mirror of
https://github.com/NohamR/knowledge-kit.git
synced 2026-05-25 04:17:17 +00:00
update: 动态库、静态库的编译链接细节
This commit is contained in:
FantasticLBP
@@ -1,8 +1,12 @@
|
||||
# Swift 枚举值内存布局
|
||||
|
||||
> enum 使用很简单，那大家有没有思考过系统针对枚举的实现是怎么样的？接下去会针对不同情况的枚举，结合汇编来窥探下系统实现原理。
|
||||
> enum 使用很简单，那大家有没有思考过系统针对枚举的实现是怎么样的？
|
||||
>
|
||||
> 不同类型的枚举占用多大内存空间？下面结合汇编来窥探下系统实现原理
|
||||
|
||||
### 基础枚举
|
||||
|
||||
|
||||
## 基础枚举(不带关联值、不带原始值)
|
||||
|
||||
```swift
|
||||
enum Season {
|
||||
@@ -21,22 +25,31 @@ print("over")
|
||||
|
||||
- `var season: Season = Season.spring` 基础枚举，默认值是0。
|
||||
|
||||
<img src="https://github.com/FantasticLBP/knowledge-kit/raw/master/assets/EnumBaseMemoryLayoutDemo1.png" style="zoom:25%">
|
||||
<img src="./../assets/EnumBaseMemoryLayoutDemo1.png" style="zoom:25%">
|
||||
|
||||
- `season = Season.summer`，此时可以看到第一个字节的位置是1.
|
||||
|
||||
<img src="https://github.com/FantasticLBP/knowledge-kit/raw/master/assets/EnumBaseMemoryLayoutDemo2.png" style="zoom:25%">
|
||||
<img src="./../assets/EnumBaseMemoryLayoutDemo2.png" style="zoom:25%">
|
||||
|
||||
- `season = Season.antumn` ，此时可以看到第一个字节的位置是2
|
||||
|
||||
<img src="https://github.com/FantasticLBP/knowledge-kit/raw/master/assets/EnumBaseMemoryLayoutDemo3.png" style="zoom:25%">
|
||||
<img src="./../assets/EnumBaseMemoryLayoutDemo3.png" style="zoom:25%">
|
||||
|
||||
结论：查看内存信息，可以看到基础枚举，只占1个字节大小空间，且值为默认值。
|
||||
结论：查看内存信息，可以看到**不带关联值、不带原始值的基础枚举，只占1个字节大小空间，且值为默认值**
|
||||
|
||||
### 只有原始值
|
||||
延伸：对于无关联值、无原始值的简单枚举，Swift 编译器会进行内存优化：
|
||||
|
||||
- 当枚举 case ≤ 256 个时，使用 1 字节（UInt8）
|
||||
- 当 case ≤ 65536 时，使用 2 字节（UInt16）
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
## 只有原始值的枚举
|
||||
|
||||
不带关联值、只有原始值的枚举
|
||||
|
||||
```swift
|
||||
enum Season:Int {
|
||||
enum Season : Int {
|
||||
case spring = 1
|
||||
case summer = 2
|
||||
case antumn = 3
|
||||
@@ -56,17 +69,17 @@ print("over")
|
||||
|
||||
- `var season: Season = Season.spring` 基础枚举，变量默认值，可以看到第一个字节的位置是0
|
||||
|
||||
<img src="https://github.com/FantasticLBP/knowledge-kit/raw/master/assets/EnumWithRawValueMemoryLayoutDemo1.png" style="zoom:25%">
|
||||
<img src="./../assets/EnumWithRawValueMemoryLayoutDemo1.png" style="zoom:25%">
|
||||
|
||||
- `season = .winter` 基础枚举，当赋值为 winter 的时候，可以看到第一个字节的位置是3
|
||||
|
||||
