案例代碼下載

內(nèi)存安全

默認(rèn)情況下飒筑，Swift可以防止代碼中發(fā)生不安全行為。例如，Swift確保變量在使用之前進(jìn)行初始化超营，在取消分配后不訪問(wèn)內(nèi)存，并檢查數(shù)組索引是否存在越界錯(cuò)誤阅虫。

Swift還確保對(duì)同一內(nèi)存區(qū)域的多次訪問(wèn)不會(huì)發(fā)生沖突演闭，因?yàn)樾枰薷膬?nèi)存中某個(gè)位置的代碼才能對(duì)該內(nèi)存進(jìn)行獨(dú)占訪問(wèn)。因?yàn)镾wift自動(dòng)管理內(nèi)存颓帝，所以大多數(shù)時(shí)候根本不需要考慮訪問(wèn)內(nèi)存米碰。但是，了解潛在沖突可能發(fā)生的位置非常重要购城，這樣就可以避免編寫(xiě)對(duì)內(nèi)存具有沖突訪問(wèn)權(quán)限的代碼吕座。如果代碼確實(shí)包含沖突，那么將收到編譯時(shí)或運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤瘪板。

了解對(duì)內(nèi)存的沖突訪問(wèn)

當(dāng)執(zhí)行諸如設(shè)置變量的值或?qū)?shù)傳遞給函數(shù)之類的操作時(shí)米诉，會(huì)在代碼中訪問(wèn)內(nèi)存。例如篷帅，以下代碼包含讀寫(xiě)內(nèi)存：

var one = 1
print("We're number \(one)!")

/*
打印結(jié)果：

We're number 1!
*/

當(dāng)代碼的不同部分試圖同時(shí)訪問(wèn)內(nèi)存中的相同位置時(shí)史侣，可能會(huì)發(fā)生沖突的內(nèi)存訪問(wèn)拴泌。同時(shí)多次訪問(wèn)內(nèi)存中的某個(gè)位置會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)或不一致的行為。在Swift中惊橱，有一些方法可以修改跨越多行代碼的值蚪腐，從而可以嘗試在自己修改的過(guò)程中訪問(wèn)一個(gè)值。

通過(guò)考慮如何更新寫(xiě)在紙上的預(yù)算税朴，可以看到類似的問(wèn)題回季。更新預(yù)算的過(guò)程分為兩步：首先添加項(xiàng)目的名稱和價(jià)格，然后更改總金額以反映列表中當(dāng)前的項(xiàng)目正林。在更新之前和之后泡一，可以從預(yù)算中讀取任何信息并獲得正確答案，如下圖所示觅廓。

image

當(dāng)在預(yù)算中添加項(xiàng)目時(shí)鼻忠，它處于臨時(shí)無(wú)效狀態(tài)，因?yàn)榭偨痤~尚未更新以反映新添加的項(xiàng)目杈绸。在添加項(xiàng)目的過(guò)程中讀取總金額會(huì)導(dǎo)致不正確的信息帖蔓。

此示例還演示了在修復(fù)對(duì)內(nèi)存的沖突訪問(wèn)時(shí)可能遇到的挑戰(zhàn)：有時(shí)有多種方法可以解決產(chǎn)生不同答案的沖突，并且并不總是很明顯哪個(gè)答案是正確的瞳脓。在此示例中塑娇，根據(jù)是否需要原始總金額或更新的總金額， 320可能是正確的答案劫侧。在修復(fù)沖突訪問(wèn)之前埋酬，必須確定要執(zhí)行的操作。

注意

如果編寫(xiě)了并發(fā)或多線程代碼烧栋，則對(duì)內(nèi)存的沖突訪問(wèn)可能是一個(gè)熟悉的問(wèn)題写妥。但是，此處討論的沖突訪問(wèn)可能發(fā)生在單個(gè)線程上劲弦，并且不涉及并發(fā)或多線程代碼。

如果在單個(gè)線程中存在對(duì)內(nèi)存的沖突訪問(wèn)醇坝，Swift會(huì)保證您在編譯時(shí)或運(yùn)行時(shí)都會(huì)收到錯(cuò)誤邑跪。對(duì)于多線程代碼，請(qǐng)使用Thread Sanitizer來(lái)幫助檢測(cè)跨線程的沖突訪問(wèn)呼猪。

內(nèi)存訪問(wèn)的特征

在沖突訪問(wèn)的上下文中要考慮存儲(chǔ)器訪問(wèn)的三個(gè)特征：訪問(wèn)是讀取還是寫(xiě)入画畅，訪問(wèn)的持續(xù)時(shí)間以及訪問(wèn)的存儲(chǔ)器中的位置。具體而言宋距，如果有兩個(gè)滿足以下所有條件的訪問(wèn)轴踱，則會(huì)發(fā)生沖突：

