本文主要介绍以下几点，文章最后会总结。
SIL
在底层流程中，OC代码和SWift代码时通过不同的编译器进行编译，然后通过LLVM，生成.o可执行文件，如下所示
SIL-1
-
OC中通过clang编译器（clang可以参考这篇文章iOS-底层原理 31：LLVM编译流程 & Clang插件开发），编译成IR，然后再生成可执行文件.o（即机器码） swift中通过swiftc编译器，编译成IR，然后再生成可执行文件
下面是Swift中的编译流程，其中SIL（Swift Intermediate Language），是Swift编译过程中的中间代码，主要用于进一步分析和优化Swift代码。如下图所示，SIL位于在AST和LLVM IR之间
SIL-2
注意：这里需要说明一下，Swift与OC的区别在于 Swift生成了高级的SIL
我们可以通过swiftc -h终端命令，查看swiftc的所有命令
SIL-3
class CJLTeacher{ var age: Int = 18 var name: String = "CJL"}var t = CJLTeacher()-
查看抽象语法树：
swiftc -dump-ast main.swift
SIL-4
- 生成SIL文件：
swiftc -emit-sil main.swift >> ./main.sil && code main.sil，其中main的入口函数如下
// mainbr/>//`@main`：标识当前main.swift的`入口函数`，SIL中的标识符名称以`@`作为前缀
sil @main : $@convention(c) (Int32, UnsafeMutablePointer<Optional<UnsafeMutablePointer<Int8>>>) -> Int32 {
//%0、%1在SIL中叫做寄存器，可以理解为开发中的常量，一旦赋值就不可修改，如果还想继续使用，就需要不断的累加数字（注意：这里的寄存器，与register read中的寄存器是有所区别的，这里是指虚拟寄存器，而register read中是真寄存器）
bb0(%0 : $Int32, %1 : $UnsafeMutablePointer<Optional<UnsafeMutablePointer<Int8>>>):
//alloc_global：创建一个全局变量，即代码中的t
alloc_global @$s4main1tAA10CJLTeacherCvp // id: %2
//global_addr：获取全局变量地址，并赋值给寄存器%3
%3 = global_addr @$s4main1tAA10CJLTeacherCvp : $CJLTeacher // user: %7
//metatype获取CJLTeacher的MetaData赋值给%4
%4 = metatype $@thick CJLTeacher.Type // user: %6
//将__allocating_init的函数地址赋值给 %5
// function_ref CJLTeacher.allocating_init()
%5 = function_ref @$s4main10CJLTeacherCACycfC : $@convention(method) (@thick CJLTeacher.Type) -> @owned CJLTeacher // user: %6
//apply调用 `allocating_init` 初始化一个变量，赋值给%6
%6 = apply %5(%4) : $@convention(method) (@thick CJLTeacher.Type) -> @owned CJLTeacher // user: %7
//将%6的值存储到%3，即全局变量的地址(这里与前面的%3形成一个闭环)
store %6 to %3 : $CJLTeacher // id: %7
//构建Int，并return
%8 = integer_literal $Builtin.Int32, 0 // user: %9
%9 = struct $Int32 (%8 : $Builtin.Int32) // user: %10
return %9 : $Int32 // id: %10
} // end sil function 'main'
注意：code命令是在.zshrc中做了如下配置，可以在终端中指定软件打开相应文件
$ open .zshrc
//****** 添加以下别名
alias subl='/Applications/SublimeText.app/Contents/SharedSupport/bin/subl'
alias code='/Applications/Visual\ Studio\ Code.app/Contents/Resources/app/bin/code'
//****** 使用
$ code main.sil
//如果想SIL文件高亮，需要安装插件：VSCode SIL-
从SIL文件中，可以看出，代码是经过混淆的，可以通过以下命令还原，以
s4main1tAA10CJLTeacherCvp为例：xcrun swift-demangle s4main1tAA10CJLTeacherCvp
SIL-5
- 调用
init方法
//********* main入口函数中代码 *********
%5 = function_ref @$s4main10CJLTeacherCACycfC : $@convention(method) (@thick CJLTeacher.Type) -> @owned CJLTeacher
// s4main10CJLTeacherCACycfC 实际就是__allocating_init()
// CJLTeacher.__allocating_init()
sil hidden [exact_self_class] @$s4main10CJLTeacherCACycfC : $@convention(method) (@thick CJLTeacher.Type) -> @owned CJLTeacher {
// %0 "$Metatype"
