swift 進(jìn)階：類的結(jié)構(gòu)

swift 進(jìn)階之路：學(xué)習(xí)大綱

前言

類似于OC的源碼分析铸题，對于swift的研究迄汛，我們也從類的創(chuàng)建為出發(fā)點進(jìn)行分析蓖墅，然后分析類的底層結(jié)構(gòu)桐磁，從而了解類的本質(zhì)等等士复。

一炭懊、類的初探

我們先看看類的創(chuàng)建流程和類的大概結(jié)構(gòu)

1.0 對象的創(chuàng)建流程

對象初始化

OC: [[HJPerosn alloc] init]尉姨，一般alloc申請內(nèi)存空間并創(chuàng)建對象庵朝，init對象進(jìn)行統(tǒng)一初始化處理。

Swift： HJPerosn()又厉，直接()就完成了對象的創(chuàng)建九府。

開啟匯編調(diào)試：

例子一：在swift工程中，創(chuàng)建一個類繼承NSObject

通過斷點調(diào)試我們會發(fā)現(xiàn)：這個類的創(chuàng)建流程開始走 OC的流程：__allocting_init ->objc_allocWithZone...... 原因就是HJPerson 繼承了NSObject覆致，原因是跟swift的派發(fā)機制有關(guān)侄旬，后面再深入的研究。

例子二：如下不繼承NSObject

通過斷點調(diào)試我們會發(fā)現(xiàn)：這個類的創(chuàng)建流程開始走 OC的流程：__allocting_init ->swift_allocObject煌妈；
繼續(xù)添加符號斷點：

最后：swift對象創(chuàng)建流程：
__allocating_init -> swift_allocObject -> swift_allocObject -> swift_slowAlloc ->...

在VSCode中的源碼里儡羔，根據(jù)此流程逐漸對其源碼進(jìn)行分析如下：

1.1 swift_allocObject 源碼分析

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));//分配內(nèi)存+字節(jié)對齊

 //注意:這依賴于c++ 17保證的無空指針語義
//檢查我們在Windows上觀察到的新分配器的位置，
// Linux和macOS璧诵。
  new (object) HeapObject(metadata);//初始化一個實例對象

  //如果啟用了泄漏跟蹤笔链，請開始跟蹤此對象。
  SWIFT_LEAKS_START_TRACKING_OBJECT(object);

  SWIFT_RT_TRACK_INVOCATION(object, swift_allocObject);

  return object;
}

swift_allocObject的源碼如下腮猖，主要有以下幾部分
- 通過swift_slowAlloc分配內(nèi)存鉴扫，并進(jìn)行內(nèi)存字節(jié)對齊
- 通過new + HeapObject + metadata初始化一個實例對象
- 函數(shù)的返回值是HeapObject類型，所以當(dāng)前對象的內(nèi)存結(jié)構(gòu)就是HeapObject的內(nèi)存結(jié)構(gòu)

1.2 swift_allocObject 源碼分析

void *swift::swift_slowAlloc(size_t size, size_t alignMask) {
  void *p;
  //這個檢查也強制“默認(rèn)”對齊使用AlignedAlloc澈缺。  if (alignMask <= MALLOC_ALIGN_MASK) {
#if defined(__APPLE__)
    p = malloc_zone_malloc(DEFAULT_ZONE(), size);
#else
    p = malloc(size);// 堆中創(chuàng)建size大小的內(nèi)存空間坪创，用于存儲實例變量
#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;
}

進(jìn)入swift_slowAlloc函數(shù)，其內(nèi)部主要是通過malloc_zone_malloc在堆中分配size大小的內(nèi)存空間姐赡，并返回內(nèi)存地址莱预，主要是用于存儲實例變量

1.3 查看HeapObject 并計算類的大小

// The members of the HeapObject header that are not shared by a
// standard Objective-C instance
#define SWIFT_HEAPOBJECT_NON_OBJC_MEMBERS       \
  InlineRefCounts refCounts ///引用計數(shù)