• 至少一個(gè)是寫(xiě)訪問(wèn)。
• 他們?cè)L問(wèn)內(nèi)存中的相同位置谚赎。
• 他們的持續(xù)時(shí)間重疊淫僻。

讀寫(xiě)訪問(wèn)之間的區(qū)別通常很明顯：寫(xiě)訪問(wèn)會(huì)更改內(nèi)存中的位置诱篷，但讀訪問(wèn)不會(huì)。內(nèi)存中的位置是指正在訪問(wèn)的內(nèi)容 - 例如雳灵，變量棕所，常量或?qū)傩浴４鎯?chǔ)器訪問(wèn)的持續(xù)時(shí)間是瞬時(shí)的或長(zhǎng)期的悯辙。

如果在訪問(wèn)開(kāi)始之后但在結(jié)束之前其他代碼無(wú)法運(yùn)行琳省，則訪問(wèn)是即時(shí)的。就其本質(zhì)而言躲撰，兩次即時(shí)訪問(wèn)不可能同時(shí)發(fā)生针贬。大多數(shù)內(nèi)存訪問(wèn)都是即時(shí)的。例如拢蛋，下面代碼清單中的所有讀寫(xiě)訪問(wèn)都是即時(shí)的：

func oneMore(than number: Int) -> Int {
    return number + 1
}
var myNumber = 1
myNumber = oneMore(than: myNumber)
print(myNumber)

/*
打印結(jié)果：

2
*/

但是桦他，有幾種方法可以訪問(wèn)內(nèi)存，稱為長(zhǎng)期訪問(wèn)瓤狐，跨越其他代碼的執(zhí)行瞬铸。即時(shí)訪問(wèn)和長(zhǎng)期訪問(wèn)之間的區(qū)別在于，其他代碼可以在長(zhǎng)期訪問(wèn)開(kāi)始之后但在結(jié)束之前運(yùn)行础锐，這稱為重疊嗓节。長(zhǎng)期訪問(wèn)可以與其他長(zhǎng)期訪問(wèn)和即時(shí)訪問(wèn)重疊。

重疊訪問(wèn)主要出現(xiàn)在使用函數(shù)和方法中的輸入輸出參數(shù)或結(jié)構(gòu)的mutating方法的代碼中皆警。使用長(zhǎng)期訪問(wèn)的特定Swift代碼類型將在下面的部分中討論拦宣。

對(duì)In-Out參數(shù)的訪問(wèn)沖突

函數(shù)具有對(duì)其所有輸入輸出參數(shù)的長(zhǎng)期寫(xiě)訪問(wèn)權(quán)。對(duì)in-out參數(shù)的寫(xiě)訪問(wèn)開(kāi)始于所有非in-out參數(shù)評(píng)估之后并且持續(xù)該函數(shù)調(diào)用的整個(gè)持續(xù)時(shí)間信姓。如果有多個(gè)輸入輸出參數(shù)鸵隧，則寫(xiě)訪問(wèn)的開(kāi)始順序與參數(shù)顯示的順序相同。

這種長(zhǎng)期寫(xiě)入訪問(wèn)的一個(gè)結(jié)果是無(wú)法訪問(wèn)作為輸入輸出傳遞的原始變量意推，即使范圍規(guī)則和訪問(wèn)控制允許它 - 任何對(duì)原始數(shù)據(jù)的訪問(wèn)都會(huì)產(chǎn)生沖突豆瘫。例如：

var stepSize = 1
func increment(_ number: inout Int) {
    number += stepSize
}
increment(&stepSize) // 錯(cuò)誤：沖突反問(wèn)stepSize

在上面的代碼中，stepSize是一個(gè)全局變量菊值，它通惩馇可以從increment(_:)內(nèi)部訪問(wèn)。但是腻窒，讀訪問(wèn)stepSize與寫(xiě)訪問(wèn)重疊number昵宇。如在下文中的圖所示，兩者number并stepSize在存儲(chǔ)器中指代相同的位置儿子。讀和寫(xiě)訪問(wèn)指的是相同的內(nèi)存瓦哎，它們重疊，產(chǎn)生沖突。

image

解決這種沖突的一種方法是制作一份明確的副本stepSize：

var copyOfStepSize = stepSize // 制作一個(gè)副本
increment(&copyOfStepSize)
stepSize = copyOfStepSize