<img src="https://github.com/FantasticLBP/knowledge-kit/raw/master/assets/EnumWithRawValueMemoryLayoutDemo2.png" style="zoom:25%">
|
||||
<img src="./../assets/EnumWithRawValueMemoryLayoutDemo2.png" style="zoom:25%">
|
||||
|
||||
结论：带有原始值的枚举，同样只占用1个字节，该字节的值为枚举的位置（比如 case1 case2）
|
||||
结论：**只带有原始值的枚举，同样只占用1个字节，该字节的值为枚举的位置索引（比如1、2），而非原始值。原始值不占用枚举的内存**
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
### 带有关联值的枚举
|
||||
## 只带有关联值的枚举
|
||||
|
||||
```swift
|
||||
enum Season {
|
||||
@@ -90,9 +103,11 @@ season = Season.unknown
|
||||
print("over")
|
||||
```
|
||||
|
||||
- `var season: Season = Season.spring(1, 2, 3)` 带有关联值的枚举，`.spring` 有3个 Int，单个 Int 占8个字节空间，所以红色框代表 spring 的1，蓝色框代表 spring 的2，绿色框代表 spring 的3，黄色框代表枚举的第1个 case，剩余7个字节，为空。
|
||||
- `var season: Season = Season.spring(1, 2, 3)` 带有关联值的枚举：
|
||||
|
||||
<img src="https://github.com/FantasticLBP/knowledge-kit/raw/master/assets/AssociatedEnumMemoryLayoutDemo1.png" style="zoom:25%">
|
||||
`.spring` 有3个 Int，单个 Int 占8个字节空间，所以红色框代表 spring 的1，蓝色框代表 spring 的2，绿色框代表 spring 的3，黄色框代表枚举的第1个 case，剩余7个字节，为空。后续的7个字节是为了内存对齐而补齐的内存。
|
||||
|
||||
<img src="./../assets/AssociatedEnumMemoryLayoutDemo1.png" style="zoom:25%">
|
||||
|
||||
其内存信息如下（8字节为1组，对应上图）
|
||||
|
||||
@@ -106,79 +121,88 @@ print("over")
|
||||
|
||||
这段内存信息怎么看？我划分了下
|
||||
|
||||
```
|
||||
关联值： 01 00 00 00 00 00 00 00
|
||||
关联值： 02 00 00 00 00 00 00 00
|
||||
关联值： 03 00 00 00 00 00 00 00
|
||||
位置值： 00
|
||||
内存对齐占用：00 00 00 00 00 00 00
|
||||
```shell
|
||||
case spring 的关联值的第1个 Int： 01 00 00 00 00 00 00 00
|
||||
case spring 的关联值的第2个 Int： 02 00 00 00 00 00 00 00
|
||||
case spring 的关联值的第3个 Int： 03 00 00 00 00 00 00 00
|
||||
表明哪个 case 的索引值: 00
|
||||
内存对齐占用： 00 00 00 00 00 00 00
|
||||
```
|
||||
|
||||
下面的几组一样
|
||||
|
||||
- `season = Season.summer(4, 5)` 带有关联值的枚举，`.summer` 有2个 Int，单个 Int 占8个字节空间，所以红色框代表 summer 的4，蓝色框代表 summer 的5，绿色框为空，黄色框代表枚举的第2个 case，剩余7个字节，为空。
|
||||
- `season = Season.summer(4, 5)` 带有关联值的枚举，`.summer` 这个枚举关联值有2个 Int，单个 Int 占8个字节空间，所以红色框代表 summer 第一个关联值 4，蓝色框代表 summer 第二个关联值 5，绿色框为空，黄色框代表枚举的第2个 case，剩余7个字节，为空。
|
||||
|
||||
<img src="https://github.com/FantasticLBP/knowledge-kit/raw/master/assets/AssociatedEnumMemoryLayoutDemo3.png" style="zoom:25%">
|
||||
<img src="./../assets/AssociatedEnumMemoryLayoutDemo3.png" style="zoom:25%">
|
||||
|
||||
其内存信息如下（8字节为1组，对应上图）
|
||||
|
||||
