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# Swift 类底层剖析
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## 类的内存结构
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```swift
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class Person {
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var age: Int = 0
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}
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class Student: Person {
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var score: Int = 0
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}
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class Worker: Student {
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var salary: Int = 0
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}
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let person = Person()
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person.age = 28
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print(Mems.size(ofRef: person))
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print(Mems.memStr(ofRef: person))
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32
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0x000000010000c400 0x0000000000000003
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0x000000000000001c 0x0000000000000000
|
||
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||
let student = Student()
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student.score = 100
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print(Mems.size(ofRef: student))
|
||
print(Mems.memStr(ofRef: student))
|
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32
|
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0x000000010000c4b0 0x0000000000000003
|
||
0x000000000000001c 0x0000000000000064
|
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||
let worker = Worker()
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worker.salary = 1000
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print(Mems.size(ofRef: worker))
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||
print(Mems.memStr(ofRef: worker))
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48
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0x000000010000c580 0x0000000000000003
|
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0x000000000000001c 0x0000000000000064 0x00000000000003e8 0x00007ff8501c0938
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```
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- 内存对齐都是16 Byte 的整数倍
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- 一个类内存中，至少占16字节的内存。前8位是类信息、其次的8位是引用计数信息，最后跟属性内存
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- 由于类存在继承，所以子类中，前16字节存储类信息和引用计数信息，其次是属性内存，存在继承的话，前面的属性是父类的属性，后面才是自己的属性。
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所以：
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- Person 类的内存： 8 Byte 的类信息 + 8 Byte 引用计数信息 + 8 Byte Int Age 属性 = 24 Byte，由于需要16的倍数，所以是32 Byte
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- Student 类的内存： 8 Byte 的类信息 + 8 Byte 引用计数信息 + 8 Byte Int Age 属性 + 8 Byte 的 Int Score 属性 = 32 Byte，由于需要16的倍数，所以是32 Byte
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- Worker 类的内存： 8 Byte 的类信息 + 8 Byte 引用计数信息 + 8 Byte Int Age 属性 + 8 Byte 的 Int Score 属性 + 8 Byte 的 Int Salary 属性 = 40 Byte，由于需要16的倍数，所以是 48 Byte
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## 继承
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值类型（枚举、结构体）不支持继承，只有类支持继承
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没有父类的类，称为基类。Swift 并不像 OC、Java 那样规定：任何类最终都要继承自某个基类（OC 的 NSObject）。
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```swift
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import Foundation
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class Person {}
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class Student: Person {}
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print(class_getSuperclass(Student.self)!) // Person
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print(class_getSuperclass(Person.self)!) // _TtCs12_SwiftObject
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```
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丛输出可以看出 Swift 还存在一个隐藏基类：`Swift._SwiftObject`，可查看 [Swift 源码](https://github.com/apple/swift/blob/main/stdlib/public/runtime/SwiftObject.h)
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## 方法
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结构体和枚举是值类型，默认情况下，值类型的属性是不能被自身的实例方法修改。
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如果想在方法内修改，需要在 `func` 前加 `mutating` 才可以
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```swift
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struct Point {
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var x: Double = 0.0
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var y: Double = 0.0
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||
func moveBy(_ delatX: Double, _ delatY: Double) {
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||
self.x += delatX
|
||
self.y += delatY
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}
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}
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var point = Point()
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||
point.moveBy(0.2, 0.2)
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// compiler error
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Left side of mutating operator isn't mutable: 'self' is immutable
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```
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改进
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```swift
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struct Point {
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var x: Double = 0.0
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var y: Double = 0.0
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mutating func moveBy(_ delatX: Double, _ delatY: Double) {
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||
self.x += delatX
|
||
self.y += delatY
|
||
}
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||
}
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var point = Point()
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||
point.moveBy(0.2, 0.4)
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print(point.x, point.y)
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// 0.2 0.4
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```
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## 重写方法
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`override`
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被 class 修饰的类型方法、下标，允许被子类重写
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被 static 修饰的类型方法、下标，不允许被子类重写
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```swift
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class Animal {
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static var innerValue:Int = 0
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class func speak() {
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||
print("Animal speak")
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||
}
