iOS内存管理的那些事儿-原理及实现

作者简介

boyce，饿了么物流团队资深iOS开发。曾在格瓦拉等公司从事iOS相关研发工作。

注：本篇文章是《iOS内存管理的那些事儿》系列文章的第一部分。稍后我们会持续更新第二部分（开源监测内存泄漏的实现）和第三部分（如何利用开源 工具 做相关的APM），感兴趣的童鞋可以关注我们专栏并获取实时推送信息哦～

为什么要写这篇文章

最近在做内存优化相关的问题，趁着这个机会把内存相关知识捋一捋。虽然现在语言设计的趋势之一就是，让 程序员 不在关心内存管理这件事。但是作为一名程序开发，如果因为语言这个特性，而忽略这方面的知识的话，那是很不可取的，不懂这方面知识，遇到问题会让我们知其然还不知其所以然。因为内存设计的知识比较多，因此我把他做成了系列。第一部分讲下基础的知识和原理，第二部分讲下一些开源监测内存泄漏的实现。第三部分讲下如何利用开源工具做相关的APM。文章中难免有出错的地方，还请各位斧正。

为什么要进行内存管理

内存是计算机的稀缺资源，在移动设备乃至嵌入设备就显得更为稀缺。不同的操作系统对程序运行时所占用的内存要求不一样。在这里我们主要说一下移动操作系统对运行中App所占用的内存限制。Android不同Rom在默认情况下，对单个App所能申请的内存是有上限。这里的上限没有一个统一的具体值，但可以肯定的是，这个上限是存在的。iOS也同样如此。做移动开发的同学对此应该都会有所感受。内存管理是移动日常开发中非常重要的一环。因此，作为移动开发的我们，不仅要知其然，也要知其所以然。

程序内存空间布局

一个程序被加载到内存中，内存布局通常是分为如下几块。主要分为，代码段，数据段，栈，堆。不同语言的程序可能有所不同，比如C++还会具体区分为全局/静态存储区，常量区，自由存储区。这里主要关注，属于程序员可以分配和释放的部分。虽然有些语言使用了GC技术，但是我们在写代码时候依然要关注内存的分配和释放。

常见的内存管理技术

现代的内存管理技术主要集中在GC（Garbage Collection）上，现在很多语言也在使用GC技术，GC中的内存管理技术主要是有以下这些：

• 标记清除算法

  标记清除算法是有两个部分组成，分别是标记阶段和清除阶段。标记阶段就是对对象进行遍历，将所有可达的对象进行标记。在清除阶段，会将那些没有被标记的对象进行回收，收回内存。这个算法的优缺点容易造成内存碎片

• 标记复制算法

  标记复制算法就是把活动对象复制到新的空间，然后把旧的控件全部释放掉。这个算法不会像清除算法一样产生大量的碎片，因为他是一次把就有空间释放掉，因此吞吐量比较大。速度较快。他缺点也很明显，算法使用可能会用到AB两个空间，对的使用率较低，同时在实现的时候不可能避免的产生递归调用

• 标记压缩算法

  相比较上面的标记清除算法，标记压缩算法会把可达的对象重新排列起来，减少可达对象之间的间隙。这样就不产生内存碎片。相比复制算法不用开辟两个空间，也节约了空间。

• 引用计数法

  引用计数法，内部保存一个计数器，保存了被多少个程序引用。当没有被其他程序引用时候，内存会被回收。相比于其他的算法，引用技术法。有以下的优点，可以及时的回收垃圾，查找次数少。但引用计数有一个比较致命的缺点，无法解决循环引用问题。

通过边对内存管理技术介绍，作为iOS开发会对引用计数法有种熟悉的感觉。iOS也是用到了这个技术，只是实现有所不同。

iOS的内存管理技术

MRC

通过上面关于常见内存管理技术的介绍，我们知道iOS使用的是引用计数这一技术。在前几年iOS是手动管理引用计数的也就是MRC(manual retain-release),MRC，需要程序员自己管理一个对象的引用计数。随着ARC（Automatic Reference Counting）技术的发展。现在已经很少看到ARC的代码。在MRC时代，程序员要手动管理引用计数，通常要遵循一下几个原则

• 开头为 alloc ， new ， copy ， mutableCopy 的方法创建的对象，引用计数都会被+1；
• 如果需要对对象进行引用，可以通过retain来使引用计数+1；
• 不再使用该对象时候，通过release使应用计数-1；
• 不要release你没有持有的对象。

