iOS内存管理的那些事儿-原理及实现_编程技术网-程序员技术内容聚合平台

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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。***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MRC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/

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); 
}

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*/); 
}

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]; 
}

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

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];

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; 
}

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; 
    } 
}

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; 
}

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(); 
 }

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; 
}

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。***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;  
}

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);

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; 
}

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; 
    } 
}

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。

- (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; 
}

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)

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; 
}

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;***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);

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

***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; 
};

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); 
 } 
}

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; 
     
 }

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***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***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;

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); 
 }

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); 
  }

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***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***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); 
    }

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);

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。***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(); 
            } 
        } 
    }

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; 
      
}

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***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); 
     } 
}

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);

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); 
 
}

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。***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(); 
}

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。***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); 
    
}

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***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"; 
}];

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"; 
 }];

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]; 
}

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];

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];

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);

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];

如果在UIViewController里边调用的是

[self dismissViewControllerAnimated:YES completion:NULL];

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]; 
   }

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。

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。

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