Swift进阶之内存模型和方法调度
bjwelinarkj
7年前
<h2>前言</h2> <p>Apple今年推出了Swift3.0，较2.3来说，3.0是一次重大的升级。关于这次更新，在 这里 都可以找到，最主要的还是提高了Swift的性能，优化了Swift API的设计（命名）规范。</p> <p>前段时间对之前写的一个项目 ImageMaskTransition 做了简单迁移，先保证能在3.0下正常运行，只用了不到30分钟。总的来说，这次迁移还是非常轻松的。但是，有一点要注意：3.0的API设计规范较2.3有了质变，建议做迁移的开发者先看下WWDC的 Swift API Design Guidelines 。后面有时间了，我有可能也会总结下。</p> <h2>内存分配</h2> <p>通过查看Github上 <a href="/misc/goto?guid=4958973376962661127" rel="nofollow,noindex">Swift的源代码</a> 语言分布</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/b81d0a0527e754cfa65ad425b1360e3c.png"></p> <p>可以看到</p> <ul> <li>Swift语言是用C++写的</li> <li>Swift的核心Library是用Swift自身写的。</li> </ul> <p>对于C++来说，内存区间如下</p> <ul> <li>堆区</li> <li>栈区</li> <li>代码区</li> <li>全局静态区</li> </ul> <p>Swift的内存区间和C++类似。也有存储代码和全局变量的区间，这两种区间比较简单，本文更多专注于以下两个内存区间。</p> <ul> <li>Stack（栈），存储值类型的临时变量，函数调用栈，引用类型的临时变量指针</li> <li>Heap（堆），存储引用类型的实例</li> </ul> <h2>栈</h2> <p>在栈上分配和释放内存的代价是很小的，因为栈是一个简单的数据结构。通过移动栈顶的指针，就可以进行内存的创建和释放。但是，栈上创建的内存是有限的，并且往往在编译期就可以确定的。</p> <p>举个很简单的例子：当一个递归函数，陷入死循环，那么最后函数调用栈会溢出。</p> <p>例如，一个没有引用类型Struct的临时变量都是在栈上存储的</p> <pre> <code class="language-swift">struct Point{ var x:Double // 8 Bytes var y:Double // 8 bytes } let size = MemoryLayout<Point>.size print(size) // 16 let point1 = Point(x:5.0,y:5.0) let instanceSize = MemoryLayout<Point>.size(ofValue: point1) print(instanceSize) //16</code></pre> <p>那么，这个内存结构如图</p> <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/be4d8fe56a0c36be772c03a99f361e0b.png"></p> <p>Tips: 图中的每一格都是一个Word大小，在64位处理器上，是8个字节</p> <h2>堆</h2> <p>在堆上可以动态的按需分配内存，每次在堆上分配内存的时候，需要查找堆上能提供相应大小的位置，然后返回对应位置，标记指定位置大小内存被占用。</p> <p>在堆上能够动态的分配所需大小的内存，但是由于每次要查找，并且要考虑到多线程之间的线程安全问题，所以性能较栈来说低很多。</p> <p>比如，我们把上文的 struct 改成 class,</p> <pre> <code class="language-swift">class PointClass{ var x:Double = 0.0 var y:Double = 0.0 } let size2 = MemoryLayout<PointClass>.size print(size2) //8 let point2 = Point(x:5.0,y:5.0) let instanceSize = MemoryLayout<Point>.size(ofValue: point2) print(instanceSize) //8</code></pre> <p>这时候的内存结构如图</p> <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/2adbec89729bd7fbe7e021ed20c19e47.png"></p> <p>Tips: 图中的每一格都是一个Word大小，在64位处理器上，是8个字节</p> <h2>Memory Alignment（内存对齐）</h2> <p>和C/C++/OC类似，Swift也有Memory Alignment的概念。举个直观的例子</p> <p>我们定义这样两个Struct</p> <pre> <code class="language-swift">struct S{ var x:Int64 var y:Int32 } struct SReverse{ var y:Int32 var x:Int64 }</code></pre> <p>然后，用MemoryLayout来获取两个结构体的大小</p> <pre> <code class="language-swift">let sSize = MemoryLayout<S>.size //12 let sReverseSize = MemoryLayout<SReverse>.size //16</code></pre> <p>可以看到，只不过调整了结构体中的声明顺序，其占用的内存大小就改变了，这就是内存对齐。