ARC

在ARC时代，我们不需要手动retain，relase。由于ARC是一种编译器的技术，因此他本质上并没有变。以前MRC的知识依然是有用且是必要的。ARC引入了一些新的关键词，如strong，weak，__strong,__weak,__unsafe_reatian等等，值得关注是weak，__weak。这两个关键词会在对象释放后，会将引用置位nil，从而避免了野指针的问题。同时，我们也要注意ARC所能管理的只是OC对象，对于非OC的对象，ARC并不会管理他们的内存问题。所以在一个对象转成C的时候，我们要进行桥接。告诉这个编译器对象生命周期有程序员自己来控制；这时候程序员需要手动管理c指针的生命周期。同时C指针转化为OC对象时候，也要进行桥接，这时候桥接的含义则生命周期管理交由ARC管理。你要对它负责。因此我们可以看出来ARC相对于MRC来说，减轻了程序员的负担，不用写大量的retain，relase的代码，同时使用weak,__weak关键字可以有效的避免野指针的问题。其背后的原理则没有变。

iOS内存的代码实现

苹果的runtime源码可以在这里看runtime,如果你觉得这样看不方便的话，你可以通过wget把源码现在下来看，具体命令如下所示

wget -c -r -np -k -L -p https://opensource.apple.com/source/objc4/objc4-723/
复制代码

下面我看看苹果的源码是如何实现。 https://opensource.apple.com/source/objc4/objc4-723/runtime/NSObject.mm.auto.html

alloc

使用一个对象，首先我们得要对象分配内存，所以我们首先来看下alloc的实现吧： alloc方法很简单，里边只是调用了一个C函数 _objc_rootAlloc(Class cls)；

+ (id)alloc {
    return _objc_rootAlloc(self);
}

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而 _objc_rootAlloc 则调用了 callAlloc(Class cls, bool checkNil, bool allocWithZone=false) 函数；

id _objc_rootAlloc(Class cls)
{
    return callAlloc(cls, false/*checkNil*/, true/*allocWithZone*/);
}

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因此我们只需要重点关注callAlloc这个函数的逻辑，剖析这个函数的行为和功能。

static ALWAYS_INLINE id callAlloc(Class cls, bool checkNil, bool allocWithZone=false)
{
    if (slowpath(checkNil && !cls)) return nil;

#if __OBJC2__
    if (fastpath(!cls->ISA()->hasCustomAWZ())) {
        if (fastpath(cls->canAllocFast())) {
            bool dtor = cls->hasCxxDtor();
            id obj = (id)calloc(1, cls->bits.fastInstanceSize());
            if (slowpath(!obj)) return callBadAllocHandler(cls);
            obj->initInstanceIsa(cls, dtor);
            return obj;
        }
        else {
            id obj = class_createInstance(cls, 0);
            if (slowpath(!obj)) return callBadAllocHandler(cls);
            return obj;
        }
    }
#endif

    if (allocWithZone) return [cls allocWithZone:nil];
    return [cls alloc];
}

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fastpath(!cls->ISA()->hasCustomAWZ())

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fastpath 是一个编译优化的宏，他会告诉编译器刮号里边的值大概率是什么，从而编译器在代码优化过程中进行相应汇编指令的优化。这里主要是判断子类或者当前类有没有实现 alloc/allocWithZone 。如果有实现的话则直接进入

if (allocWithZone) return [cls allocWithZone:nil];
   return [cls alloc];
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没有实现的话，那么会进入稍复杂的判断逻辑里边，通过宏定义可以看出我们是不支持fastalloc的，所以相关部分逻辑我们暂时忽略过。所以我们只需要关注class_createInstance这个函数的实现。

id class_createInstance(Class cls, size_t extraBytes)
{
    return _class_createInstanceFromZone(cls, extraBytes, nil);
}

static __attribute__((always_inline))  id _class_createInstanceFromZone(Class cls, size_t extraBytes, void *zone, 
                              bool cxxConstruct = true, 
                              size_t *outAllocatedSize = nil)
{
    if (!cls) return nil;

    assert(cls->isRealized());

    bool hasCxxCtor = cls->hasCxxCtor();
    bool hasCxxDtor = cls->hasCxxDtor();
    bool fast = cls->canAllocNonpointer();

    size_t size = cls->instanceSize(extraBytes);
    if (outAllocatedSize) *outAllocatedSize = size;

    id obj;
    if (!zone  &&  fast) {
        obj = (id)calloc(1, size);
        if (!obj) return nil;
        obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor);
    } 
    else {
        if (zone) {
            obj = (id)malloc_zone_calloc ((malloc_zone_t *)zone, 1, size);
        } else {
            obj = (id)calloc(1, size);
        }
        if (!obj) return nil;
        obj->initIsa(cls);
    }

    if (cxxConstruct && hasCxxCtor) {
        obj = _objc_constructOrFree(obj, cls);
    }

    return obj;
}

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在这个 _class_createInstanceFromZone 方法中给对象分配了相应的内存。而初始化则调用了 initInstanceIsa 和 initIsa 两个方法。而 initInstanceIsa 只是在调用 initIsa 前进行了判断。因此我们只需要分析 initIsa 方法。从方法名字看，似乎是对 isa 进行初始化。是不是这样呢？我们进入到方法内部看看具体实现：

inline void objc_object::initIsa(Class cls)
{
    initIsa(cls, false, false);
}

inline void objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor) 
{ 
    assert(!isTaggedPointer()); 
    
    if (!nonpointer) {
        isa.cls = cls;
    } else {
        assert(!DisableNonpointerIsa);
        assert(!cls->instancesRequireRawIsa());
        isa_t newisa(0);