```shell
|
||||
04 00 00 00 00 00 00 00
|
||||
05 00 00 00 00 00 00 00
|
||||
00 00 00 00 00 00 00 00
|
||||
01
|
||||
00 00 00 00 00 00 00
|
||||
case summer 的关联值的第1个 Int： 04 00 00 00 00 00 00 00
|
||||
case summer 的关联值的第2个 Int： 05 00 00 00 00 00 00 00
|
||||
空（按照最大内存预留的位置）: 00 00 00 00 00 00 00 00
|
||||
表明哪个 case 的索引值: 01
|
||||
内存对齐占用： 00 00 00 00 00 00 00
|
||||
```
|
||||
|
||||
- `season = Season.antumn(6) 带有关联值的枚举，`. `antumn` 有1个 Int，单个 Int 占8个字节空间，所以红色框代表 antumn 的6，蓝色框为空，绿色框为空，黄色框代表枚举的第3个 case，剩余7个字节，为空。
|
||||
- `season = Season.antumn(6) 带有关联值的枚举，`. `antumn` 存在关联值 1个 Int，单个 Int 占8个字节空间，所以红色框代表 antumn 的6，蓝色框为空，绿色框为空，黄色框代表枚举的第3个 case，剩余7个字节，为空。
|
||||
|
||||
<img src="https://github.com/FantasticLBP/knowledge-kit/raw/master/assets/AssociatedEnumMemoryLayoutDemo4.png" style="zoom:25%">
|
||||
<img src="./../assets/AssociatedEnumMemoryLayoutDemo4.png" style="zoom:25%">
|
||||
|
||||
其内存信息如下（8字节为1组，对应上图）
|
||||
|
||||
```shell
|
||||
06 00 00 00 00 00 00 00
|
||||
00 00 00 00 00 00 00 00
|
||||
00 00 00 00 00 00 00 00
|
||||
02
|
||||
00 00 00 00 00 00 00
|
||||
case autumn 的关联值的第1个 Int： 06 00 00 00 00 00 00 00
|
||||
空（按照最大内存预留的位置）: 00 00 00 00 00 00 00 00
|
||||
空（按照最大内存预留的位置）: 00 00 00 00 00 00 00 00
|
||||
表明哪个 case 的索引值: 02
|
||||
内存对齐占用： 00 00 00 00 00 00 00
|
||||
```
|
||||
|
||||
- `season = Season.winter(true)` 带有关联值的枚举，`. `winter` 有1个 Bool，单个 Int 占1个字节空间，所以红色框代表 winter 的 true，蓝色框为空，绿色框为空，黄色框代表枚举的第4个 case，剩余7个字节，为空。
|
||||
- `season = Season.winter(true)` 带有关联值的枚举，`. `winter` 关联值是 1个 Bool，单个 Bool 占1个字节空间，所以红色框代表 winter 的 true，蓝色框为空，绿色框为空，黄色框代表枚举的第4个 case，剩余7个字节，为空。
|
||||
|
||||
<img src="https://github.com/FantasticLBP/knowledge-kit/raw/master/assets/AssociatedEnumMemoryLayoutDemo5.png" style="zoom:25%">
|
||||
<img src="./../assets/AssociatedEnumMemoryLayoutDemo5.png" style="zoom:25%">
|
||||
|
||||
其内存信息如下（8字节为1组，对应上图）
|
||||
|
||||
```shell
|
||||
01 00 00 00 00 00 00 00
|
||||
00 00 00 00 00 00 00 00
|
||||
00 00 00 00 00 00 00 00
|
||||
03
|
||||
00 00 00 00 00 00 00
|
||||
case winter 的关联值的第1个 Int： 01 00 00 00 00 00 00 00
|
||||
空（按照最大内存预留的位置）: 00 00 00 00 00 00 00 00
|
||||
空（按照最大内存预留的位置）: 00 00 00 00 00 00 00 00
|
||||
表明哪个 case 的索引值: 03
|
||||
内存对齐占用： 00 00 00 00 00 00 00
|
||||
```
|
||||
|
||||
- `season = Season.unknown` 带有关联值的枚举，`unknown` 没有关联值，所以红色框为空，蓝色框为空，绿色框为空，黄色框代表枚举的第5个 case，剩余7个字节，为空。