</p> <p>我们来看看，内存对齐后的内存空间分布：</p> <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/8c33fdc204ebd22c4adcc1ce774020ec.png"></p> <p>内存对齐的原因是，</p> <p>现代CPU每次读数据的时候，都是读取一个word（32位处理器上是4个字节，64位处理器上是8个字节）。</p> <p>内存对齐的优点很多</p> <ul> <li>保证对一个成员的访问在一个Transition中，提高了访问速度，同时还能保证一次操作的原子性。除了这些，内存对齐还有很多优点，可以看看这个 <a href="/misc/goto?guid=4959748423064867377" rel="nofollow,noindex">SO答案</a></li> </ul> <h2>自动引用计数(ARC)</h2> <p>提到 <a href="/misc/goto?guid=4959748423158791774" rel="nofollow,noindex">ARC</a> ，不得不先讲讲Swift的两种基本类型：</p> <ul> <li>值类型，在赋值的时候，会进行值拷贝</li> <li>引用类型，在赋值的时候，只会进行引用（指针）拷贝</li> </ul> <p>比如，如下代码</p> <pre> <code class="language-swift">struct Point{ //Swift中，struct是值类型 var x,y:Double } class Person{//Swift中，class是引用类型 var name:String var age:Int init(name:String,age:Int){ self.name = name self.age = age } } var point1 = Point(x: 10.0, y: 10.0) var point2 = point1 point2.x = 9.0 print(point1.x) //10.0 var person1 = Person(name: "Leo", age: 24) var person2 = person1 person2.age = 25 print(person1.age)//9.0</code></pre> <p>我们先看看对应内存的使用</p> <p>值类型有很多优点，其中主要的优点有两个</p> <ul> <li>线程安全，每次都是获得一个copy，不存在同时修改一块内存</li> <li>不可变状态，使用值类型，不需要考虑别处的代码可能会对当前代码有影响。也就没有side effect。</li> </ul> <p>ARC是相对于引用类型的。</p> <p>ARC是一个内存管理机制。当一个引用类型的对象的reference count(引用计数)为0的时候，那么这个对象会被释放掉。</p> <p>我们利用XCode 8和iOS开发，来直观的查看下一个值类型变量的引用计数变化。</p> <p>新建一个iOS单页面工程，语言选择Swift，然后编写如下代码</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/15ac7c37d9963f0d8cebcfef2d57f276.png"></p> <p>这里写图片描述</p> <p>然后，当断点停在24行处的时候，Person的引用计数如下</p> <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/bf1bc69cb8af7336bb1917c97d6adc1b.png"></p> <p>这里，底部的 thread_2673 是主线程堆Person对象的持有，是iOS系统默认添加。所以, var leo = Person(name: "Leo", age: 25) 这一行后，准确的说是引用计数加</f一，并不是引用计数为一。当然，这些系统自动创建的也会自动销毁，我们无须考虑。</p> <p>可以看到，person唯一的引用就是来自 VM:Stack thread ，也就是栈上。</p> <p>因为引用计数的存在，Class在堆上需要额外多分配一个Word来存储引用计数：</p> <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/3f3beaf5b7175008e565ac847608e242.png"></p> <p>当栈上代码执行完毕，栈会断掉对Person的引用，引用计数也就减一，系统会断掉自动创建的引用。这时候，person的引用计数位0，内存释放。</p> <h2>方法调度(method dispatch)</h2> <p>Swift的方法调度分为两种</p> <ul> <li>静态调度 static dispatch. 静态调度在执行的时候，会直接跳到方法的实现，静态调度可以进行inline和其他编译期优化。</li> <li>动态调度 dynamic dispatch. 动态调度在执行的时候，会根据运行时(Runtime)，采用table的方式，找到方法的执行体，然后执行。动态调度也就没有办法像静态那样，进行编译期优化。</li> </ul> <h3>Struct</h3> <p>对于Struct来说，方法调度是静态的。