn的线程，需要显式添加autoreleasepool。注意：如果是使用POSIX API 创建线程，而不是NSThread，那么不能使用Cocoa，因为Cocoa只能在多线程（multithreading）状态下工作。但可以使用NSThread创建一个马上销毁的线程，使得Cocoa进入multithreading状态。

上述结论来自 guijiewan 的CSDN 博客，什么时候应该使用Autorelease

什么对象会加入Autoreleasepool中

使用alloc、new、copy、mutableCopy的方法进行初始化时，由系统管理对象，在适当的位置release。
使用array会自动将返回值的对象注册到Autoreleasepool。
__weak修饰的对象，为了保证在引用时不被废弃，会注册到Autoreleasepool中。
id的指针或对象的指针，在没有显示指定时会被注册到Autoleasepool中。

本文参考MJ底层原理教程，非常感谢
本文参考Autorelease Pool学习笔记，非常感谢。
优秀文章推荐 - Objective-C Autorelease Pool 的实现原理

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项目连接地址 - MemoryManage-CADisplayLink+Timer
项目连接地址 - MemoryManage-Copy
项目连接地址 - MemoryManager_autorelease1
项目连接地址 - MemoryManager_autorelease

iOS-底层原理(27)-内存管理之copy+weak+autorease原理

1.下面代码执行结果如何

二 copy

iOS提供了2个拷贝方法

三 引用计数的存储

四 weak实现原理 - dealloc

五 自动释放池

5.0 自动释放池

5.1 AutoreleasePoolPage的结构

5.2 Runloop和Autorelease

5.3 autorelease对象在什么时机会被调用release

5.4 方法里有局部对象， 出了方法后会立即释放吗

扩展

什么时候用@autoreleasepool

什么对象会加入Autoreleasepool中

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