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||
class subscript(index: Int) -> Int {
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set {
|
||
innerValue = newValue
|
||
}
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get {
|
||
innerValue
|
||
}
|
||
}
|
||
}
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class Dog: Animal {
|
||
override class func speak() {
|
||
super.speak()
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||
print("dog is bark")
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||
}
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override class subscript(index: Int) -> Int {
|
||
set {
|
||
innerValue = newValue
|
||
}
|
||
get {
|
||
innerValue
|
||
}
|
||
}
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||
}
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||
Animal.speak() // Animal speak
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Animal[5] = 3
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print(Animal[5]) // 3
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Dog.speak() // Animal speak dog is bark
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```
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但如果将 `Animal` 方法的 `class` 改为 `static`，就无法 `override` 了
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<img src="https://github.com/FantasticLBP/knowledge-kit/raw/master/assets/SwiftCannotOverrideStaticMethod.png" style="zoom:25%">
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## 重写属性
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- 子类不可以将父类的属性改写为存储属性
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- 子类可以将父类的属性（存储属性、计算属性）重写为计算属性
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- 只能重写 var 属性，不能重写 let 属性
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- 重写时，属性名、类型要一致
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- 子类重写后的属性权限（读写），不能小于父类属性的权限
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||
- 如果父类属性是只读的，子类重写后的属性要么是只读的，要么是可读可写的
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||
- 如果父类的属性是可读可写的，子类重写后的属性也必须是可读可写的
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## 重写类型属性
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||
- 被 class 修饰的计算类型属性，可以被子类重写
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||
- 被 static 修饰的类型属性（存储、计算），不可以被子类重写
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||
- 可以在子类中为父类属性（除了只读的计算属性、let 属性）增加属性观察器
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```swift
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class Shape {
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var radius: Int = 1 {
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||
willSet {
|
||
print("Shape will set radius", newValue)
|
||
}
|
||
didSet {
|
||
print("Shape did set radius", oldValue, radius)
|
||
}
|
||
}
|
||
}
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||
class Circle: Shape {
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||
override var radius: Int {
|
||
willSet {
|
||
print("Cirle will set radius", newValue)
|
||
}
|
||
didSet {
|
||
print("Circle did set radius", oldValue, radius)
|
||
}
|
||
}
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||
}
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var circle = Circle()
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||
circle.radius = 2
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// console
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||
Cirle will set radius 2
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Shape will set radius 2
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Shape did set radius 1 2
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||
Circle did set radius 1 2
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```
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可以看到输出类似 Node 的洋葱模型，willset 从外到里，didset 从里到外。
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## final
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- 被 final 修饰的方法、属性、下标是禁止被重写的
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- 被 final 修饰的类，禁止被继承
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## <span id="target-anchor">多态的实现原理</span>
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OC： Runtime
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C++：虚表
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Swift：没有 Runtime，所以多态的实现类似 C++
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```swift
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class Animal {
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func speak () {
|
||
print("Animal speak")
|
||
}
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||
func eat () {
|
||
print("Animal eat")
|
||
}
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||
func sleep () {
|
||
print("Animal sleep")
|
||
}
|
||
}
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class Dog: Animal {
|
||
override func speak() {
|
||
print("Dog speak")
|
||
}
|
||
override func eat() {
|
||
print("Dog eat")
|
||
}
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||
func run () {
|
||
print("Dog run")
|
||
}
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||
}
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var animal = Animal()
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animal.speak()
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animal.eat()
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animal.sleep()
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animal = Dog()
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animal.speak()
|
||
animal.eat()
|
||
animal.sleep()
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// console
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||
Animal speak
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Animal eat
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||
Animal sleep
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Dog speak
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||
Dog eat
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Animal sleep
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```
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在 `animal.speak()` 处加断点，可以看到
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<img src="https://github.com/FantasticLBP/knowledge-kit/raw/master/assets/SwiftClassPointerDemo1.png" style="zoom:25%">
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<img src="https://github.com/FantasticLBP/knowledge-kit/raw/master/assets/SwiftClassPointerDemo3.png" style="zoom:25%">
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解释：
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- 汇编84行 `movq 0x9356(%rip), %r13 ` 是将全局变量 `animal` 的地址赋值给 `r13`
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- 汇编90行 `movq (%r13), %rax` 将 `r13` 处取出内存的前8个字节，赋值给 `rax`
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- 汇编91行 `callq *0x50(%rax)` ，也就是计算出 `rax + 0x50` 的地址，然后取出8 Byte 出来，也就是 `Dog.speak` 然后调用
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- 汇编107行 `callq *0x58(%rax)` ，也就是计算出 `rax + 0x508` 的地址，然后取出8 Byte 出来，也就是 `Dog.eat` 然后调用
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- 汇编123行 `callq *0x60(%rax)` ，也就是计算出 `rax + 0x60` 的地址，然后取出8 Byte 出来，也就是 `Animal.sleep` 然后调用