#if SUPPORT_INDEXED_ISA
        assert(cls->classArrayIndex() > 0);
        newisa.bits = ISA_INDEX_MAGIC_VALUE;
        newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
        newisa.indexcls = (uintptr_t)cls->classArrayIndex();
#else
        newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;
        newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
        newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;
#endif

        isa = newisa;
    }
}


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这里代码很简单只是简单的赋值操作这里不做细讲，可以说从名字上就可以看出来这个函数要干嘛了。

retain

retain 是对引用计数+1操作。分配完内存后我来看看 retain 是如何实现的

- (id)retain {
    return ((id)self)->rootRetain();
}

ALWAYS_INLINE id objc_object::rootRetain()
{
    return rootRetain(false, false);
}

ALWAYS_INLINE id objc_object::rootRetain(bool tryRetain, bool handleOverflow)
{
    if (isTaggedPointer()) return (id)this;

    bool sideTableLocked = false;
    bool transcribeToSideTable = false;

    isa_t oldisa;
    isa_t newisa;

    do {
        transcribeToSideTable = false;
        oldisa = LoadExclusive(&isa.bits);
        newisa = oldisa;
        if (slowpath(!newisa.nonpointer)) {
            ClearExclusive(&isa.bits);
            if (!tryRetain && sideTableLocked) sidetable_unlock();
            if (tryRetain) return sidetable_tryRetain() ? (id)this : nil;
            else return sidetable_retain();
        }
     
        if (slowpath(tryRetain && newisa.deallocating)) {
            ClearExclusive(&isa.bits);
            if (!tryRetain && sideTableLocked) sidetable_unlock();
            return nil;
        }
        uintptr_t carry;
        newisa.bits = addc(newisa.bits, RC_ONE, 0, &carry);  // extra_rc++

        if (slowpath(carry)) {
     
            if (!handleOverflow) {
                ClearExclusive(&isa.bits);
                return rootRetain_overflow(tryRetain);
            }
    
            if (!tryRetain && !sideTableLocked) sidetable_lock();
            sideTableLocked = true;
            transcribeToSideTable = true;
            newisa.extra_rc = RC_HALF;
            newisa.has_sidetable_rc = true;
        }
    } while (slowpath(!StoreExclusive(&isa.bits, oldisa.bits, newisa.bits)));

    if (slowpath(transcribeToSideTable)) {
        sidetable_addExtraRC_nolock(RC_HALF);
    }

    if (slowpath(!tryRetain && sideTableLocked)) sidetable_unlock();
    return (id)this;
}


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我们来主要看 rootRetain 的逻辑，他接受两个bool参数。如果是 TaggedPointer 对象的话直接返回this。因此 TaggedPointer 的对象调用reatin不会改变引用计数。这个函数里边有个 do{}while() 的循环，当 isa.bits 中的值被更新后则循环结束。我们一步一步看下do里边的逻辑。

if (slowpath(!newisa.nonpointer)) {
      ClearExclusive(&isa.bits);
      if (!tryRetain && sideTableLocked) sidetable_unlock();
      if (tryRetain) return sidetable_tryRetain() ? (id)this : nil;
      else return sidetable_retain();
   }
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这段逻辑主要处理当前类没有开启进行内存优化的情况。这里主要有两个函数 sidetable_tryRetain 和 sidetable_retain 。

bool objc_object::sidetable_tryRetain()
{
#if SUPPORT_NONPOINTER_ISA
    assert(!isa.nonpointer);
#endif
    SideTable& table = SideTables()[this];
    bool result = true;
    RefcountMap::iterator it = table.refcnts.find(this);
    if (it == table.refcnts.end()) {
        table.refcnts[this] = SIDE_TABLE_RC_ONE;
    } else if (it->second & SIDE_TABLE_DEALLOCATING) {
        result = false;
    } else if (! (it->second & SIDE_TABLE_RC_PINNED)) {
        it->second += SIDE_TABLE_RC_ONE;
    }
    
    return result;
}

id objc_object::sidetable_retain()
{
#if SUPPORT_NONPOINTER_ISA
    assert(!isa.nonpointer);
#endif
    SideTable& table = SideTables()[this];
    
    table.lock();
    size_t& refcntStorage = table.refcnts[this];
    if (! (refcntStorage & SIDE_TABLE_RC_PINNED)) {
        refcntStorage += SIDE_TABLE_RC_ONE;
    }
    table.unlock();

    return (id)this;
}


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sidetable_tryRetain 函数主要做了这几件事,先从散列表中取出数值，如果这个数值找不到，就在Map添加 SIDE_TABLE_RC_ONE 值，如果这个数值所在的对象正在析构，那么将result置位false。最后检查下这个数字是否溢出，如果没有溢出则将引用计数+1；而 sidetable_retain 函数加了个自旋锁，同时逻辑更简单些。检查是否数值是否溢出，没有溢出则引用计数+1； 说完这两个函数，我们在回到 rootTryRetain() 函数。

if (slowpath(tryRetain && newisa.deallocating)) {
     ClearExclusive(&isa.bits);
     if (!tryRetain && sideTableLocked) sidetable_unlock();
     return nil;
 }