|
||||
|
||||
<img src="https://github.com/FantasticLBP/knowledge-kit/raw/master/assets/AssociatedEnumMemoryLayoutDemo6.png" style="zoom:25%">
|
||||
<img src="./../assets/AssociatedEnumMemoryLayoutDemo6.png" style="zoom:25%">
|
||||
|
||||
其内存信息如下（8字节为1组，对应上图）
|
||||
|
||||
```shell
|
||||
00 00 00 00 00 00 00 00
|
||||
00 00 00 00 00 00 00 00
|
||||
00 00 00 00 00 00 00 00
|
||||
04
|
||||
00 00 00 00 00 00 00
|
||||
case unknown 关联值的第1个Int: 00 00 00 00 00 00 00 00
|
||||
空(按照最大内存预留的位置): 00 00 00 00 00 00 00 00
|
||||
空(按照最大内存预留的位置): 00 00 00 00 00 00 00 00
|
||||
表明哪个 case 的索引值: 04
|
||||
内存对齐占用: 00 00 00 00 00 00 00
|
||||
```
|
||||
|
||||
- `MemoryLayout<Season>.size` ：3个 Int 最大为3*8，1个字节用来表达位置信息，`3*8 + 1 = 25`
|
||||
|
||||
- `MemoryLayout<Season>.stride` ：获取系统分配给数据类型的内存大小，也就是实际内存大小（对齐后的）
|
||||
|
||||
- `MemoryLayout<Season>.alignment` 内存对齐系数，以8 Byte 为单位，对象分配的内存必须是该值的整数倍
|
||||
|
||||
结论：
|
||||
|
||||
- **对于有不同枚举值有不同关联结构的枚举，其内存由关联值最大的 case 的内存决定（其余的 case 沿用该结构。所有 case 共享同一块内存区域。该区域大小为最大关联值所需内存）**
|
||||
- **除了最大内存的 case 外，还需要1个字节存储所属哪个 case**（通常 1 字节，具体取决于 case 数量，1字节能表示的 case 数量为256个）
|
||||
- **枚举总内存实际大小 = 1个字节存储所属哪个 case + 关联值所占内存最大的 case 的内存大小**
|
||||
- **另外，枚举所占内存还需要考虑内存对齐的情况。比如本例中实际内存为25，内存对齐为8字节，所以最终分配了32字节的内存**
|
||||
|
||||
|
||||
### 只有一个 case 的枚举
|
||||
|
||||
## 只有一个 case 的枚举
|
||||
|
||||
```swift
|
||||
enum SimpleEnum {
|
||||
@@ -205,7 +229,9 @@ print(MemoryLayout<SimpleEnum>.alignment) // 1
|
||||
|
||||
现在好理解，2个 case 需要存储1个 Byte 的值来区分是哪个 case，1 Byte 可以代表最多256个 case
|
||||
|
||||
### 只有1个 case 且带关联值的枚举
|
||||
|
||||
|
||||
## 只有1个 case 且带关联值的枚举
|
||||
|
||||
```swift
|
||||
enum SimpleEnum {
|
||||
@@ -217,7 +243,10 @@ print(MemoryLayout<SimpleEnum>.stride) // 8
|
||||
print(MemoryLayout<SimpleEnum>.alignment) // 8
|
||||
```
|
||||
|
||||
带有关联值且只有1个 case 的枚举，因为有1个 Int 的关联值，但只有1个 case，所以只需要8 Byte 存储关联值即可。
|
||||
- 带有关联值且只有1个 case 的枚举，因为有1个 Int 的关联值，需要8 Byte 存储关联值
|
||||
- 但只有1个 case，不需要额外空间来判断所属哪个枚举值，所以不需要额外空间
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
请看下面的对照实验
|
||||
|
||||
@@ -232,13 +261,55 @@ print(MemoryLayout<SimpleEnum>.stride) // 16
|
||||
print(MemoryLayout<SimpleEnum>.alignment) // 8
|
||||
```
|
||||
|
||||
2个 case，其中一个 case 有关联值 Int，所以需要8 Byte 存 Int 值，1 Byte 区分是哪个 case，实际需要占用 8 + 1 = 9 Byte，内存对齐单位是8，9向上为16.