當(dāng)stepSize在increment(_:)調(diào)用之前復(fù)制蒋譬，很明顯割岛，copyOfStepSize的值通過(guò)當(dāng)前的stepSize增加。讀訪問(wèn)在寫(xiě)訪問(wèn)開(kāi)始之前結(jié)束羡铲，因此不存在沖突蜂桶。

對(duì)輸入輸出參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期寫(xiě)訪問(wèn)的另一個(gè)后果是，將單個(gè)變量作為同一函數(shù)的多個(gè)輸入輸出參數(shù)的參數(shù)傳遞會(huì)產(chǎn)生沖突也切。例如：

func balance(_ x: inout Int, _ y: inout Int) {
    let sum = x + y
    x = sum/2
    y = sum - x
}
var playerOneScore = 42
var playerTwoScore = 30
balance(&playerOneScore, &playerTwoScore) // 可以
balance(&playerOneScore, &playerOneScore) // 錯(cuò)誤：沖突反問(wèn)playerOneScore

上面的balance(::)函數(shù)修改了它的兩個(gè)參數(shù)扑媚，以便在它們之間平均分配總值。使用playerOneScore和playerTwoScore作為參數(shù)調(diào)用它不會(huì)產(chǎn)生沖突 - 有兩個(gè)寫(xiě)訪問(wèn)在時(shí)間上重疊雷恃，但它們?cè)L問(wèn)內(nèi)存中的不同位置疆股。相反，playerOneScore作為兩個(gè)參數(shù)的值傳遞會(huì)產(chǎn)生沖突倒槐，因?yàn)樗噲D同時(shí)對(duì)內(nèi)存中的同一位置執(zhí)行兩次寫(xiě)訪問(wèn)旬痹。

注意

因?yàn)檫\(yùn)算符是函數(shù)，所以它們也可以長(zhǎng)期訪問(wèn)其輸入輸出參數(shù)讨越。例如两残，如果balance(::)是一個(gè)名為<^>的運(yùn)算符函數(shù)，則寫(xiě)playerOneScore <^> playerOneScore將導(dǎo)致與balance(&playerOneScore, &playerOneScore)相同的沖突把跨。

方法中的self沖突

結(jié)構(gòu)上的mutating方法在方法調(diào)用期間具有對(duì)self的寫(xiě)訪問(wèn)權(quán)人弓。例如，考慮一種游戲着逐，其中每個(gè)玩家具有健康量崔赌，其在受到傷害時(shí)減少，還具有能量值耸别，并且能量量在使用特殊能力時(shí)減少健芭。

struct Player {
    var name: String
    var health: Int
    var energy: Int
    
    static let maxHealth = 10
    mutating func restoreHealth() {
        health = Player.maxHealth
    }
}

在上面的restoreHealth()方法中，self寫(xiě)入訪問(wèn)從方法的開(kāi)頭開(kāi)始并持續(xù)到方法返回秀姐。在這種情況下慈迈，內(nèi)部沒(méi)有其他restoreHealth()代碼可以重疊訪問(wèn)Player實(shí)例的屬性。下面的shareHealth(with:)方法將另一個(gè)Player實(shí)例作為輸入輸出參數(shù)省有，從而創(chuàng)建重疊訪問(wèn)的可能性痒留。

extension Player {
    mutating func shareHealth(with teammate: inout Player) {
        balance(&teammate.health, &health)
    }
}
var oscar = Player(name: "Oscar", health: 10, energy: 10)
var maria = Player(name: "Maria", health: 5, energy: 10)
oscar.shareHealth(with: &maria) // 可以

在上面的示例中，調(diào)用Oscar游戲者的shareHealth(with:)方法與Maria共享健康狀態(tài)不會(huì)導(dǎo)致沖突锥咸。在方法調(diào)用期間對(duì)oscar存在寫(xiě)訪問(wèn)權(quán)狭瞎，因?yàn)閛scar是的mutating方法中self的值细移，并且maria在相同的持續(xù)時(shí)間內(nèi)存在寫(xiě)訪問(wèn)權(quán)搏予，因?yàn)樗黰aria是作為輸入輸出參數(shù)傳遞的。如下圖所示弧轧，它們?cè)L問(wèn)內(nèi)存中的不同位置雪侥。即使兩個(gè)寫(xiě)訪問(wèn)在時(shí)間上重疊碗殷，它們也不會(huì)發(fā)生沖突。

image

但是速缨，如果oscar作為參數(shù)傳遞給shareHealth(with:)锌妻，則存在沖突：

oscar.shareHealth(with: &oscar) // 錯(cuò)誤：沖突訪問(wèn)oscar

mutating方法需要在方法的持續(xù)時(shí)間內(nèi)對(duì)self進(jìn)行寫(xiě)訪問(wèn)，并且需要對(duì)輸入輸出參數(shù)teammate相同持續(xù)時(shí)間的寫(xiě)訪問(wèn)權(quán)旬牲。在該方法中仿粹，無(wú)論是self和teammate指的是相同的位置在內(nèi)存如示于下圖中。兩次寫(xiě)訪問(wèn)指的是相同的內(nèi)存原茅，它們重疊吭历，產(chǎn)生沖突。

image

對(duì)屬性的沖突訪問(wèn)

