【iOS】OC高级编程 iOS多线程与内存管理阅读笔记——自动引用计数（一）

news2025/5/26 0:55:55

自动引用计数

  • 前言
  • alloc/retain/release/dealloc实现
    • 苹果的实现
  • autorelease
  • autorelease实现
    • 苹果的实现
  • 总结

前言

此前，写过一遍对自动引用计数的简单学习，因此掠过其中相同的部分：引用计数初步学习

alloc/retain/release/dealloc实现

由于NSObject类的源码不公开，我们通过开源软件GNUstep来学习相关内容。

GNUstep是Cocoa框架的互换框架，虽然并不是与苹果Cocoa的实现方式完全相同，但是从使用者的角度来看二者的行为和实现方式是一样的，理解了GNUstep的源代码也相当于理解了苹果的Cocoa实现。

先来看alloc类方法。

id obj = [NSObject alloc];

上述调用NSObject类的alloc类方法在NSObject.m的源代码中的实现如下：

+ (id) alloc
{
    return [self allocWithZone: NSDefaultMallocZone()];
}

+ (id) allocWithZone: (NSZone*) z
{
    return NSAllocateObject(self, 0, z);
}

上述代码使用了在allocWithZone类方法中，使用NSAllocateOject函数来分配对象。下面是这个函数的代码：

struct obj_layout {
    NSUInteger retained;
};

inline id
NSAllocateObject(Class aClass, NSUInteger extraBytes, NSZone *zone)
{
    int size = 计算容纳对象所需内存大小；
    id new = NSZoneMalloc(zone, size);
    memset(new, 0, size);
    new = (id) &((struct obj_layout *) new)[1];
}

NSAllocateOject函数通过调用NSZoneMalloc函数来进行分配存放对象所需的内存空间，之后将该内存空间置0，最后返回作为对象而使用的指针。

NSZone是为了防止内存碎片化而引入的结构。对内存分配的区域本身进行多重化管理，根据使用对象的目的和大小分配内存，从而提高内存管理的效率。
请添加图片描述
因此简化NSZone方法后的alloc源代码如下：

// 定义 obj_layout 结构体，用于存储引用计数
struct obj_layout {
    NSUInteger retained;
};

// 实现 alloc 方法
+ (id)alloc {
    // 计算对象所需的内存大小
    int size = sizeof(struct obj_layout) + class_getInstanceSize([self class]);
    
    // 分配内存并初始化为 0
    struct obj_layout *p = (struct obj_layout *)calloc(1, size);
    
    // 返回指向对象内存的指针（跳过 obj_layout）
    return (id)(p + 1);
}

alloc类方法使用obj_layout来保存对象的引用计数，记录在retain字段中，并将其写入对象内存头部，该对象全部置0后返回。alloc后返回的对象如图所示：

请添加图片描述
alloc后对象引用计数加一。下面是GNUstep源码：

-(NSUInterger) retainCount
{
	return NSextraRefCount (self) + 1;
}
inline NSUInteger
NSExtraRefCount(id anObject)
{
	return ((struct obj_layout *)anObject) [-1].retained;
}

这里需要由对象寻址找到对象内存头部，访问其中的retained变量。
请添加图片描述
retain方法使retained变量加1，release方法使retained变量减1。
下面是retain和release的源码：
retain源码：
请添加图片描述
retain的实例方法中是调用NSIncrementExtraRefCount函数，该函数的作用是使retained加1。并且为该变量超出最大值做出处理。

release源码：请添加图片描述

请添加图片描述
release方法先调用NSDecrementExtraRefCountWasZero函数，该函数的作用是让retained一直减到0。减到0后调用dealloc方法。废弃该对象。

上述代码仅废弃由alloc分配的内存块。

苹果的实现

使用NSObject类的alloc方法时，调用以下方法和函数

  • +alloc
  • +allocWithZone
  • class_createInstance
  • calloc

这个调用过程与前文所讲GNUstep相似，先调用allocWithZone方法，在调用class_createInstance函数，最后通过调用calloc来分配内存块。