|
||||
2个 case，其中一个 case 有关联值 Int，所以需要8 Byte 存 Int 值，1 Byte 区分是哪个 case，实际需要占用 8 + 1 = 9 Byte，内存对齐单位是8，9向上为16。
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
### 用汇编验证下内存
|
||||
### 为什么不能复用关联值的空间
|
||||
|
||||
```
|
||||
case1 占用8个字节，case2 占用1个字节，能用 case1 的8个字节的最开始的位置存储 case2 的信息吗？这样的话节省内存
|
||||
|
||||
- **内存布局的确定性**：Swift 要求枚举实例的内存布局在编译时确定。若允许不同 case 复用同一块内存，会导致运行时动态解析内存布局，降低性能和安全性。
|
||||
|
||||
- **所有 case 共享同一块内存**：枚举实例的内存大小由**最大关联值的大小 + 标签所需空间**决定。
|
||||
|
||||
- **标签（Discriminant）**：用于区分不同 case，通常占用 1 字节（但具体由 case 数量决定）。
|
||||
|
||||
**标签的占用大小**由枚举的 `case` 数量决定：
|
||||
|
||||
- **1 个 `case`**：不需要标签（因为没有其他可能性）。
|
||||
- **2~256 个 `case`**：标签通常占用 **1 字节**（`UInt8`，可以表示 256 种可能）。
|
||||
- **257~65536 个 `case`**：标签占用 **2 字节**（`UInt16`）。
|
||||
- 更大数量依此类推（但实际中几乎不会用到如此多的 `case`）。
|
||||
|
||||
- **内存对齐约束**：即使标签的逻辑占用小于 1 字节（例如只有 2 个 `case`，理论上只需 1 位），实际仍会占用 **至少 1 字节**（因为内存按字节寻址）。
|
||||
|
||||
- **内存对齐**：总大小会按对齐要求（如 8 字节）向上取整到最近的倍数（即 `stride`）。
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
以示例中的 `SimpleEnum` 为例：
|
||||
|
||||
- `case one(Int)`：需要 8 字节存储 `Int` + 1 字节标签 → 共 9 字节。
|
||||
- `case two`：仅需 1 字节标签 → 但内存仍需按最大 case 分配（即 8 字节关联值空间 + 1 字节标签 → 总 9 字节）。
|
||||
|
||||
因此，无论当前是哪个 case，枚举实例始终占用 **9 字节**（对齐后 `stride` 为 16 字节）。
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
更改验证标签对于枚举占用内存大小的影响
|
||||
|
||||
<img src="./../assets/SwiftEnumCaseNumAffectMemory.png" style="zoom:40%" />
|
||||
|
||||
可以看到 enum 只有1个 case 的时候，内存大小只和最大关联值大小有关，1个 case 的情况下不需要额外的空间来判断所属哪个 case。
|
||||
|
||||
因此此时枚举的内存大小 = 最大关联值的内存大小 = 8
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
## 用汇编验证下内存
|
||||
|
||||
```swift
|
||||
enum Season {
|
||||
case spring(Int, Int, Int)
|
||||
case summer(Int, Int)
|
||||
@@ -258,7 +329,7 @@ print("over")
|
||||
|
||||
断点停到 `var season: Season = Season.spring(1, 2, 3)` 位置
|
||||
|
||||
<img src="https://github.com/FantasticLBP/knowledge-kit/raw/master/assets/AssociatedEnumMemoryLayoutExplore.png" style="zoom:25%">
|
||||
<img src="./../assets/AssociatedEnumMemoryLayoutExplore.png" style="zoom:25%">
|
||||
|
||||
将断点处的汇编单独摘出来研究
|
||||
|
||||
@@ -294,4 +365,78 @@ print("over")
|
||||
- n个字节用来存储关联值（n取占用内存最大的关联值），任何一个 case 的关联值都共用这 n 个字节
|
||||
- 且存在内存对齐，所以占用大小为 n 和 1 的最大值，再结合内存对齐。
|
||||
- 如果枚举的定义非常简单，系统会用1个字节来存放值，最大范围是256个 case。
|
||||
- 枚举定义如果有原始值，也不会影响内存布局。
|
||||
- 枚举定义如果有原始值，也不会影响内存布局。
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
