Swift編譯簡(jiǎn)介

我們先來(lái)開(kāi)一段簡(jiǎn)單的代碼：

class SuperMan  {
    var age:Int = 18
    var name:String = "Aaron"
}
let t = SuperMan()

我們創(chuàng)建一個(gè)SuperMan類肉津，并通過(guò)默認(rèn)的初始化器强胰，創(chuàng)建一個(gè)實(shí)例對(duì)象并賦值給了t。
那么問(wèn)題來(lái)了：這個(gè)默認(rèn)的初始化器到底做了一個(gè)什么樣的操作妹沙？
這里我們引入SIL（Swift intermediate language）偶洋，在閱讀SIL的代碼之前，我們先來(lái)了解一下什么是SIL

首先不管是OC還是Swift距糖，后端都是通過(guò)LLVM進(jìn)行編譯的玄窝，如下圖所示：

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swift在編譯過(guò)程中使用的前端編譯器是swiftc,和我們之前在OC中使用的Clang是有所區(qū)別的吗铐。我們可以通過(guò)swiftc -h命令揉阎，來(lái)查看swiftc都能做什么事情

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SIL

SIL參考文檔

• 首先進(jìn)入工程所在的文件夾伤疙，然后執(zhí)行swiftc -emit-sil main.swift | xcrun swift-demangle >> ./main.sil && code main.sil 指令兵睛。對(duì)該指令有疑問(wèn)的同學(xué)，可以點(diǎn)擊這里奋渔，鏈接文章的最后，有對(duì)該指令的詳細(xì)講解壮啊。下方代碼是用VSCode打開(kāi)的main.sil文件嫉鲸，

// t
sil_global hidden @main.t : main.SuperMan : $SuperMan

// main
// '@main': 標(biāo)識(shí)當(dāng)前main.swift的入口函數(shù)。SIL中的標(biāo)識(shí)符名稱以‘@’作為前綴
sil @main : $@convention(c) (Int32, UnsafeMutablePointer<Optional<UnsafeMutablePointer<Int8>>>) -> Int32 {
//'%0歹啼、%1' 在SIL中叫做寄存器玄渗，可以理解為開(kāi)發(fā)中的常量，一旦賦值就不可修改狸眼，如果想繼續(xù)使用藤树，就需要不算的累加數(shù)字（注意：這里的寄存器指的是‘虛擬寄存器’，與匯編指令‘register read %x’讀取的寄存器不同拓萌，匯編指令讀取的是真實(shí)的寄存器）
bb0(%0 : $Int32, %1 : $UnsafeMutablePointer<Optional<UnsafeMutablePointer<Int8>>>):
//‘a(chǎn)lloc_global’ 創(chuàng)建一個(gè)‘全局變量’ --> ‘t
  alloc_global @main.t : main.SuperMan           // id: %2
//‘global_addr’ 獲取全局變量的地址岁钓，并賦值給%3
  %3 = global_addr @main.t : main.SuperMan : $*SuperMan // user: %7
//‘metatype’ 獲取‘Superman’ 的 ‘MetaData’ 賦值給 %4
  %4 = metatype $@thick SuperMan.Type             // user: %6
  // function_ref SuperMan.__allocating_init()
//將 ‘__allocating_init()’ 函數(shù)的地址賦值給 %5
  %5 = function_ref @main.SuperMan.__allocating_init() -> main.SuperMan : $@convention(method) (@thick SuperMan.Type) -> @owned SuperMan // user: %6
//’apply‘ 調(diào)用 ’__allocating_init()‘ 并將返回值 賦值給 %6  
  %6 = apply %5(%4) : $@convention(method) (@thick SuperMan.Type) -> @owned SuperMan // user: %7
//’store‘ 將 %6 的值 存儲(chǔ)到 %3，也就是前面提到的全局變量的地址
  store %6 to %3 : $*SuperMan                     // id: %7
//創(chuàng)建一個(gè)整數(shù)文字值微王，類型為Builtin.Int32屡限，該類型必須為內(nèi)置整數(shù)類型。文字值是使用Swift的整數(shù)文字語(yǔ)法指定的炕倘，值為0钧大，使用者%8
  %8 = integer_literal $Builtin.Int32, 0          // user: %9
//構(gòu)建結(jié)構(gòu)體
  %9 = struct $Int32 (%8 : $Builtin.Int32)        // user: %10
  return %9 : $Int32                              // id: %10
} // end sil function 'main'