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这里的逻辑判断对象是否在析构。如果在析构则会进行相关处理操作。这下来我们看看开启了指针优化后的 retain 逻辑

newisa.bits = addc(newisa.bits, RC_ONE, 0, &carry); 
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这行也是对引用计数+1的，是对其中的extra_rc进行+1

if (slowpath(carry)) {
     if (!handleOverflow) {
         ClearExclusive(&isa.bits);
         return rootRetain_overflow(tryRetain);
      }
     if (!tryRetain && !sideTableLocked) sidetable_lock();
     sideTableLocked = true;
     transcribeToSideTable = true;
     newisa.extra_rc = RC_HALF;
     newisa.has_sidetable_rc = true;
}

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这里判断是否溢出，如果溢出了就会进入到rootRetain_overflow函数里边，而rootRetain_overflow函数则又调用了rootRetain，只不过handleOverflow会传true，同时会处理溢出的情况，这时候 transcribeToSideTable 为true，在结束后就会调用 sidetable_addExtraRC_nolock(RC_HALF); ,我们来看下这个函数的实现。

bool 
objc_object::sidetable_addExtraRC_nolock(size_t delta_rc)
{
    SideTable& table = SideTables()[this];

    size_t& refcntStorage = table.refcnts[this];
    size_t oldRefcnt = refcntStorage;
  
    if (oldRefcnt & SIDE_TABLE_RC_PINNED) return true;

    uintptr_t carry;
    size_t newRefcnt = 
        addc(oldRefcnt, delta_rc << SIDE_TABLE_RC_SHIFT, 0, &carry);
    if (carry) {
        refcntStorage =
            SIDE_TABLE_RC_PINNED | (oldRefcnt & SIDE_TABLE_FLAG_MASK);
        return true;
    }
    else {
        refcntStorage = newRefcnt;
        return false;
    }
}

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之前我们调用addc发现溢出后，我们把 newisa.extra_rc 置位 RC_HALF ,同时我们调用 sidetable_addExtraRC_nolock 同时把剩下的 RC_HALF 加入散列表中;也是通过addc进行操作。如果这是溢出则恢复散列表中的值，至此retain的逻辑差不多结束了。

release

看完 retain 源码，喘口气继续看看 release 是怎么实现的吧

- (oneway void)release {
    ((id)self)->rootRelease();
}

ALWAYS_INLINE bool objc_object::rootRelease()
{
    return rootRelease(true, false);
}

ALWAYS_INLINE bool objc_object::rootRelease(bool performDealloc, bool handleUnderflow)
{
    if (isTaggedPointer()) return false;

    bool sideTableLocked = false;

    isa_t oldisa;
    isa_t newisa;

 retry:
    do {
        oldisa = LoadExclusive(&isa.bits);
        newisa = oldisa;
        if (slowpath(!newisa.nonpointer)) {
            ClearExclusive(&isa.bits);
            if (sideTableLocked) sidetable_unlock();
            return sidetable_release(performDealloc);
        }
 
        uintptr_t carry;
        newisa.bits = subc(newisa.bits, RC_ONE, 0, &carry);
        if (slowpath(carry)) {
            goto underflow;
        }
    } while (slowpath(!StoreReleaseExclusive(&isa.bits, 
                                             oldisa.bits, newisa.bits)));

    if (slowpath(sideTableLocked)) sidetable_unlock();
    return false;

 underflow:
    newisa = oldisa;

    if (slowpath(newisa.has_sidetable_rc)) {
        if (!handleUnderflow) {
            ClearExclusive(&isa.bits);
            return rootRelease_underflow(performDealloc);
        }

        if (!sideTableLocked) {
            ClearExclusive(&isa.bits);
            sidetable_lock();
            sideTableLocked = true;
            goto retry;
        }
        
        size_t borrowed = sidetable_subExtraRC_nolock(RC_HALF);

        if (borrowed > 0) {
            newisa.extra_rc = borrowed - 1;  
            bool stored = StoreReleaseExclusive(&isa.bits, 
                                                oldisa.bits, newisa.bits);
            if (!stored) {
            
                isa_t oldisa2 = LoadExclusive(&isa.bits);
                isa_t newisa2 = oldisa2;
                if (newisa2.nonpointer) {
                    uintptr_t overflow;
                    newisa2.bits = 
                        addc(newisa2.bits, RC_ONE * (borrowed-1), 0, &overflow);
                    if (!overflow) {
                        stored = StoreReleaseExclusive(&isa.bits, oldisa2.bits, 
                                                       newisa2.bits);
                    }
                }
            }

            if (!stored) {
                sidetable_addExtraRC_nolock(borrowed);
                goto retry;
            }

            sidetable_unlock();
            return false;
        }
        else {
        
        }
    }

    if (slowpath(newisa.deallocating)) {
        ClearExclusive(&isa.bits);
        if (sideTableLocked) sidetable_unlock();
        return overrelease_error();
    }
    newisa.deallocating = true;
    if (!StoreExclusive(&isa.bits, oldisa.bits, newisa.bits)) goto retry;

    if (slowpath(sideTableLocked)) sidetable_unlock();