## switch 的工作原理
|
||||
|
||||
```swift
|
||||
enum Season {
|
||||
case spring(Int, Int, Int)
|
||||
case summer(Int, Int)
|
||||
case antumn(Int)
|
||||
case winter(Bool)
|
||||
case unknown
|
||||
}
|
||||
|
||||
var season: Season = Season.spring(1, 2, 3)
|
||||
switch season {
|
||||
case let .spring(v1, v2, v3):
|
||||
print(".spring", v1, v2, v3)
|
||||
case let .summer(v1, v2):
|
||||
print(".summer", v1, v2)
|
||||
case let .antumn(v1):
|
||||
print(".antumn", v1)
|
||||
case let .winter(v1):
|
||||
print(".winter", v1)
|
||||
case .unknown:
|
||||
print(".unkown")
|
||||
}
|
||||
```
|
||||
|
||||
- Swift 先判断 season 的成员值，判断属于哪个 case。
|
||||
- 如果发现成员值为0，则走第1个 case，将 season 的前24个字节，分别赋值给第1个 case 的 v1、v2、v3
|
||||
- 如果发现成员值为1，则走第2个 case，将 season 的前16个字节，分别赋值给第2个 case 的 v1、v2
|
||||
- 如果发现成员值为2，则走第3个 case，将 season 的前8个字节，赋值给第3个 case 的 v1
|
||||
- 如果发现成员值为3，则走第4个 case，将 season 的第1个字节，赋值给第4个 case 的 v1
|
||||
- 如果发现成员值为4，则走第5个 case，则执行第5个 case 的打印逻辑
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
## Swift 枚举的本质
|
||||
|
||||
从表象来看，枚举存在以下情况：
|
||||
|
||||
- **不带关联值、不带原始值的基础枚举，只占1个字节大小空间，且值为默认值**
|
||||
- **只带有原始值的枚举，同样只占用1个字节，该字节的值为枚举的位置索引（比如1、2），而非原始值**
|
||||
- **带有关联值的枚举内存大小：**
|
||||
- **对于有不同枚举值有不同关联结构的枚举，其内存由关联值最大的 case 的内存决定（其余的 case 沿用该结构。所有 case 共享同一块内存区域。该区域大小为最大关联值所需内存）**
|
||||
- **除了最大内存的 case 外，还需要1个字节存储所属哪个 case**（通常 1 字节，具体取决于 case 数量，1字节能表示的 case 数量为256个）
|
||||
- **枚举总内存实际大小 = 1个字节存储所属哪个 case + 关联值所占内存最大的 case 的内存大小**
|
||||
- **另外，枚举所占内存还需要考虑内存对齐的情况。比如本例中实际内存为25，内存对齐为8字节，所以最终分配了32字节的内存**
|
||||
|
||||
但从本质来讲：
|
||||
|
||||
- 对于无关联值、无原始值的简单枚举，Swift 编译器会进行内存优化：
|
||||
|
||||
- 当枚举 case ≤ 256 个时，使用 1 字节（UInt8）
|
||||
|
||||
- 当 case ≤ 65536 时，使用 2 字节（UInt16）
|
||||
|
||||
- **内存布局的确定性**：Swift 要求枚举实例的内存布局在编译时确定。若允许不同 case 复用同一块内存，会导致运行时动态解析内存布局，降低性能和安全性。
|
||||
|
||||
- **所有 case 共享同一块内存**：枚举实例的内存大小由**最大关联值的大小 + 标签所需空间**决定。
|
||||
|
||||
- **标签（Discriminant）**：用于区分不同 case，通常占用 1 字节（但具体由 case 数量决定）。
|
||||
|
||||
**标签的占用大小**由枚举的 `case` 数量决定：
|
||||
|
||||
- **1 个 `case`**：不需要标签（因为没有其他可能性）。
|
||||
- **2~256 个 `case`**：标签通常占用 **1 字节**（`UInt8`，可以表示 256 种可能）。
|
||||
- **257~65536 个 `case`**：标签占用 **2 字节**（`UInt16`）。
|
||||
- 更大数量依此类推（但实际中几乎不会用到如此多的 `case`）。
|
||||
|
||||
- **内存对齐约束**：即使标签的逻辑占用小于 1 字节（例如只有 2 个 `case`，理论上只需 1 位），实际仍会占用 **至少 1 字节**（因为内存按字节寻址）。
|
||||
|
||||
- **内存对齐**：总大小会按对齐要求（如 8 字节）向上取整到最近的倍数（即 `stride`）。
|
||||
Reference in New Issue
Block a user