bb0(%0 : $@thick CJLTeacher.Type):
// 堆上分配内存空间
%1 = alloc_ref $CJLTeacher // user: %3
// function_ref CJLTeacher.init() 初始化当前变量
%2 = function_ref @$s4main10CJLTeacherCACycfc : $@convention(method) (@owned CJLTeacher) -> @owned CJLTeacher // user: %3
// 返回
%3 = apply %2(%1) : $@convention(method) (@owned CJLTeacher) -> @owned CJLTeacher // user: %4
return %3 : $CJLTeacher // id: %4
} // end sil function '$s4main10CJLTeacherCACycfC'SIL语言对于Swift源码的分析是非常重要的，关于其更多的语法信息，可以在这个网站进行查询
符号断点调试
源码调试
下面我们就通过swift_allocObject来探索swift中对象的创建过程
-
在
REPL（命令交互行，类似于python的，可以在这里编写代码）中编写如下代码（也可以拷贝），并搜索swift_allocObject函数加一个断点，然后定义一个实例对象t
SIL-8
- 断点断住，查看左边local有详细的信息
SIL-9
-
其中
requiredSize是分配的实际内存大小,为40 requiredAlignmentMask是swift中的字节对齐方式，这个和OC中是一样的，必须是8的倍数，不足的会自动补齐，目的是以空间换时间，来提高内存操作效率
swift_allocObject 源码分析
swift_allocObject的源码如下，主要有以下几部分
-
通过
swift_slowAlloc分配内存，并进行内存字节对齐 - 函数的返回值是
HeapObject类型，所以当前对象的内存结构就是HeapObject的内存结构
static HeapObject *_swift_allocObject_(HeapMetadata const *Metadata,
size_t requiredSize,
size_t requiredAlignmentMask) {
assert(isAlignmentMask(requiredAlignmentMask));
auto object = reinterpret_cast<HeapObject *>(
swift_slowAlloc(requiredSize, requiredAlignmentMask));//分配内存+字节对齐
// NOTE: this relies on the C++17 guaranteed semantics of no null-pointer
// check on the placement new allocator which we have observed on Windows,
// Linux, and macOS.
new (object) HeapObject(Metadata);//初始化一个实例对象
// If leak tracking is enabled, start tracking this object.
SWIFT_LEAKS_START_TRACKING_OBJECT(object);
SWIFT_RT_TRACK_INVOCATION(object, swift_allocObject);
return object;
}- 进入
swift_slowAlloc函数，其内部主要是通过malloc在堆中分配size大小的内存空间，并返回内存地址，主要是用于存储实例变量
void *swift::swift_slowAlloc(size_t size, size_t alignMask) {
void *p;
// This check also forces "default" alignment to use AlignedAlloc.
if (alignMask <= MALLOC_ALIGN_MASK) {
#if defined(__APPLE__)
p = malloc_zone_malloc(DEFAULT_ZONE(), size);
#else
p = malloc(size);// 堆中创建size大小的内存空间，用于存储实例变量
#endif
} else {
size_t alignment = (alignMask == ~(size_t(0)))
? _swift_MinAllocationAlignment
: alignMask + 1;
p = AlignedAlloc(size, alignment);
}
if (!p) swift::crash("Could not allocate memory.");
return p;
}
源码分析-1
-
refCounts（引用计数，类型是InlineRefCounts，而InlineRefCounts是一个类RefCounts的别名，占8个字节），swift采用arc引用计数
源码分析-2
总结
-
对于实例对象
t来说，其本质是一个HeapObject结构体，默认16字节内存大小（Metadata8字节 +refCounts8字节），与OC的对比如下 -
OC中实例对象的本质是
结构体，是以objc_object为模板继承的，其中有一个isa指针，占8字节 -
Swift中对象的内存分配流程是：
__allocating_init --> swift_allocObject_ --> _swift_allocObject --> swift_slowAlloc --> malloc - init在其中的职责就是初始化变量，这点与OC中是一致的
针对上面的分析，我们还遗留了两个问题：Metadata是什么，40是怎么计算的？下面来继续探索
在demo中，我们可以通过Runtime方法获取类的内存大小
@H_617_404@
源码分析-3