    __sync_synchronize();
    if (performDealloc) {
        ((void(*)(objc_object *, SEL))objc_msgSend)(this, SEL_dealloc);
    }
    return true;
}

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看完调用顺序后，我们着重分析下这个函数吧

objc_object::rootRelease(bool performDealloc, bool handleUnderflow)
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同样如果是 TaggedPointer 对象直接返回 false。我们先看 retry: 代码段 这里边的部分逻辑与 retain 相似，我们不一一分析。如果没有开启指针优化的话会有调用这样关键函数

uintptr_t
objc_object::sidetable_release(bool performDealloc)
{
#if SUPPORT_NONPOINTER_ISA
    assert(!isa.nonpointer);
#endif
    SideTable& table = SideTables()[this];

    bool do_dealloc = false;

    table.lock();
    RefcountMap::iterator it = table.refcnts.find(this);
    if (it == table.refcnts.end()) {
        do_dealloc = true;
        table.refcnts[this] = SIDE_TABLE_DEALLOCATING;
    } else if (it->second < SIDE_TABLE_DEALLOCATING) {
        do_dealloc = true;
        it->second |= SIDE_TABLE_DEALLOCATING;
    } else if (! (it->second & SIDE_TABLE_RC_PINNED)) {
        it->second -= SIDE_TABLE_RC_ONE;
    }
    table.unlock();
    if (do_dealloc  &&  performDealloc) {
        ((void(*)(objc_object *, SEL))objc_msgSend)(this, SEL_dealloc);
    }
    return do_dealloc;
}

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这里主要做了这几个逻辑，如果在散列表中没有找到对象，那么将其中的值置为 SIDE_TABLE_DEALLOCATING 。如果找到值比 SIDE_TABLE_DEALLOCATING 还小那么将it中 second 置位 SIDE_TABLE_DEALLOCATING 。如果找到的值不属于上面情况。那么检查是否溢出，没有溢出则引用计数-1；最后如果这个 do_dealloc 为true（这个链路里边的performDealloc为true）那么就给会给发送一个SEL_dealloc 的消息进行释放。分析完这个函数后我们继续回到 rootRelease 中，下面代码是开启了指针优化的情况，接下来会调用

uintptr_t carry;
 newisa.bits = subc(newisa.bits, RC_ONE, 0, &carry); 
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将引用计数-1；同时 会做溢出判断，如果已经溢出了，则会跳到 underflow: 代码段。这段代码的主要逻辑在一个长长的if语句里边。这里边先判断 has_sidetable_rc 这个属性，这个属性代表如果为yes，那么代表会有部分引用计数存到一table里边。如果没有那么说明已经没有引用了。直接走释放逻辑。如果有的话，那么要从table中取出引用计数，然后进行-1操作，然后赋值给 newisa.extra_rc ，如果-1操作失败会立即进行一次。如果还是失败那么要table中引用计数恢复，然后进入retry代码重复这样的逻辑.

autolrease

最后说一下autolrease吧，先贴上调用栈。 @autoreleasepool{} 经过 clang -rewrite-objc 命令后，我们可以看到

struct __AtAutoreleasePool {
  __AtAutoreleasePool() {atautoreleasepoolobj = objc_autoreleasePoolPush();}
  ~__AtAutoreleasePool() {objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj);}
  void * atautoreleasepoolobj;
};
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这样的结构体。初始化的时候会调用objc_autoreleasePoolPush()方法，~相当于OC中的delloc方法，他会调用objc_autoreleasePoolPop(atautoreleasepoolobj)方法，传入的参数就是我们刚刚通过objc_autoreleasePoolPush()生成的对象。关于 @autoreleasepool{} 的创建和释放逻辑我们看这两个函数就可以了。我们先从 objc_autoreleasePoolPush() 这个函数开始。

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

static inline void *push() 
{
    id *dest;
    if (DebugPoolAllocation) {
        dest = autoreleaseNewPage(POOL_BOUNDARY);
    } else {
        dest = autoreleaseFast(POOL_BOUNDARY);
    }
    assert(dest == EMPTY_POOL_PLACEHOLDER || *dest == POOL_BOUNDARY);
    return dest;
}