• 下面我們結(jié)合匯編進(jìn)行一下斷點(diǎn)調(diào)試。查看一下SuperMan的創(chuàng)建流程罩旋，如下圖打斷點(diǎn)
  
  image.png
  
  在Dubge中選擇Always Show Disassembly
  
  image0.png
  
  接下來(lái)我們會(huì)在匯編代碼中發(fā)現(xiàn)一個(gè)SuperMan.__allocating_init()
  
  image1.png
  
  我們使用si指令跟進(jìn)去會(huì)發(fā)現(xiàn)該方法的內(nèi)部會(huì)調(diào)用SuperMan.init()函數(shù)拓型，并且會(huì)先調(diào)用swift_allocObject函數(shù)。
  
  image2.png

源碼調(diào)試

根據(jù)上面的分析瘸恼，接下來(lái)我們通過(guò)swift_allocObject來(lái)探索swift中對(duì)象的創(chuàng)建過(guò)程，通過(guò)搜索swift_allocObject我們找到了該函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

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• 接下來(lái)我們來(lái)進(jìn)行斷點(diǎn)調(diào)試

  
  
  image4.png
• 可以看到左側(cè)local有詳細(xì)的信息
• 其中requiredSize是分配的實(shí)際內(nèi)存大小册养，為40东帅。其中metadata:8, refCounts:8, age:8, name:16。
• requiredAligmentMask是swift中的字節(jié)對(duì)其方式球拦，這個(gè)和OC中的是一樣的靠闭，必須是8的倍數(shù)，不足的會(huì)自動(dòng)補(bǔ)齊坎炼，目的是以空間換時(shí)間愧膀，來(lái)提高內(nèi)存的操作效率。
  注意：這里的requiredSize和requiredAligmentMask都是上層函數(shù)傳進(jìn)來(lái)的

swift_allocObject 源碼分析

swift_allocObject的源碼如下谣光，主要有一下幾部分組成

• 通過(guò)swift_slowAlloc分配內(nèi)存檩淋，并進(jìn)行內(nèi)存字節(jié)對(duì)齊。
• 通過(guò)new + HeapObject + metadata 初始化一個(gè)實(shí)例對(duì)象
• 函數(shù)的返回值是HeapObject 類型萄金，所以當(dāng)前對(duì)象的內(nèi)存結(jié)構(gòu)就是HeapObject的內(nèi)存結(jié)構(gòu)
  
  image5.png
• 進(jìn)入swift_slowAlloc函數(shù)蟀悦，其內(nèi)部主要是通過(guò)malloc在堆中分配size大小的內(nèi)存空間媚朦，并返回內(nèi)存地址，主要是用于存儲(chǔ)實(shí)例變量
  
  image6.png
• 進(jìn)入HeapObject初始化方法日戈，可以看到兩個(gè)參數(shù)：metadata询张、refCounts
  
  image7.png
• 其中metadata類型是HeapMetadata，是一個(gè)指針類型浙炼，占8個(gè)字節(jié)
• refCounts(引用計(jì)數(shù)份氧，類型是InlineRefCounts，而InlineRefCounts是一個(gè)RefCounts的別名弯屈，占8個(gè)字節(jié))

typedef RefCounts<InlineRefCountBits> InlineRefCounts;

image8.png

總結(jié)