接下来看retainCount/retain/release实例方法如何实现：
请添加图片描述
每个方法都调用了同一个函数_CFDoExternRefOperation该函数的前缀“CF“表明，它们包含于Core Foundation框架源代码中。我们来看其简化后的源码：

int __CFDoExternRefOperation(uintptr_t op, id obj) {
    CFBasicHashRef table = 取得对象对应的散列表（obj）;
    int count;
    
    switch(op) {
    case OPERATION_retainCount:
      count = CFBasicHashGetCountOfKey(table, obj);
      return count;
    case OPERATION_retain:
      CFBasicHashAddValue(table, obj);
      return obj;
    case OPERATION_release:
      count = CFBasicHashRemoveValue(table, obj);
      return 0 == count;
    }
}

该函数按retainCount/retain/release操作进行分发，调用不同的函数。他们的实例方法可能如下所示：

- （NSUInteger）retainCount {
    return (NSUInteger)__CFDoExternRefOperation(OPERATION_retain, self);
}
​
- (id)retain {
    return (id)__CFDoExternRefOperation(OPERATION_retain, self);
}
​
- (void)release {
    return __CFDoExternRefOperation(OPERATION_release, self);
}

可以从__CFDoExternRefOperation函数以及由此函数调用的各个函数名中看出，苹果的实现大概采用散列表（引用计数表）来管理引用计数。如图所示：
请添加图片描述
GNUstep和苹果在实现引用计数的保存上有所不同

  • GNUstep将引用计数保存在对象占用内存头部的变量

少量代码即可完成，能够统一管理引用计数内存块与对象用内存块

  • 苹果保存在引用计数表中记录

对象用内存块的分配无需考虑内存块头部。
引用计数表各记录中存有内存块地址，可从各个记录中追溯到各对象的内存块。
这一点在调试故障时非常有效。即使出故障导致对象占用的内存块损坏，但只要引用计数表没有破坏，就能够确认各块内存块的位置。

请添加图片描述

autorelease

autorelease是自动释放，虽然看上去像ARC，但实际上更类似于C语言中的自动变量（局部变量）的特性。

autorelease会像C语言的局部变量那样对待对象实例。当超出其作用域时，对象的release实例方法才被调用。但是不同的是，autorelease可以设定变量的作用域。具体使用方法如下：

  1. 生成并持有NSAutoreleasePool对象
  2. 调用已分配对象的autorelease方法
  3. 废弃NSAutoreleasePool方法

NSAutoreleasePool对象的生存周期相当于C语言变量的作用域。对于所有调用过autorelease实例方法的对象，在废弃NSAutoreleasePool对象时，都将调用release实例方法。如图所示：

请添加图片描述
源代码如下：

NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];

id obj = [[NSObject alloc] init];

[obj autoreless];

[pool drain];

其中，[pool drain]方法等同于[obj release]。

在Cocoa框架中，相当于程序主循环的NSRunLoop或者在其他程序可运行的地方，对NSAutoreleasePool对象进行生成，持有，和废弃处理。
请添加图片描述
但是，只要不废弃NSAutoreleasePool对象，那么生成的对象就不能释放，因此会产生内存不足的现象。我们只需要自定义一个pool，在最后进行[pool drain]。

for (int i = 0; i < image.count; i++) {
	NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init]];
/*
	产生autorelease对象
*/
[pool drain]
}
}