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);
 }
}

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这里边会调用AutoreleasePoolPage类的push()方法，我们看一下AutoreleasePoolPage结构

class AutoreleasePoolPage 
{
 
#   define EMPTY_POOL_PLACEHOLDER ((id*)1)
#   define POOL_BOUNDARY nil

    static pthread_key_t const key = AUTORELEASE_POOL_KEY;
    static uint8_t const SCRIBBLE = 0xA3;  // 0xA3A3A3A3 after releasing
    static size_t const SIZE = 
#if PROTECT_AUTORELEASEPOOL
        PAGE_MAX_SIZE;  // must be multiple of vm page size
#else
        PAGE_MAX_SIZE;  // size and alignment, power of 2
#endif

    static size_t const COUNT = SIZE / sizeof(id);

    magic_t const magic;
    id *next;
    pthread_t const thread;
    AutoreleasePoolPage * const parent;
    AutoreleasePoolPage *child;
    uint32_t const depth;
    uint32_t hiwat;
    
 }
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EMPTY_POOL_PLACEHOLDER 这个宏看名字意思是占位的意思。

从作用上来看，当一个外部调用第一次调用创建AutoreleasePoolPage，但是没有任何要进栈的对象时候，那么他不会先创建一个AutoreleasePoolPage对象，而是把EMPTY_POOL_PLACEHOLDER作为指针返回，并用TLS技术绑定当前线程。这样的实现有点像懒加载，在需要的时候才创建对象。

POOL_BOUNDARY 这个之前是 POOL_SENTINEL ，他们同样值都是nil。

作用都是在第一次有对象入栈时候会push一个空的对象。这样以后在pop的时候通过判断值是不是nil，知道是不是栈底了。相比于 POOL_SENTINEL 我更觉得 POOL_BOUNDARY 意思简洁明了。

static pthread_key_t const key = AUTORELEASE_POOL_KEY 这个这个就是TLS把当前hotpage或者EMPTY_POOL_PLACEHOLDER存储在当前线程的key。没有什么好说的。

static uint8_t const SCRIBBLE = 0xA3; 这个是常数值，唯一的作用就是在releasing的时候通过 memset((void*)page->next, SCRIBBLE, sizeof(*page->next)); 把page的next置位0xA3A3A3A3

magic_t const magic; 这个 magic 用来校验类的完整性。 id *next; 栈的指针。 pthread_t const thread; 用于保存线程。

AutoreleasePoolPage * const parent;
AutoreleasePoolPage *child;
uint32_t const depth;
uint32_t hiwat;
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这几个属性都是跟双向链表有关系， parent 指向父节点， child 指向子节点。 depth 这个是层级， hiwat 这个应该栈里数据的数量。

分析完这个类的结构。我们继续看调用的流程。再调用到 static inline id *autoreleaseFast(id obj) 方法时，里边有三个分支走向。我们首先看下一个关键一行 AutoreleasePoolPage *page = hotPage(); 这个 hotPage() 是通过TLS取当前的AutoreleasePoolPage的。如果是EMPTY_POOL_PLACEHOLDER的话直接返回nil，否则的话就会返回AutoreleasePoolPage，返回之前会做一个完整性检测。

if (page && !page->full()) {
      return page->add(obj);
  } else if (page) {
      return autoreleaseFullPage(obj, page);
  } else {
      return autoreleaseNoPage(obj);
 }
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这个判断也是比较简单的，如果当前不为nil，且没有满则直接调用add函数，添加obj。这个add函数也是比较简单入栈操作。只是在入栈的时候做了线程保护。当然我们根据宏是没有启用这个线程保护功能的。如果当前page已经满了，那么会调用 autoreleaseFullPage 方法。我们看下 autoreleaseFullPage 怎么实现的。

static __attribute__((noinline))
    id *autoreleaseFullPage(id obj, AutoreleasePoolPage *page)
    {
        assert(page == hotPage());
        assert(page->full()  ||  DebugPoolAllocation);

        do {
            if (page->child) page = page->child;
            else page = new AutoreleasePoolPage(page);
        } while (page->full());

        setHotPage(page);
        return page->add(obj);
    }
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这个方法的逻辑也没有复杂的地方。你遍历子节点直到找到没有满的page，如果最后都没有找到，那么就新建一个page，然后把这个page绑定到当前线程。同时调用add方法添加这个obj。然后我们再看下最后一个分支走向 autoreleaseNoPage(obj) 方法

static __attribute__((noinline))
    id *autoreleaseNoPage(id obj)
    {
        
        assert(!hotPage());

        bool pushExtraBoundary = false;
        
        if (haveEmptyPoolPlaceholder()) {
            
            pushExtraBoundary = true;
        }
        else if (obj != POOL_BOUNDARY  &&  DebugMissingPools) {
            _objc_inform("MISSING POOLS: (%p) Object %p of class %s "
                         "autoreleased with no pool in place - "
                         "just leaking - break on "
                         "objc_autoreleaseNoPool() to debug", 
                         pthread_self(), (void*)obj, object_getClassName(obj));
            objc_autoreleaseNoPool(obj);
            return nil;
        }
        else if (obj == POOL_BOUNDARY  &&  !DebugPoolAllocation) {
            