結(jié)構(gòu)擂橘，元組和枚舉等類型由單個(gè)組成值組成晌区，例如結(jié)構(gòu)的屬性或元組的元素。因?yàn)檫@些是值類型通贞，所以改變值的任何部分都會(huì)改變整個(gè)值朗若，這意味著對(duì)其中一個(gè)屬性的讀取或?qū)懭朐L問(wèn)需要對(duì)整個(gè)值進(jìn)行讀取或?qū)懭朐L問(wèn)。例如昌罩，重疊對(duì)元組元素的寫(xiě)訪問(wèn)會(huì)產(chǎn)生沖突：

var playerInformation = (health: 10, enertgy: 10)
balance(&playerInformation.health, &playerInformation.enertgy) // 錯(cuò)誤：沖突訪問(wèn)playerInformation

在上面的示例中哭懈，調(diào)用balance(::)元組的元素會(huì)產(chǎn)生沖突，因?yàn)榇嬖谥丿B的playerInformation寫(xiě)訪問(wèn)峡迷。playerInformation.health和playerInformation.energy雙方都在出參數(shù)银伟，這意味著調(diào)用balance(::)函數(shù)的持續(xù)時(shí)間需要寫(xiě)訪問(wèn)。在這兩種情況下绘搞，對(duì)元組元素的寫(xiě)訪問(wèn)都需要對(duì)整個(gè)元組進(jìn)行寫(xiě)訪問(wèn)彤避。這意味著有兩次寫(xiě)訪問(wèn)playerInformation，持續(xù)時(shí)間重疊夯辖，導(dǎo)致沖突琉预。

下面顯示的代碼，對(duì)于存儲(chǔ)在全局變量中的結(jié)構(gòu)屬性的重寫(xiě)寫(xiě)訪問(wèn)蒿褂，會(huì)出現(xiàn)相同的錯(cuò)誤圆米。

var holly = Player(name: "Holly", health: 10, energy: 10)
balance(&holly.health, &holly.energy) // 錯(cuò)誤

實(shí)際上，大多數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)屬性的訪問(wèn)都可以安全地重疊啄栓。例如娄帖，如果上例中的變量holly更改為局部變量而不是全局變量，則編譯器可以證明對(duì)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)屬性的重疊訪問(wèn)是安全的：

func someFunction() {
    var oscar = Player(name: "Oscar", health: 10, energy: 10)
    balance(&oscar.health, &oscar.energy) // 可以
}
someFunction()

在上面的例子中昙楚，oscar的健康和能量作為兩個(gè)in-out參數(shù)傳遞給balance(::)近速。編譯器可以證明保留了內(nèi)存安全性，因?yàn)閮蓚€(gè)存儲(chǔ)的屬性不會(huì)以任何方式進(jìn)行交互。

為了保持存儲(chǔ)器安全性削葱，并不總是必須限制對(duì)結(jié)構(gòu)屬性的重疊訪問(wèn)奖亚。內(nèi)存安全是理想的保證，但獨(dú)占訪問(wèn)是比內(nèi)存安全更嚴(yán)格的要求 - 這意味著一些代碼可以保持內(nèi)存安全析砸，即使它違反了內(nèi)存的獨(dú)占訪問(wèn)權(quán)限昔字。如果編譯器能夠證明對(duì)內(nèi)存的非獨(dú)占訪問(wèn)仍然是安全的，那么Swift允許這種內(nèi)存安全的代碼首繁。具體而言作郭，如果滿足以下條件，則可以證明對(duì)結(jié)構(gòu)屬性的重疊訪問(wèn)是安全的：

• 只訪問(wèn)實(shí)例的存儲(chǔ)屬性弦疮，而不是計(jì)算屬性或類屬性所坯。
• 結(jié)構(gòu)是局部變量的值，而不是全局變量挂捅。
• 結(jié)構(gòu)要么不被任何閉包捕獲芹助，要么僅由非逃逸閉包捕獲。

如果編譯器無(wú)法證明訪問(wèn)是安全的闲先，則不允許訪問(wèn)状土。