</p> <pre> <code class="language-swift">struct Point{ var x:Double // 8 Bytes var y:Double // 8 bytes func draw(){ print("Draw point at\(x,y)") } } let point1 = Point(x: 5.0, y: 5.0) point1.draw() print(MemoryLayout<Point>.size) //16</code></pre> <p>可以看到，由于是Static Dispatch，在编译期就能够知道方法的执行体。所以，在Runtime也就不需要额外的空间来存储方法信息。编译后，方法的调用，直接就是变量地址的传入，存在了代码区中。</p> <p>如果开启了编译器优化，那么上述代码被优化成Inline后，</p> <pre> <code class="language-swift">let point1 = Point(x: 5.0, y: 5.0) print("Draw point at\(point1.x,point1.y)") print(MemoryLayout<Point>.size) //16</code></pre> <h2>Class</h2> <p>Class是Dynamic Dispatch的，所以在添加方法之后，Class本身在栈上分配的仍然是一个word。堆上，需要额外的一个word来存储Class的Type信息，在Class的Type信息中，存储着virtual table(V-Table)。根据V-Table就可以找到对应的方法执行体。</p> <pre> <code class="language-swift">class Point{ var x:Double // 8 Bytes var y:Double // 8 bytes init(x:Double,y:Double) { self.x = x self.y = y } func draw(){ print("Draw point at\(x,y)") } } let point1 = Point(x: 5.0, y: 5.0) point1.draw() print(MemoryLayout<Point>.size) //8</code></pre> <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/ac8e305e9d64e2a0db4ff1af15241496.png"></p> <h3>继承</h3> <p>因为Class的实体会存储额外的Type信息，所以继承理解起来十分容易。子类只需要存储子类的Type信息即可。</p> <p>例如</p> <pre> <code class="language-swift">class Point{ var x:Double // 8 Bytes var y:Double // 8 bytes init(x:Double,y:Double) { self.x = x self.y = y } func draw(){ print("Draw point at\(x,y)") } } class Point3D:Point{ var z:Double // 8 Bytes init(x:Double,y:Double,z:Double) { self.z = z super.init(x: x, y: y) } override func draw(){ print("Draw point at\(x,y,z)") } } let point1 = Point(x: 5.0, y: 5.0) let point2 = Point3D(x: 1.0, y: 2.0, z: 3.0) let points = [point1,point2] points.forEach { (p) in p.draw() } //Draw point at(5.0, 5.0) //Draw point at(1.0, 2.0, 3.0)</code></pre> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/bc2b2d7502211818dcb9e3def09e4c3d.png"></p> <h3>协议</h3> <p>我们首先看一段代码</p> <pre> <code class="language-swift">struct Point:Drawable{ var x:Double // 8 Bytes var y:Double // 8 bytes func draw(){ print("Draw point at\(x,y)") } } struct Line:Drawable{ var x1:Double // 8 Bytes var y1:Double // 8 bytes var x2:Double // 8 Bytes var y2:Double // 8 bytes func draw(){ print("Draw line from \(x1,y1) to \(x2,y2)") } } let point = Point(x: 1.0, y: 2.0) let memoryAsPoint = MemoryLayout<Point>.size(ofValue: point) let memoryOfDrawable = MemoryLayout<Drawable>.size(ofValue: point) print(memoryAsPoint) print(memoryOfDrawable) let line = Line(x1: 1.0, y1: 1.0, x2: 2.0, y2: 2.0) let memoryAsLine = MemoryLayout<Line>.size(ofValue: line) let memoryOfDrawable2 = MemoryLayout<Drawable>.size(ofValue: line) print(memoryAsLine) print(memoryOfDrawable2)</code></pre> <p>可以看到，输出</p> <pre> <code class="language-swift">16 //point as Point 40 //point as Drawable 32 //line as Line 40 //line as Drawable</code></pre> <p>16和32不难理解，Point含有两个Double属性，Line含有四个Double属性。