            return setEmptyPoolPlaceholder();
        }

       AutoreleasePoolPage *page = new AutoreleasePoolPage(nil);
       setHotPage(page);
       
       if (pushExtraBoundary) {
           page->add(POOL_BOUNDARY);
       }
 
       return page->add(obj);
    }


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相比于前几个方法这个方法逻辑就稍稍复杂了点。 bool pushExtraBoundary = false; 这个属性表示要不要像栈里边添加 POOL_BOUNDARY ，这个只有在栈为空的时候才会是 true 。第二个if判断主要是用debug相关，这里先不管。第三个判断，如果传的是一个 POOL_BOUNDARY 对象且没有调试alloc的时候，会将当前线程绑定一个EMPTY_POOL_PLACEHOLDER的占位对象，并返回。经过这些判断，我们走到了这里

AutoreleasePoolPage *page = new AutoreleasePoolPage(nil);
       setHotPage(page);
       
if (pushExtraBoundary) {
    page->add(POOL_BOUNDARY);
}
 
return page->add(obj);
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这里的代码比较简单，新建一个 AutoreleasePoolPage 对象，并且设置为hotpage，然后如果 pushExtraBoundary 为true，则把 POOL_BOUNDARY 入栈，然后把obj入栈。最后返回page对象。这里大家可能有疑问了，这里有条件的将 POOL_BOUNDARY 入栈，为不为导致底不是 POOL_BOUNDARY ,有这个疑问是很好的。可以我们看整个NSObject.mm的代码，可以看到不会出现栈底元素不是 POOL_BOUNDARY 的。至此，我们把 @autorelease{} 代码的新建逻辑分析完毕。下面我们来看释放逻辑。

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

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

        if (token == (void*)EMPTY_POOL_PLACEHOLDER) {
            if (hotPage()) {
                pop(coldPage()->begin());
            } else {
                setHotPage(nil);
            }
            return;
        }

        page = pageForPointer(token);
        stop = (id *)token;
        if (*stop != POOL_BOUNDARY) {
            if (stop == page->begin()  &&  !page->parent) {
            
            } else {
                return badPop(token);
            }
        }

        if (PrintPoolHiwat) printHiwat();

        page->releaseUntil(stop);

        if (DebugPoolAllocation  &&  page->empty()) {
            AutoreleasePoolPage *parent = page->parent;
            page->kill();
            setHotPage(parent);
        } else if (DebugMissingPools  &&  page->empty()  &&  !page->parent) {
            page->kill();
            setHotPage(nil);
        } 
        else if (page->child) {
            if (page->lessThanHalfFull()) {
                page->child->kill();
            }
            else if (page->child->child) {
                page->child->child->kill();
            }
        }
    }

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看调用流程，我们着重分析下 pop(void *token) 方法，我们先看下段代码块的逻辑：

if (token == (void*)EMPTY_POOL_PLACEHOLDER) {

    if (hotPage()) {
       pop(coldPage()->begin());
    } else {
       setHotPage(nil);
    }
     return;
     
}
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这段逻辑主要判断如果pop的是一个 EMPTY_POOL_PLACEHOLDER ,这个就是我们之前空池占位。那么先判断是否存在hotpage，若果存在的话，那么将调用pop方法，同时传入当前hotpage的最初的父节点， coldPage() 返回的是第一个节点。如果不存在hotpage，那么将TLS绑定的值置位nil。我们继续看下面的代码块：

page = pageForPointer(token);
stop = (id *)token;
if (*stop != POOL_BOUNDARY) {
    if (stop == page->begin()  &&  !page->parent) {

     } else {             
	     return badPop(token);
     }
}

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page = pageForPointer(token); 这个函数根据传入的token获取page的首指针。获取到page后，下面检查一下token，通常下我们pop最终会传入一个page的beigin指针。这个通常应该是POOL_BOUNDARY，这里主要是做异常处理。接下来我们会走到这个函数

page->releaseUntil(stop);

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这个函数的实现如下：

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_BOUNDARY) {
     	objc_release(obj);
     }
     }

     setHotPage(this);

}

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这个函数的实现逻辑还是比较清楚的，他依次释放栈的内容直到遇到stop，并且把next指向的区域置为 SCRIBBLE ,然后把最近的栈为非空的置为当前的hotpage。最后我们看一下kill的相关逻辑

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

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上面的判断逻辑主要是经过 releaseUntil 后，当前的page的栈已经被清空了，当前栈如果有子节点那么就释放子节点。最后我们看一下 kill 方法。

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);
   
}

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这段逻辑就相当简单了，依次释放子节点。至此 @autorelease{} 就分析完毕了，关于 autorelease 方法这里就不再分析了， autorelease 逻辑基本上与我们上面分析的高度重合，这里不展开。