• 對(duì)于實(shí)例對(duì)象t來(lái)說(shuō)蜗帜，其本質(zhì)是一個(gè)HeapObject結(jié)構(gòu)體，默認(rèn)16字節(jié)內(nèi)存大小(metadata8字節(jié) + refCounts8字節(jié))季俩，與OC對(duì)比如下：
  • OC中實(shí)例對(duì)象的本質(zhì)是結(jié)構(gòu)體钮糖，是以objc_object為模板繼承的，其中有一個(gè)isa指針酌住，占8字節(jié)店归。
  • Swift中實(shí)例對(duì)象，默認(rèn)的比OC中多一個(gè)refCounts引用計(jì)數(shù)酪我，默認(rèn)屬性占16字節(jié)消痛。
• Swift中對(duì)象的分配流程是：__allocating_init--->swift_allocObject--->_swift_allocObject_--->swift_slowAlloc-->malloc。
• init在其中的職責(zé)就是初始化變量都哭，這點(diǎn)與OC中的是一致的秩伞。

看到這里，有的同學(xué)可能會(huì)有一些疑問(wèn)?：為什么 age 和 name分別是 8字節(jié) 和 16字節(jié)?
接下來(lái)我們?cè)敿?xì)講解一下：
對(duì)于Int欺矫、String類型纱新，在Swift中，兩個(gè)都是結(jié)構(gòu)體類型穆趴。我可以通過(guò)內(nèi)存打印來(lái)驗(yàn)證一下

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

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

//********* 驗(yàn)證 *********
print("Int類型所占內(nèi)存大辛嘲：\(MemoryLayout<Int>.stride)")
print("String類型所占內(nèi)存大小：\(MemoryLayout<String>.stride)")

print("t.age所占內(nèi)存大形疵谩：\(MemoryLayout.size(ofValue: t.age))")
print("t.name所占內(nèi)存大胁痉稀：\(MemoryLayout.size(ofValue: t.name))")
//********* 打印結(jié)果 *********
Int類型所占內(nèi)存大小：8
String類型所占內(nèi)存大新缢：16
t.age所占內(nèi)存大凶迕省：8
t.name所占內(nèi)存大小：16

通過(guò)上面的打印結(jié)果化戳，可以清楚的看到Int 和 String所占內(nèi)存大小单料。

但是到這里，可能同學(xué)問(wèn)了，那如果String的值非常大的話看尼，內(nèi)存里面分配的16個(gè)自己又該怎么存儲(chǔ)呢递鹉？
swift的內(nèi)存分配的問(wèn)題，之后會(huì)單獨(dú)寫一篇文章來(lái)詳細(xì)講一下藏斩，這里就不做詳細(xì)的贅述躏结，這里記住Int占8個(gè)字節(jié)，String占16個(gè)字節(jié)就可以了狰域。其它的類型媳拴，可自行打印出來(lái)看一下。

下面我們來(lái)看另一個(gè)問(wèn)題兆览。我們上面提到了metadata屈溉，那它到底是什么呢？我們繼續(xù)往下分析

Swift中 類結(jié)構(gòu)的探索

在OC中類是從objc_class模板繼承過(guò)來(lái)的抬探。
在Swift中子巾，類的結(jié)構(gòu)在底層是HeapObject，包含metadata 和 refCounts小压。
而metadata的類型是HeapMetadata

HeapMetadata類型分析

• 通過(guò)Swift源碼线梗，跟進(jìn)去我們會(huì)發(fā)現(xiàn)

using HeapMetadata = TargetHeapMetadata<InProcess>

• 我們接著跟進(jìn)TargetHeapMetadata

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
};

• 進(jìn)入TargetHeapMetadata定義后，我們發(fā)現(xiàn)其本質(zhì)是一個(gè)模板類型怠益。這個(gè)結(jié)構(gòu)體中沒(méi)有屬性仪搔，只有初始化方法，傳入一個(gè)MetadataKind類型的參數(shù)蜻牢，這里kind就是傳入的Inprocess

• 接下來(lái)烤咧，我們繼續(xù)跟進(jìn)到TargetMetadata中，有一個(gè)kind的屬性抢呆，kind的類型就是前面?zhèn)魅氲?code>Inprocess煮嫌。然后我們?cè)俑M(jìn)Inprocess，最總得到結(jié)果是：對(duì)于kind抱虐，其類型的本質(zhì)是unsigned long