这点与在源码调试时左边local的requiredSize值是相等的，从HeapObject的分析中我们知道了，一个类在没有任何属性的情况下，默认占用16字节大小，
对于Int、String类型，进入其底层定义,两个都是结构体类型，那么是否都是8字节呢？可以通过打印其内存大小来验证
//********* Int底层定义 *********
@frozen public struct Int : FixedWidthInteger, SignedInteger {...}
//********* String底层定义 *********
@frozen public struct String {...}
//********* 验证 *********
print(MemoryLayout<Int>.stride)
print(MemoryLayout<String>.stride)
//********* 打印结果 *********
8
16从打印的结果中可以看出，Int类型占8字节，String类型占16字节（后面文章会进行详细讲解），这点与OC中是有所区别的
所以这也解释了为什么CJLTeacher的内存大小等于40，即40 = Metadata（8字节） +refCount（8字节）+ Int（8字节）+ String（16字节）
这里验证了40的来源，但是Metadata是什么还不知道，继续往下分析
探索Swift中类的结构
在OC中类是从objc_class模板继承过来的，具体的参考这篇文章iOS-底层原理 08：类 & 类结构分析
而在Swift中，类的结构在底层是HeapObject，其中有 Metadata + refCounts
HeapMetadata类型分析
下面就来分析Metadata，看看它到底是什么？
using HeapMetadata = TargetHeapMetaData<Inprocess>;- 进入
TargetHeapMetaData定义，其本质是一个模板类型，其中定义了一些所需的数据结构。这个结构体中没有属性，只有初始化方法，传入了一个MetadataKind类型的参数（该结构体没有，那么只有在父类中了）这里的kind就是传入的Inprocess
//模板类型
template <typename Runtime>
struct TargetHeapMetadata : TargetMetadata<Runtime> {
using HeaderType = TargetHeapMetadataHeader<Runtime>;
TargetHeapMetadata() = default;
//初始化方法
constexpr TargetHeapMetadata(MetadataKind kind)
: TargetMetadata<Runtime>(kind) {}
#if SWIFT_OBJC_INTEROP
constexpr TargetHeapMetadata(TargetAnyClassMetadata<Runtime> *isa)
: TargetMetadata<Runtime>(isa) {}
#endif
};- 进入
TargetMetaData定义，有一个kind属性，kind的类型就是之前传入的Inprocess。从这里可以得出，对于kind，其类型就是unsigned long，主要用于区分是哪种类型的元数据
//******** TargetMetaData 定义 ********
struct TargetMetaData{
using StoredPointer = typename Runtime: StoredPointer;
...
StoredPointer kind;
}
//******** Inprocess 定义 ********
struct Inprocess{
...
using StoredPointer = uintptr_t;
...
}
//******** uintptr_t 定义 ********
typedef unsigned long uintptr_t;从TargetHeapMetadata、TargetMetaData定义中，均可以看出初始化方法中参数kind的类型是MetadataKind
| name | value |
|---|---|
| Class | 0x0 |
| Struct | 0x200 |
| Enum | 0x201 |
| Optional | 0x202 |
| ForeignClass | 0x203 |
| Opaque | 0x300 |
| Tuple | 0x301 |
| Function | 0x302 |
| Existential | 0x303 |
| Metatype | 0x304 |
| ObjcclassWrapper | 0x305 |
| ExistentialMetatype | 0x306 |
| HeapLocalVariable | 0x400 |
| HeapGenericLocalVariable | 0x500 |
| ErrorObject | 0x501 |
| LastEnumerated | 0x7FF |
-
回到
TargetMetaData结构体定义中，找方法getClassObject，在该方法中去匹配kind返回值是TargetClassMetadata类型 - 如果是
Class，则直接对this（当前指针，即Metadata）强转为ClassMetadata
const TargetClassMetadata<Runtime> *getClassObject() const;
//******** 具体实现 ********
template<> inline const ClassMetadata *
Metadata::getClassObject() const {
//匹配kind
switch (getKind()) {
//如果kind是class
case MetadataKind::Class: {
// Native Swift class Metadata is also the class object.