常见的容易造成泄漏的点

分析完源码后，我们知道iOS中的引用计数是怎么实现的，但这只是初步。内存管理难点不是在原理，而是在复杂的场景下怎么保证内存不泄漏，这才是最难的。我们先列举常见的容易造成泄漏的点：

循环引用

引用计数计数最大的缺点就是他无法解决循环引用的问题。如果出现循环引用了，需要我们手动打破循环引用。否则会一直占用内存。常见的循环引用情况主要是block。因为block会强引用外部变量，如果外部变量也在强引用这个block。那么他们就会造成循环引用。比如

HasBlock *hasBlock = [[HasBlock alloc] init];

[hasBlock setBlock:^{
        hasBlock.name = @"abc";
 }];
复制代码

修改方法也很简单通过一个弱引用间接使用改造如下

HasBlock *hasBlock = [[HasBlock alloc] init];
 __weak HasBlock* weakHasBlock = hasBlock;
[hasBlock setBlock:^{
        weakHasBlock.name = @"abc";
 }];
复制代码

这样就可以解决循环引用，这个是比较常见循环引用情况网上有很多宏解决这个问题。这里不展开。

使用单例的的一些情况

在使用单例的时候要注意，特别是单例含有block回调方法时候。有些单例会强持有这些block。这种情况虽然不是循环引用，但也是造成了喜欢引用。所以在使用单例的时候要清楚。如系统有些方法这样使用会造成无法释放：

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    [[NSNotificationCenter defaultCenter] addObserverForName:@"boyce" object:nil queue:nil usingBlock:^(NSNotification * _Nonnull note) {
        self.name = @"boyce";
    }];
    
}

- (void)dealloc{
    [[NSNotificationCenter defaultCenter] removeObserver:self];
}

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这里就造成了内存泄漏，这是因为NSNotificationCenter强引用了usingBlock，而usingBlock强引用了self，而NSNotificationCenter是个单例不会被释放，而self在被释放的时候才会去把自己从NSNotificationCenter中移除。类似的情况还有很多，比如一个数组中对象等等。这些内存泄漏不容易发现。

NSTimer

NSTimer会强引用传入的target，这时候如果加入NSRunLoop这个timer又会被NSRunLoop强引用

NSTimer *timer = [NSTimer timerWithTimeInterval:10 target:self selector:@selector(commentAnimation) userInfo:nil repeats:YES];
[[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:NSRunLoopCommonModes];

复制代码

解决这个方法主动stoptimer，至少是不能在dealloc中stoptimer的。另外可以设置一个中间类，把target变成中间类。

NSURLSession

这个问题和上面的NSTimer类似

NSURLSession *section = [NSURLSession sessionWithConfiguration:[NSURLSessionConfiguration defaultSessionConfiguration]
                                                              delegate:self
                                                         delegateQueue:[[NSOperationQueue alloc] init]];
NSURLSessionDataTask *task = [section dataTaskWithURL:[NSURL URLWithString:path]
                                            completionHandler:^(NSData *data, NSURLResponse *response, NSError *error) {
                                               //Do something
                                            }];
[task resume];
复制代码

这里NSURLSession会强引用了self。同时本地SSL会对一个NSURLSession缓存一段时间。所以即使没有强引用。也会造成内存泄漏。这里比较好的使用单例[NSURLSession sharedSession]

非OC对象的内存问题

在OC对象转换为非OC对象时候，要进行桥接。要把对象的控制权由ARC转换为程序员自己控制，这时候程序员要自己控制对象创建和释放。如下面的简单代码

NSString *name = @"boyce";
CFStringRef cfStringRef = (__bridge CFStringRef) name;
CFRelease(cfStringRef);

复制代码

其他泄漏情况

如果present一个UINavigationController，如果返回的姿势不正确。会造成内存泄漏

UIViewController *vc = [[UIViewController alloc]init];
   UINavigationController *nav = [[UINavigationController alloc]initWithRootViewController:vc];
   [self presentViewController:nav animated:YES completion:NULL];
复制代码

如果在UIViewController里边调用的是

[self dismissViewControllerAnimated:YES completion:NULL];
复制代码

那么就会造成内存泄漏，这里边测试发现vc是没有被释放的。需要这样调用

if (self.navigationController.topViewController == self) {
        [self.navigationController dismissViewControllerAnimated:YES completion:nil];
    }

复制代码

想说的

我认为内存管理的一些基本原理还是比较简单容易理解，难就难在结合复杂的场景，在一些复杂的场景下我们比较不容易发现内存泄漏的点。但是当我们把内存泄漏解决后你会发现，原来就是这么回事!!!

结束语

这部分就到此结束了，我们介绍了内存管理的原理，实现以及造成泄漏的常见场景。下篇介绍一些开源检测内存泄漏工具以及他们的实现。谢谢大家。

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