/// The Swift heap-object header.
/// This must match RefCountedStructTy in IRGen.
struct HeapObject {
  /// This is always a valid pointer to a metadata object.
  HeapMetadata const *metadata;/// 元數(shù)據(jù)

  SWIFT_HEAPOBJECT_NON_OBJC_MEMBERS; ///引用計數(shù)

metadata：是 HeapMetedata類型
refCounts : 引用計數(shù)

【總結(jié)】

Swift中實例對象，默認(rèn)的比OC中多了一個refCounted引用計數(shù)大小项滑，默認(rèn)屬性占16字節(jié) : metadata(struct)8字節(jié)和refCounts(class)8字節(jié)

OC中實例對象的本質(zhì)是結(jié)構(gòu)體依沮，是以objc_object為模板繼承的，其中有一個isa指針枪狂，占8字節(jié)

1.4【驗證+拓展】

//驗證
class HJPerson {
}

class ViewController: UIViewController {

    override func viewDidLoad() {
        super.viewDidLoad()
        print(class_getInstanceSize(HJPerson.self))
    }
}
打印 ： 16

//拓展
class HJPerson {
    var age : Int = 20
    var name : String = "HJ"
}

class ViewController: UIViewController {

    override func viewDidLoad() {
        super.viewDidLoad()
        print(class_getInstanceSize(HJPerson.self))
    }
}
打印 ： 40

驗證的確一個空類的大小為16危喉；那么為啥第二個是40呢？
我們通過打印Int 和 String 內(nèi)存大小來驗證

//********* Int底層定義 *********
@frozen public struct Int : FixedWidthInteger, SignedInteger {...}

//String底層定義
@frozen public struct String {...}

//驗證 
print(MemoryLayout<Int>.stride)
print(MemoryLayout<String>.stride)

打印
8
16

從打印的結(jié)果中可以看出州疾，Int類型占8字節(jié)辜限，String類型占16字節(jié)，這點與OC中是有所區(qū)別的严蓖，以后再進(jìn)行詳細(xì)講解吧薄嫡。
所以這也解釋了為什么HJPerson的內(nèi)存大小等于40氧急，即40 = metadata（8字節(jié)） +refCount（8字節(jié)）+ Int（8字節(jié)）+ String（16字節(jié)）

二、Swift中類的結(jié)構(gòu)探索

在OC中類是從objc_class模板繼承過來的毫深，可參考： iOS 底層探索：類的結(jié)構(gòu)分析

在Swift中吩坝，類的結(jié)構(gòu)在底層是HeapObject，其中有metadata +refCounts

2.1 metadata的底層探索

進(jìn)入HeapMetadata定義哑蔫，是TargetHeapMetaData類型的別名钾恢，接收了一個參數(shù)Inprocess

using HeapMetadata = TargetHeapMetaData<Inprocess>;

進(jìn)入TargetHeapMetaData定義，其本質(zhì)是一個模板類型鸳址，其中定義了一些所需的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)瘩蚪。這個結(jié)構(gòu)體中沒有屬性，只有初始化方法稿黍，傳入了一個MetadataKind類型的參數(shù)（該結(jié)構(gòu)體沒有疹瘦，那么只有在父類中了）這里的kind就是傳入的Inprocess

//模板類型
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) {}

};

進(jìn)入TargetMetaData定義，有一個kind屬性巡球，kind的類型就是之前傳入的Inprocess言沐。從這里可以得出，對于kind酣栈，其類型就是unsigned long险胰，主要用于區(qū)分是哪種類型的元數(shù)據(jù)

// TargetMetaData 定義 
struct TargetMetaData{
   using StoredPointer = typename Runtime: StoredPointer;
    ...
    