//将当前指针强转为ClassMetadata类型
return static_cast<const ClassMetadata *>(this);
}
case MetadataKind::ObjcclassWrapper: {
// Objective-C class objects are referenced by their Swift Metadata wrapper.
auto wrapper = static_cast<const ObjcclassWrapperMetadata *>(this);
return wrapper->Class;
}
// Other kinds of types don't have class objects.
default:
return nullptr;
}
}这一点，我们可以通过lldb来验证
-
po Metadata->getKind()，得到其kind是Class po Metadata->getClassObject()、x/8g 0x0000000110efdc70，这个地址中存储的是元数据信息!
源码分析-4
所以，TargetMetadata 和 TargetClassMetadata 本质上是一样的，因为在内存结构中，可以直接进行指针的转换，所以可以说，我们认为的结构体，其实就是TargetClassMetadata
template <typename Runtime>
struct TargetClassMetadata : public TargetAnyClassMetadata<Runtime> {
...
//swift特有的标志
ClassFlags Flags;
//实力对象内存大小
uint32_t InstanceSize;
//实例对象内存对齐方式
uint16_t InstanceAlignMask;
//运行时保留字段
uint16_t Reserved;
//类的内存大小
uint32_t ClassSize;
//类的内存首地址
uint32_t ClassAddresspoint;
...
}template <typename Runtime>
struct TargetAnyClassMetadata : public TargetHeapMetadata<Runtime> {
...
ConstTargetMetadataPointer<Runtime, swift::TargetClassMetadata> Superclass;
TargetPointer<Runtime, void> CacheData[2];
StoredSize Data;
...
}总结
综上所述，当Metadata的kind为Class时，有如下继承链：
源码分析-5
-
当前类返回的实际类型是
TargetClassMetadata,而TargetMetaData中只有一个属性kind，TargetAnyClassMetaData中有4个属性，分别是kind， superclass，cacheData、data（图中未标出） - 当前
Class在内存中所存放的属性由TargetClassMetadata属性 +TargetAnyClassMetaData属性 +TargetMetaData属性 构成，所以得出的Metadata的数据结构体如下所示
struct swift_class_t: NSObject{
void *kind;//相当于OC中的isa，kind的实际类型是unsigned long
void *superClass;
void *cacheData;
void *data;
uint32_t flags; //4字节
uint32_t instanceAddressOffset;//4字节
uint32_t instanceSize;//4字节
uint16_t instanceAlignMask;//2字节
uint16_t reserved;//2字节
uint32_t classSize;//4字节
uint32_t classAddressOffset;//4字节
void *description;
...
}与OC对比
-
实例对象 & 类
-
OC中的
实例对象本质是结构体，是通过底层的objc_object模板创建，类是继承自objc_class -
Swift中的
实例对象本质也是结构体，类型是HeapObject，比OC多了一个refCounts -
方法列表
-
OC中的方法存储在objc_class结构体class_rw_t的methodList中 -
引用计数
-
OC中的ARC维护的是
散列表 - Swift中的ARC是对象内部有一个
refCounts属性
Swift属性
在swift中，属性主要分为以下几种
存储属性
存储属性，又分两种：
定义如下代码
class CJLTeacher{
var age: Int = 18
var name: String = "CJL"
}
let t = CJLTeacher()其中代码中的age、name来说，都是变量存储属性，这一点可以在SIL中体现
class CJLTeacher {
//_hasstorage 表示是存储属性
@_hasstorage @_hasInitialValue var age: Int { get set }
@_hasstorage @_hasInitialValue var name: String { get set }
@objc deinit
init()
}存储属性特征：会占用占用分配实例对象的内存空间
下面我们同断点调试来验证
计算属性
计算属性：是指不占用内存空间，本质是set/get方法的属性
我们通过一个demo来说明，以下写法正确吗？
class CJLTeacher{
var age: Int{
get{
return 18
}
set{
age = newValue
}
}
}在实际编程中，编译器会报以下警告，其意思是在age的set方法中又调用了age.set
属性-3
然后运行发现崩溃了，原因是age的set方法中调用age.set导致了循环引用，即递归
属性-4
验证：不占内存
对于其不占用内存空间这一特征，我们可以通过以下案例来验证，打印以下类的内存大小
class Square{