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画了张图，也就是说 `rax` 中存放了 Dog 对象内存中的前8个字节，也就是下图的最右侧
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<img src="https://github.com/FantasticLBP/knowledge-kit/raw/master/assets/SwiftClassPointerDemo2.png" style="zoom:25%">
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核心是上面的内存布局图。结合汇编就知道多态是如何实现的。
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总结： **虚函数表**（vtable）是一种用于实现动态多态性的机制，通常用于面向对象的编程语言中（C++ 也是一样）。在 Swift 中，虚函数表用于存储类或协议中方法的地址，以便在运行时进行动态分派。
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在 Swift 中，虚函数表的作用是为每个类或协议创建一个表，其中包含了对应方法的地址。当调用对象的方法时，运行时系统会根据对象的实际类型查找对应的虚函数表，然后调用表中存储的方法地址，从而触发特定的实现。
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||
虚函数表在 Swift 中的作用是实现动态分派，使得在运行时根据对象的实际类型确定调用的具体实现。这为 Swift 中的多态性提供了基础，允许相同的方法名称根据对象的类型触发不同的实现，从而实现灵活的对象行为。
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## 类的类型信息存储在哪
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说明：同一个类的不同对象，它的类信息是一样的。也就是说不通的对象指针，所指向的类信息内存是同一块。
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```swift
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var dog1 = Dog()
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var dog2 = Dog()
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```
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存储在全局区。可以利用 MachOView 去查看。
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## 初始化器
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### require
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- 用 required 修饰的指定初始化器，表明其所有的子类都必须实现该初始化器（通过继承或者重写来实现）
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- 如果子类重写了 required 初始化器，也必须加上 required，不用加 override
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## 可失败初始化器
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类、结构体、枚举都可以使用 `init?` 定义可失败初始化器，也可以用 `init!` 来定义可失败初始化器。区别下面会讲
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```swift
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class Person {
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||
var name: String
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||
init?(_ name: String) {
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||
if name.isEmpty {
|
||
return nil
|
||
}
|
||
self.name = name
|
||
}
|
||
}
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||
var person1 = Person("")
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||
print(person1) // nil
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||
var person2 = Person("FantasticLBP")
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||
print(person2) // Optional(SwiftDemo.Person)
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||
print(person2!) // SwiftDemo.Person
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```
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||
这种设计系统中也存在，比如 Int 的可失败初始化器：`@inlinable public init?(_ description: String)`
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```swift
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||
var num = Int("12e2")
|
||
print(num) // nil
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||
num = Int("12")
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||
print(num) // Optional(12)
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||
```
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注意点：
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1. 不允许同时定义参数标签、参数个数、参数类型相同的可失败初始化器和非可失败初始化器。因为在外部调用的时候，不知道到底是使用哪个初始化方法。编译器会报错 `Invalid redeclaration of 'init(_:)'`
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||
<img src="https://github.com/FantasticLBP/knowledge-kit/raw/master/assets/SwiftCanFailedInit.png" style="zoom:25%">
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2. 可以用 `init!` 来定义隐式解包的可失败初始化器
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3. 可失败初始化器可以调用非可失败初始化器，非可失败初始化器调用可失败初始化器需要进行解包。如果直接调用会报错 `A non-failable initializer cannot delegate to failable initializer 'init(_:)' written with 'init?'`
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```swift
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class Person {
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||
var name: String
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||
init?(_ name: String) {
|
||
if name.isEmpty {
|
||
return nil
|
||
}
|
||
self.name = name
|
||
}
|
||
convenience init() {
|
||
self.init("")! // 极端 case，设计不合理
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||
}
|
||
}
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||
```
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||
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||
非可失败初始化器也可以调用可失败初始化器的隐式解包。
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```swift
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||
class Person2 {
|
||
var name: String
|
||
init!(_ name: String) {
|
||
if name.isEmpty {
|
||
return nil
|
||
}
|
||
self.name = name
|
||
}
|
||
convenience init() {
|
||
self.init("")
|
||
}
|
||
}
|
||
```
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||
<img src="https://github.com/FantasticLBP/knowledge-kit/raw/master/assets/SwiftCanFailedInit2.png" style="zoom:25%">
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||
且前面的写法比较危险，假设第一个 `init?` 返回 `nil`，第二个 `convenience init()` 去对 nil 强制解包，则会 crash
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||
4. 可以用一个非可失败初始化器重写一个可失败初始化器，但反过来不行
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||
5. 如果初始化器调用一个可失败初始化器导致初始化失败，那么整个初始化过程都失败，并且之后的代码都停止执行
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```swift
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class Person {
|
||
var name: String
|
||
init?(_ name: String) {
|
||
if name.isEmpty {
|
||
return nil
|
||
}
|
||
self.name = name
|
||
}
|
||
convenience init?() {
|
||
self.init("")
|
||
print("我是后面的代码1")
|
||
print("我是后面的代码2")
|
||
}
|
||
}
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||
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||
var person1 = Person()
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||
print(person1)
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```
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`init` 初始化失败，后面的 `我是后面的代码1` 均不会执行
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### 可失败初始化器设计哲学
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- 安全性优先：Swift 注重安全性，可失败初始化器的设计使得对象的初始化过程更加可靠和安全。通过返回一个可选值来表示初始化成功或失败，可以避免在初始化失败时产生不确定的对象状态
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||
- 错误处理：可失败初始化器与 Swift 的错误处理机制结合使用，使得在初始化失败时能够更好地捕获和处理错误。这种设计哲学强调了对异常情况的处理和错误信息的传递。
|
||
- **灵活性**：可失败初始化器提供了一种灵活的初始化机制，允许开发者更加精确地控制对象的初始化过程。这种设计哲学使得对象初始化更加灵活和可定制。
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## 可选链
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```swift
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var dict:[String: (Int, Int) -> Int] = [
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||
"sum": (+),
|
||
"minus": (-),
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||
"multiple": (*),
|
||
"divide": (/)
|
||
]
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||
print(dict["sum"]) // Optional((Function))
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||
var result = dict["divide"]?(40, 20) // 2
|
||
print(result!)