对应的字节数也是对的。那么，两个40是怎么回事呢？而且，对于Point来说，40-16=24,多出了24个字节。而对于Line来说，只多出了40-32=8个字节。</p> <p>这是因为Swift对于协议类型的采用如下的内存模型 - Existential Container。</p> <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/f1695e5ef28b738164fd5d5e4c733bbc.png"></p> <p>Existential Container包括以下三个部分：</p> <ul> <li>前三个word：Value buffer。用来存储Inline的值，如果word数大于3，则采用指针的方式，在堆上分配对应需要大小的内存</li> <li>第四个word：Value Witness Table(VWT)。每个类型都对应这样一个表，用来存储值的创建，释放，拷贝等操作函数。</li> <li>第五个word：Protocol Witness Table(PWT)，用来存储协议的函数。</li> </ul> <p>那么，内存结构图，如下</p> <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/832423cc100f997c2cbf430a047755d1.png"></p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/4f2fdd8734c307840cfbc6a03ba803f8.png"></p> <h3>范型</h3> <p>范型让代码支持静态多态。比如：</p> <pre> <code class="language-swift">func drawACopy<T : Drawable>(local : T) { local.draw() } drawACopy(Point(...)) drawACopy(Line(...))</code></pre> <p>那么，范型在使用的时候，如何调用方法和存储值呢？</p> <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/bee80884867feafcfacb212e2224279a.png"></p> <p>范型并不采用Existential Container，但是原理类似。</p> <ol> <li>VWT和PWT作为隐形参数，传递到范型方法里。</li> <li>临时变量仍然按照ValueBuffer的逻辑存储 - 分配3个word，如果存储数据大小超过3个word，则在堆上开辟内存存储。</li> </ol> <p>范型的编译器优化</p> <ol> <li> <p>为每种类合成具体的方法</p> <p>比如</p> <pre> <code class="language-swift">func drawACopy<T : Drawable>(local : T) { local.draw() }</code></pre> <p>在编译过后，实际会有两个方法</p> <pre> <code class="language-swift">func drawACopyOfALine(local : Line) { local.draw() } func drawACopyOfAPoint(local : Point) { local.draw() }</code></pre> <p>然后,</p> <pre> <code class="language-swift">drawACopy(local: Point(x: 1.0, y: 1.0))</code></pre> <p>会被编译成为</p> <pre> <code class="language-swift">func drawACopyOfAPoint(local : Point(x: 1.0, y: 1.0))</code></pre> <p>Swift的编译器优化还会做更多的事情，上述优化虽然代码变多，但是编译器还会对代码进行压缩。所以，实际上，并不会对二进制包大小有什么影响。</p> </li> </ol> <h2>参考资料</h2> <ul> <li><a href="/misc/goto?guid=4959748423248809285" rel="nofollow,noindex">WWDC 2016 - Understanding Swift Performance</a></li> <li><a href="/misc/goto?guid=4959748423338685061" rel="nofollow,noindex">WWDC 2015 - Optimizing Swift Performance</a></li> <li><a href="/misc/goto?guid=4959748423418339787" rel="nofollow,noindex">Does Swift guarantee the storage order of fields in classes and structs?</a></li> </ul> <p> </p> <p>来自：http://www.jianshu.com/p/6495a6ce65ed</p> <p> </p>