许多类方法也会返回autorelease对象，如NSMutableArray类的arrayWithCapacity类方法。

autorelease实现

我们先来看一下autorelease源码

-(id) autorelease
{
	[NSAutoreleasePool addObject:self];
}

该方法的本质就是调用NSAutoreleasePool对象的addObject类方法。

IMP Caching
当我们调用一个方法时，OC通过消息传递机制实现 ：

  1. 查找方法名（selector）。
  2. 找到方法的实现（IMP，即函数指针）。
  3. 执行方法。

这个过程非常灵活，但是如果需要频繁的调用方法，如上文的autorelease方法，那么则会带来一定的性能开销。

为了减少这种开销，我们则采用IMP Caching技术：

  • 在程序初始化时，预先查找并缓存方法的实现（IMP）。
  • 在后续调用时，直接使用缓存的 IMP，避免重复查找。

通常情况下，IMP Caching的速度是普通方法的两倍。尤其是在频繁调用方法时。

现在我们看NSAutoreleasePool类的实现。由于该类的源代码比较复杂，因此我们假想一个简化的源代码学习：

+ (void) addObject:(id) anObj
{
	NSAutoreleasePool *pool = 取得正在使用的NSAutoreleasePool对象;
	if(pool != nil) {
		[pool addObject:anObj];
	} else {
		NSLog(@"NSAutoreleasePool对象非存在状态下调用autorelease");
	}
}

addObject类方法调用正在使用的NSAutoreleasePool对象的addObject实例方法。

NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
id obj = [[NSObject alloc] init];
[obj autorelease];

上述是被赋予pool变量的即为正在使用的NSAutoreleasePool对象。

如果嵌套生成或持有的NSAutoreleasePool对象，则会使用最内侧的对象。

NSAutoreleasePool *pool0 = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
NSAutoreleasePool *pool1 = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
NSAutoreleasePool *pool2 = [[NSAutoreleasePool alloc] init];

id obj = [[NSObject alloc] init];
[obj autorelease]; // obj 被添加到 pool2 中

[pool2 drain]; // 释放 pool2 中的对象
[pool1 drain]; // 释放 pool1 中的对象
[pool0 drain]; // 释放 pool0 中的对象

上述代码中，obj会被添加到最内层的pool2中。当调用drain时，先释放pool2，再释放pool1和pool0。

我们继续看addObject实例方法的实现。

-(void) addObject:(id) anObj
{
	[array addObject:anObj];
}

GNUstep实现使用的是连接列表，这同在NSMutableArray对象中追加对象参数是一样的。

如果调用NSObject类的autorelease实例方法，该对象被追加到正在使用的NSAutoreleasePool对象中的数组里。

下面我们看drain实例方法

- (void)drain {
    [self dealloc];
}

- (void)dealloc {
    [self emptyPool];
    [array release];
}

- (void)emptyPool {
    for (id obj in array) {
        [obj release];
    }
}

该方法会释放pool中所有的对象。

苹果的实现

class AutoreleasePoolPage {
public:
    static inline void *push() {
		相当于生成或持有NSAutoreleasePool类对象；
    }

    // 释放自动释放池
    static inline void pop(void *token) {
		相当于废弃NSAutoreleasePool类对象；
		releaseAll();
    }

	static inline id autorelease (id obj)
	{
		相当于NSAutoreleasePool类的addObject类方法
		AutoreleasePoolPage *autoreleasePoolPage = 取得正在使用的AutoreleasePoolPage实例;
		autoreleasePoolPage->add(obj);
	}

    // 将对象添加到内部数组
    id *add(id obj) {
	
    }

    // 释放内部数组中的所有对象
    void releaseAll() {
        // 遍历内部数组，调用每个对象的 release 方法
        for (id obj : internalArray) {
            [obj release];
        }
        // 清空数组
        internalArray.clear();
    }

	// 创建一个新的自动释放池
void *objc_autoreleasePoolPush(void) {
    return AutoreleasePoolPage::push();
}

// 释放自动释放池
void objc_autoreleasePoolPop(void *ctxt) {
    AutoreleasePoolPage::pop(ctxt);
}

// 将对象添加到自动释放池
id objc_autorelease(id obj) {
    return AutoreleasePoolPage::autorelease(obj);
}

我们还可以使用NSAutoreleasePool类中的调试用非公开类方法showPools来确认已被autorelease的对象的状况。

autorelease NSAutoreleasePool对象会发生异常。

总结

对引用计数相关方法的实现原理进行简单了解。对比GNUstep和苹果对统一操作不同实现方法优劣的好坏。如引用计数的保存。

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