|
||
```
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||
- 如果可选项为 nil，调用方法、下标、属性失败，结果为 nil
|
||
- 如果可选项不为 nil，调用方法、下标、属性成功，结果会被包装为可选项
|
||
- 如果结果本来是可选项，则不会进行再次包装
|
||
- 如果链中任何一个节点为 nil，那么整个链就会调用失败。`var weight = person?.dog?.weight // Int?`
|
||
- 多个 `?` 可以链接在一起 `var weight = person?.dog?.weight`
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## X.self , X.Type, AnyClass
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- `X.self` 是一个元类型（metadata）的指针，metadata 存放着类型相关信息
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||
- `X.self` 属于 `X.type` 类型
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通过汇编探究下背后细节
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```swift
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class Person { }
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var person: Person = Person()
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||
var personType: Person.Type = Person.self
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||
```
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||
<img src="https://github.com/FantasticLBP/knowledge-kit/raw/master/assets/SwiftClassMetaDataTypeDemo1.png" style="zoom:25%">
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||
在第二行代码下断点，可以看到关键的汇编是第8行和第12行：
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||
- 第14行可以看到 `rip + 0x89ae = 0x10000396a + 0x89ae = 0x10000C318 `，明显是一个堆地址空间，也就是全局变量 `person`
|
||
- 第15行可以看到 `rip + 0x89af = 0x100003971 + 0x89af = 0x10000C320 `，明显是一个堆地址空间，也就是全局变量 `personType`
|
||
- 顺着关键代码找上去，看看 `rax`、`rcx` 的值是哪来的
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- 第8行调用函数后可以看到 Xcode 的说明，获取 `metadata`，函数返回值保存到 `rax`，LLDB 打印出为 `0x000000010000c248`
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- 第11行初始化堆内存后，将地址保存到寄存器 `rax`，LLDB 打印出地址为 `0x0000600000004010`，然后查看 `0x0000600000004010` 对应的对象信息，可以看到内存的前8个字节的值，就是上面得到的 `metadata` 对象的地址值
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||
- `metadata` 结构类似下图右侧
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||
<img src="https://github.com/FantasticLBP/knowledge-kit/raw/master/assets/SwiftClassPointerDemo2.png" style="zoom:25%">
|
||
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||
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||
|
||
`X.self` 和 `type(of:x)` 效果等价
|
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||
```swift
|
||
class Person { }
|
||
var person: Person = Person()
|
||
print(Person.self == type(of: person)) // true
|
||
```
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||
## 元类型的应用
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||
```swift
|
||
class Person {
|
||
required init() {}
|
||
}
|
||
class Worker: Person {}
|
||
class Student: Person {}
|
||
func createInstance(_ items: [Person.Type]) -> [Person] {
|
||
var people:[Person] = Array<Person>()
|
||
for item in items {
|
||
people.append(item.init())
|
||
}
|
||
return people
|
||
}
|
||
|
||
let student = Student()
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let studentType = type(of: student)
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let workerType = Worker.self
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var people: Array<Person> = createInstance([studentType, workerType])
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print(people) // [SwiftDemo.Student, SwiftDemo.Worker]
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```
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## Self
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Self 一般用作返回值类型，限定返回值跟方法调用者必须是同一类型（也可以当作参数类型）
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```swift
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protocol Runable {
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func copy() -> Self
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}
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class Person: Runable {
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required init() {}
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func copy() -> Self {
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type(of: self).init()
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}
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}
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class Student: Person { }
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var person = Person()
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print(person.copy()) // Person