var width: Double = 8.0
var area: Double{
get{
//这里的return可以省略，编译器会自动推导
return width * width
}
set{
width = sqrt(newValue)
}
}
}
print(class_getInstanceSize(Square.self))
//********* 打印结果 *********
24从结果可以看出类Square的内存大小是24，等于 （Metadata + refCounts）类自带16字节 + width（8字节） = 24，是没有加上area的。从这里可以证明 area属性没有占有内存空间。
验证：本质是set/get方法
class Square {
@_hasstorage @_hasInitialValue var width: Double { get set }
var area: Double { get set }
@objc deinit
init()
}
属性观察者（didSet、willSet）
验证
- 可以通过demo来验证
class CJLTeacher{
var name: String = "测试"{
//新值存储之前调用
willSet{
print("willSet newValue \(newValue)")
}
//新值存储之后调用
didSet{
print("didSet oldValue \(oldValue)")
}
}
}
var t = CJLTeacher()
t.name = "CJL"
//**********打印结果*********
willSet newValue CJL
didSet oldValue 测试
问题1：init方法中是否会触发属性观察者？
以下代码中，init方法中设置name，是否会触发属性观察者？
class CJLTeacher{
var name: String = "测试"{
//新值存储之前调用
willSet{
print("willSet newValue \(newValue)")
}
//新值存储之后调用
didSet{
print("didSet oldValue \(oldValue)")
}
}
init() {
self.name = "CJL"
}
}运行结果发现，并没有走willSet、didSet中的打印方法，所以有以下结论：
【总结】：初始化器（即init方法设置）和定义时设置默认值（即在didSet中调用其他属性值）都不会触发
主要有以下三个地方可以添加：
class CJLMediumTeacher: CJLTeacher{
override var age: Int{
//新值存储之前调用
willSet{
print("willSet newValue \(newValue)")
}
//新值存储之后调用
didSet{
print("didSet oldValue \(oldValue)")
}
}
}- 3、通过类
继承的计算属性
class CJLTeacher{
var age: Int = 18
var age2: Int {
get{
return age
}
set{
self.age = newValue
}
}
}
var t = CJLTeacher()
class CJLMediumTeacher: CJLTeacher{
override var age: Int{
//新值存储之前调用
willSet{
print("willSet newValue \(newValue)")
}
//新值存储之后调用
didSet{
print("didSet oldValue \(oldValue)")
}
}
override var age2: Int{
//新值存储之前调用
willSet{
print("willSet newValue \(newValue)")
}
//新值存储之后调用
didSet{
print("didSet oldValue \(oldValue)")
}
}
}问题3：子类和父类的计算属性同时存在didset、willset时，其调用顺序是什么？
class CJLTeacher{
var age: Int = 18{
//新值存储之前调用
willSet{
print("父类 willSet newValue \(newValue)")
}
//新值存储之后调用
didSet{
print("父类 didSet oldValue \(oldValue)")
}
}
var age2: Int {
get{
return age
}
set{
self.age = newValue
}
}
}
class CJLMediumTeacher: CJLTeacher{
override var age: Int{
//新值存储之前调用
willSet{
print("子类 newValue \(newValue)")
}
//新值存储之后调用
didSet{
print("子类 didSet oldValue \(oldValue)")
}
}
}
var t = CJLMediumTeacher()
t.age = 20运行结果如下：
属性-7
结论：对于同一个属性，子类和父类都有属性观察者，其顺序是：先子类willset，后父类willset，在父类didset， 子类的didset，即：子父 父子
在问题3的基础，修改CJLMediumTeacher类
class CJLMediumTeacher: CJLTeacher{
override var age: Int{
//新值存储之前调用
willSet{
print("子类 willSet newValue \(newValue)")
}
//新值存储之后调用
didSet{
print("子类 didSet oldValue \(oldValue)")
}
}
override init() {
super.init()
self.age = 20
}
}
//****** 打印结果 ******
子类 willSet newValue 20
父类 willSet newValue 20
父类 didSet oldValue 18