    StoredPointer kind;
}

// Inprocess 定義
struct Inprocess{
    ...
    using StoredPointer = uintptr_t;
    ...
}

//******** uintptr_t 定義 ********
typedef unsigned long uintptr_t;

可以看出初始化方法中參數(shù)kind的類型是MetadataKind,

2.2 getClassObject

回到TargetMetaData結(jié)構(gòu)體定義中，找方法getClassObject

 const TargetClassMetadata<Runtime> *getClassObject() const;

//******** 具體實現(xiàn) ********
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.
     //將當(dāng)前指針強轉(zhuǎn)為ClassMetadata類型
     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;
   }
 }

在該方法中去匹配kind返回值是TargetClassMetadata類型

通過lldb來驗證

po metadata->getKind()矿筝，得到其kind是Class

po metadata->getClassObject()起便、x/8g 0x0000000110efdc70，這個地址中存儲的是元數(shù)據(jù)信息!

所以TargetMetadata 和 TargetClassMetadata本質(zhì)上是一樣的窖维，因為在內(nèi)存結(jié)構(gòu)中榆综，可以直接進(jìn)行指針的轉(zhuǎn)換，所以可以說铸史，我們認(rèn)為的結(jié)構(gòu)體鼻疮，其實就是TargetClassMetadata

2.3 TargetClassMetadata

進(jìn)入TargetClassMetadata定義，繼承自TargetAnyClassMetadata琳轿，有以下這些屬性判沟，這也是類結(jié)構(gòu)的部分

template <typename Runtime>
struct TargetClassMetadata : public TargetAnyClassMetadata<Runtime> {
    ...
    //swift特有的標(biāo)志
    ClassFlags Flags;
    //實力對象內(nèi)存大小
    uint32_t InstanceSize;
    //實例對象內(nèi)存對齊方式
    uint16_t InstanceAlignMask;
    //運行時保留字段
    uint16_t Reserved;
    //類的內(nèi)存大小
    uint32_t ClassSize;
    //類的內(nèi)存首地址
    uint32_t ClassAddressPoint;
  ...
}

當(dāng)前類返回的實際類型是 TargetClassMetadata,而TargetMetaData中只有一個屬性kind，TargetAnyClassMetaData中有3個屬性崭篡，分別是kind挪哄， superclass，cacheData
當(dāng)前Class在內(nèi)存中所存放的屬性由 TargetClassMetadata屬性 + TargetAnyClassMetaData屬性 + TargetMetaData屬性構(gòu)成媚送，所以得出的metadata的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體如下所示

struct swift_class_t: NSObject{
    void *kind;//相當(dāng)于OC中的isa中燥，kind的實際類型是unsigned long
    void *superClass;
    void *cacheData;
    void *data;
    uint32_t flags; //4字節(jié)
    uint32_t instanceAddressOffset;//4字節(jié)
    uint32_t instanceSize;//4字節(jié)
    uint16_t instanceAlignMask;//2字節(jié)
    uint16_t reserved;//2字節(jié)
    
    uint32_t classSize;//4字節(jié)
    uint32_t classAddressOffset;//4字節(jié)
    void *description;
    ...
}

三寇甸、分析思路整理

四塘偎、swif與OC 類的結(jié)構(gòu)對比

實例對象 & 類
- OC中的實例對象本質(zhì)是結(jié)構(gòu)體疗涉，是通過底層的objc_object模板創(chuàng)建，類是繼承自objc_class
- Swift中的實例對象本質(zhì)也是結(jié)構(gòu)體吟秩，類型是HeapObject咱扣，比OC多了一個refCounts
引用計數(shù)
- OC中的ARC維護(hù)的是散列表
- Swift中的ARC是對象內(nèi)部有一個refCounts屬性

方法列表
- OC中的方法存儲在objc_class結(jié)構(gòu)體class_rw_t的methodList中
- swift中的方法存儲在 metadata 元數(shù)據(jù)中

swift 進(jìn)階： 類的結(jié)構(gòu)

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