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var student = Student()
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print(student.copy()) // Student
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```
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## OC/Swift 运行时
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### 消息派发方式
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消息派发方式有3种
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#### 直接派发（Direct Dispatch）
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会将整个方法的地址，直接硬编码到函数调用的地方。直接派发是最快的，不止是因为需要调用的指令集会更少，并且编译器还能够有很大的优化空间，例如函数内联等，直接派发也被称为静态调用
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然而，对于编程来水，直接调用也是最大的局限，而且因为缺乏动态性，所以没有办法支持继承和多态等特性。
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#### 函数表派发（Table Dispatch）
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函数表派发是编译型语言实现动态行为最常见的方式。寒暑表使用了一个数组来存储类生命的每一个函数的指针。大部分语言把整个称为“Virtual table”（虚函数表、虚表，c++），Swift 里称为 “witness table”。每一个类都会维护一个函数表，里面记录着类所有的函数，如果父类函数被 override 的话，表里面只会保存被 overrride 后的函数。一个子类新添加的函数都会被插入到这个数组的最后，运行时会根据这一个表去决定实际需要被调用的函数。
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就像上面[多态实现的原理](#target-anchor)这里讲到的一样
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<img src="https://github.com/FantasticLBP/knowledge-kit/raw/master/assets/SwiftClassPointerDemo2.png" style="zoom:25%">
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查表是一种简单、易实现、性能可预知的方式。然而，这种派发方式比起直接派发来说，还是慢了一点（从字节码的角度来看，多了两次读和一次跳转。由此带来了性能损耗）。另一个慢的原因在于编译器可能会由于函数内执行的任务，导致无法优化（如果函数带有副作用的话）
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这种基于数组的实现，缺陷在于函数表无法拓展。子类会在虚函数表的最后插入新函数，没有位置可以让 extension 安全地插入函数。
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#### 消息机制派发（Message Dispatch）
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消息机制是调用函数最动态的方式，也是 Cocoa 的基石，催生了 KVO、UIAppearance、CoreData 等，这种运作方式的关键在于开发者可以在运行时改变函数的行为。不止可以通过 swizzling 来改变，甚至可以用 isa-swizzling 修改对象的继承关系，可以在面向对象的基础上实现自定义派发。
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### OC 运行时
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主要体现在
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- 动态类型（dynamic typing）
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- 动态绑定（dynamic binding）
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- 动态装载（dynamic loading）
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### Swift 运行时
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- 纯 Swift 类的函数调用已经不再是 Objective-C 的运行时发消息，而是类似 c++ 的虚表 vtable，在编译时就确定了调用哪个函数，所以没办法通过 runtime 获取方法、属性
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- 而 Swift 为了兼容 Objective-C，凡是继承自 NSObject 的类都会保留其动态性，所以能够通过 runtime 拿到方法。老版本的 swift（如2.2）是编译期隐式的自动帮你加上了 `@objc`，而4.0以后版本的 swift 编译期去掉了隐式特性，必须显示声明
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- 不管是 Swift 类，还是继承自 NSObject 的类，只要在属性和方法前面加 `@objc` 关键字，就可以使用 runtime
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| | 原始定义 | 拓展 |
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| 值类型 | 直接派发 | 直接派发 |
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| 协议 | 函数表派发 | 直接派发 |
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| 类 | 函数表派发 | 直接派发 |
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| 继承自 NSObject 的类 | 函数表派发 | 函数表派发 |
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- 值类型总是会使用直接派发，简单易懂
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- 协议和类的 extension 都会使用直接派发
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- NSObject 的 extention 会使用消息机制进行派发
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- NSObject 声明作用域的函数都会使函数表进行派发
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- 协议里声明的，并且带有默认实现的函数会使用函数表进行派发
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修饰符
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| final | 直接派发 |
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| ---------------- | ---------------------- |
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| dynaminc | 消息机制派发 |
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| @objc & @nonobjc | 改变在 oc 里的可见性 |
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| @inline | 告诉编译器可以直接派发 |
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有个特殊的组合 final 和 @objc。在标记为 final 的同时，也可以使用 @objc 来让函数可以使用消息机制派发。这么做的结果就是，调用函数的时候会使用直接派发，但也会在 Objective-C 的运行时里注册对应的 selector，函数可以响应 `perform(selector:)` 以及别的 Objective-C 特性，但在直接调用时，又可以有直接派发的性能。
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