子类 didSet oldValue 18从打印结果发现，会触发属性观察者，主要是因为子类调用了父类的init，已经初始化过了，而初始化流程保证了所有属性都有值（即super.init确保变量初始化完成了），所以可以观察属性了
延迟属性
延迟属性主要有以下几点说明：
下面来一一进行分析
1、使用lazy修饰的存储属性
class CJLTeacher{ lazy var age: Int = 18}如果定义为可选类型，则会报错，如下所示
属性-8
3、延迟存储在第一次访问的时候才被赋值
可以通过调试，来查看实例变量的内存变化
我们也可以通过sil文件来查看，这里可以在生成sil文件时，加上还原swift中混淆名称的命令(即xcrun swift-demangle)：swiftc -emit-sil main.swift | xcrun swift-demangle >> ./main.sil && code main.sil，demo代码如下
class CJLTeacher{ lazy var age: Int = 18}var t = CJLTeacher()t.age = 30
属性-11
通过sil，有以下两点说明：
-
1、
lazy修饰的属性，在底层默认是optional，在没有被访问时，默认是nil，在内存中的表现就是0x0。在第一次访问过程中，调用的是属性的getter方法，其内部实现是通过当前enum的分支，来进行一个赋值操作 -
2、可选类型是16字节吗？可以通过
MemoryLayout打印 -
size：实际大小
- stride：分配大小（主要是由于内存对齐）
print(MemoryLayout<Optional<Int>>.stride)
print(MemoryLayout<Optional<Int>>.size)
//*********** 打印结果 ***********
16
9为什么实际大小是9？Optional其本质是一个enum，其中Int占8字节，另一个字节主要用于存储case值（这个后续会详细讲解）
4、延迟存储属性并不能保证线程安全
继续分析3中sil文件，主要是查看age的getter方法，如果此时有两个线程：
-
线程1此时访问age，其age是没有值的，进入bb2流程 -
然后时间片将cpu分配给了
线程2，对于optional来说，依然是none，同样可以走到bb2流程 - 所以，在此时，线程1会走一遍赋值，线程2也会走一遍赋值，并
不能保证属性只初始化了一次
5、延迟存储属性对实例对象大小的影响
下面来继续看下不使用lazy的内存与使用lazy的内存是否有变化？
不使用lazy修饰的情况，类的内存大小是24
属性-13-
使用lazy修饰的情况下，类的内存大小是32
属性-14
从而可以证明，使用lazy和不使用lazy，其实例对象的内存大小是不一样的
类型属性
类型属性，主要有以下几点说明：
1、使用关键字static修饰
class CJLTeacher{
static var age: Int = 18
}
// **** 使用 ****
var age = CJLTeacher.age
属性-16
- 查看age的getter方法
属性-17
-
其中
globalinit_029_12232F587A4C5CD8B1EEDF696793B2FC_func0是全局变量初始化函数
属性-18
-
builtin "once"，通过断点调试，发现调用的是swift_once，表示属性只初始化一次
属性-19
- 源码中搜索
swift_once，其内部是通过GCD的dispatch_once_f 单例实现。从这里可以验证上面的第3点
void swift::swift_once(swift_once_t *predicate, void (*fn)(void *),
void *context) {
#if defined(__APPLE__)
dispatch_once_f(predicate, context, fn);
#elif defined(__CYGWIN__)
_swift_once_f(predicate, context, fn);
#else
std::call_once(*predicate, [fn, context]() { fn(context); });
#endif
}如下图所示，如果没有给默认的初始值，会报错
属性-20
所以对于类型属性来说，一是全局变量，只初始化一次，二是线程安全的
单例的创建
//****** Swift单例 ******
class CJLTeacher{
//1、使用 static + let 创建声明一个实例对象
static let shareInstance = CJLTeacher.init()
//2、给当前init添加private访问权限
private init(){ }
}
//使用(只能通过单例，不能通过init)
var t = CJLTeacher.shareInstance
//****** OC单例 ******
@implementation CJLTeacher
+ (instancetype)shareInstance{
static CJLTeacher *shareInstance = nil;
dispatch_once_t oncetoken;
dispatch_once(&oncetoken, ^{
shareInstance = [[CJLTeacher alloc] init];
});
return shareInstance;
}
@end总结
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-
存储属性会占用实例变量的内存空间，且 -
属性观察者
-
延迟存储属性
-
只有在
第一次被访问时才会被赋值，且是线程不安全的 -
使用lazy和不使用lazy，会
对实例对象的内存大小有影响，主要是因为lazy在底层是optional类型，optional的本质是enum，除了存储属性本身的内存大小，还需要一个字节用于存储case -
类型属性
-
使用
static + let创建实例变量 -
init方法的访问权限为private - 用于创建
单例对象：
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