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Swift进阶之内存模型和方法调度-安度博客

时间:2019-02-04 14:57:17   作者:   来源:   阅读:65   评论:0
内容摘要:前言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。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......
  • 前言

    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。

    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。


    内存分配

    通过查看Github上Swift的源代码语言分布
    Swift进阶之内存模型和方法调度-安度博客

    可以看到

    Swift语言是用C++写的 Swift的核心Library是用Swift自身写的。

    对于C++来说,内存区间如下

    堆区 栈区 代码区 全局静态区

    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。

    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 Heap(堆),存储引用类型的实例

    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。

    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。

    例如,一个没有引用类型Struct的临时变量都是在栈上存储的

    struct Point{ var x:Double // 8 Bytes var y:Double // 8 bytes}let size = MemoryLayout<Point>.sizeprint(size) // 16let point1 = Point(x:5.0y:5.0)let instanceSize = MemoryLayout<Point>.size(ofValue: point1)print(instanceSize) //16
    那么,这个内存结构如图 Swift进阶之内存模型和方法调度-安度博客

    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

    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。

    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。

    比如,我们把上文的struct改成class

    class PointClass{ var x:Double = 0.0 var y:Double = 0.0}let size2 = MemoryLayout<PointClass>.sizeprint(size2) //8 let point2 = Point(x:5.0y:5.0)let instanceSize = MemoryLayout<Point>.size(ofValue: point2)print(instanceSize) //8
    这时候的内存结构如图 Swift进阶之内存模型和方法调度-安度博客

    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


    Memory Alignment(内存对齐)

    和nk" target="_blank">C/C++/OC类似,Swift也有Memory Alignment的概念。举个直观的例子
    我们定义这样两个Struct

    struct S{ var x:Int64 var y:Int32}struct SReverse{ var y:Int32 var x:Int64}

    然后,用MemoryLayout来获取两个结构体的大小

    let sSize = MemoryLayout<S>.size //12let sReverseSize = MemoryLayout<SReverse>.size //16

    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。

    我们来看看,内存对齐后的内存空间分布:

    Swift进阶之内存模型和方法调度-安度博客

    内存对齐的原因是,

    现代CPU每次读数据的时候,都是读取一个nk" target="_blank">word(32位处理器上是4个字节,64位处理器上是8个字节)。

    内存对齐的优点很多

    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SO答案

    自动引用计数(ARC)

    提到ARC,不得不先讲讲Swift的两种基本类型:

    值类型,在赋值的时候,会进行值拷贝 引用类型,在赋值的时候,只会进行引用(指针)拷贝

    比如,如下代码

    struct Point{ //Swift中,struct是值类型 var xy:Double}class Person{//Swift中,class是引用类型 var name:String var age:Int init(name:Stringage:Int){ self.name = name self.age = age }}var point1 = Point(x: 10.0 y: 10.0)var point2 = point1point2.x = 9.0print(point1.x) //10.0var person1 = Person(name: &#39;Leo&#39; age: 24)var person2 = person1person2.age = 25print(person1.age)//9.0
    我们先看看对应内存的使用 值类型有很多优点,其中主要的优点有两个 - 线程安全,每次都是获得一个copy,不存在同时修改一块内存 - 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。 ARC是相对于引用类型的。 > 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。 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。 新建一个iOS单页面工程,语言选择Swift,然后编写如下代码 ![这里写图片描述](http://img.blog.csdn.net/20161113111539024) 然后,当断点停在24行处的时候,Person的引用计数如下 Swift进阶之内存模型和方法调度-安度博客 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。 可以看到,person唯一的引用就是来自`VM:Stack thread`,也就是栈上。 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:
    Swift进阶之内存模型和方法调度-安度博客

    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。


    方法调度(method dispatch)

    Swift的方法调度分为两种

    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。 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。

    Struct

    对于Struct来说,方法调度是静态的。

    struct Point{ var x:Double // 8 Bytes var y:Double // 8 bytes func draw(){ print(&#39;Draw point at(xy)&#39;) }}let point1 = Point(x: 5.0 y: 5.0)point1.draw()print(MemoryLayout<Point>.size) //16

    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。

    如果开启了编译器优化,那么上述代码被优化成Inline后,

    let point1 = Point(x: 5.0 y: 5.0)print(&#39;Draw point at(point1.xpoint1.y)&#39;)print(MemoryLayout<Point>.size) //16

    Class

    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nk" target="_blank">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。

    class Point{ var x:Double // 8 Bytes var y:Double // 8 bytes init(x:Doubley:Double) { self.x = x self.y = y } func draw(){ print(&#39;Draw point at(xy)&#39;) }}let point1 = Point(x: 5.0 y: 5.0)point1.draw()print(MemoryLayout<Point>.size) //8

    Swift进阶之内存模型和方法调度-安度博客

    继承

    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。
    例如

    class Point{ var x:Double // 8 Bytes var y:Double // 8 bytes init(x:Doubley:Double) { self.x = x self.y = y } func draw(){ print(&#39;Draw point at(xy)&#39;) }}class Point3D:Point{ var z:Double // 8 Bytes init(x:Doubley:Doublez:Double) { self.z = z super.init(x: x y: y) } override func draw(){ print(&#39;Draw point at(xyz)&#39;) }}let point1 = Point(x: 5.0 y: 5.0)let point2 = Point3D(x: 1.0 y: 2.0 z: 3.0)let points = [point1point2]points.forEach { (p) in p.draw()}//Draw point at(5.0 5.0)//Draw point at(1.0 2.0 3.0)

    Swift进阶之内存模型和方法调度-安度博客

    协议

    我们首先看一段代码

    struct Point:Drawable{ var x:Double // 8 Bytes var y:Double // 8 bytes func draw(){ print(&#39;Draw point at(xy)&#39;) }}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(&#39;Draw line from (x1y1) to (x2y2)&#39;) }}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)

    可以看到,输出

    16 //point as Point40 //point as Drawable32 //line as Line40 //line as Drawable
    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。 这是因为Swift对于协议类型的采用如下的内存模型 - Existential Container。
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    Existential Container包括以下三个部分:

    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 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。 第五个word:Protocol Witness Table(PWT),用来存储协议的函数。

    那么,内存结构图,如下


    Swift进阶之内存模型和方法调度-安度博客

    [ point ]

    Swift进阶之内存模型和方法调度-安度博客

    [ line ]

    范型

    范型让代码支持静态多态。比如:

    func drawACopy<T : Drawable>(local : T) { local.draw()}drawACopy(Point(...))drawACopy(Line(...))
    那么,范型在使用的时候,如何调用方法和存储值呢? Swift进阶之内存模型和方法调度-安度博客

    [ 范型 ]

    范型并不采用Existential Container,但是原理类似。

    VWT和PWT作为隐形参数,传递到范型方法里。 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。

    范型的编译器优化

    1. 为每种类合成具体的方法
    比如

    func drawACopy<T : Drawable>(local : T) { local.draw()}

    在编译过后,实际会有两个方法

    func drawACopyOfALine(local : Line) { local.draw()}func drawACopyOfAPoint(local : Point) { local.draw()}

    然后

    drawACopy(local: Point(x: 1.0 y: 1.0))

    会被编译成为

    func drawACopyOfAPoint(local : Point(x: 1.0 y: 1.0))

    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。



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