//******** TargetMetaData 定義 ********
struct TargetMetadata {
  using StoredPointer = typename Runtime::StoredPointer
  ...
  private:
  /// The kind. Only valid for non-class metadata; getKind() must be used to get
  /// the kind value.
  StoredPointer Kind
}
//******** Inprocess 定義 ********
struct InProcess {
  static constexpr size_t PointerSize = sizeof(uintptr_t);
  using StoredPointer = uintptr_t;
  ...
}
//******** uintptr_t 定義 ********
typedef unsigned long           uintptr_t;

• 從TargetHeapMetadata立膛、TargetMetadata定義中，我可以看出kind的類型是MetadataKind(此處是強(qiáng)制轉(zhuǎn)化梯码，與上文并不沖突)
• 跟進(jìn)MetadataKind，可以看到一個(gè)#include "MetadataKind.def"好啰，再次跟進(jìn)轩娶，會(huì)看到所有類型的元數(shù)據(jù)
  
  image9.png
  
  總結(jié)之后得到如下表格：

• 回到TargetMetadata結(jié)構(gòu)體定義中，找到方法getClassObject, 在該方法中去匹配kind框往，返回值TargetClassMetadata類型
• 如果是Class鳄抒，則直接對(duì)this(當(dāng)前指針，即metadata) 強(qiáng)轉(zhuǎn)為ClassMetadata

  /// Get the class object for this type if it has one, or return null if the
  /// type is not a class (or not a class with a class object).
  const TargetClassMetadata<Runtime> *getClassObject() const

//*************  方法的實(shí)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(qiáng)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;
    }
  
//************** ClassMetadata ****************
using ClassMetadata = TargetClassMetadata<InProcess>;

所以，TargetMetadata 和 TargetClassMetadata 本質(zhì)上是一樣的许溅，因?yàn)樵趦?nèi)存結(jié)構(gòu)中瓤鼻，可以直接進(jìn)行指針的轉(zhuǎn)換，所以我們可以認(rèn)為：結(jié)構(gòu)體其實(shí)就是TargetClassMetadata

• 進(jìn)入TargetClassMetadata定義贤重，發(fā)現(xiàn)其繼承自TargetAnyClassMetadata

template <typename Runtime>
struct TargetClassMetadata : public TargetAnyClassMetadata<Runtime> {
...
/// Swift-specific class flags. 
///Swift 特有的標(biāo)識(shí)
  ClassFlags Flags;

  /// The address point of instances of this type. 
  ///此類型的實(shí)例對(duì)象的地址
  uint32_t InstanceAddressPoint;

  /// The required size of instances of this type.
  /// 'InstanceAddressPoint' bytes go before the address point;
  /// 'InstanceSize - InstanceAddressPoint' bytes go after it.
 /// 實(shí)例對(duì)象內(nèi)存大小
  uint32_t InstanceSize;

  /// The alignment mask of the address point of instances of this type.
  /// 實(shí)例對(duì)象內(nèi)存對(duì)齊
  uint16_t InstanceAlignMask;

  /// Reserved for runtime use.
  /// 運(yùn)行時(shí)保留字段
  uint16_t Reserved;

  /// The total size of the class object, including prefix and suffix
  /// extents.
  /// 類的內(nèi)存大小
  uint32_t ClassSize;

  /// The offset of the address point within the class object.
  /// 類的內(nèi)存首地址
  uint32_t ClassAddressPoint;
...
}

• 進(jìn)入TargetAnyClassMetadata茬祷，又會(huì)發(fā)現(xiàn)，其繼承自TargetHeapMetadata

template <typename Runtime>
struct TargetAnyClassMetadata : public TargetHeapMetadata<Runtime> {
  using StoredPointer = typename Runtime::StoredPointer;
  using StoredSize = typename Runtime::StoredSize
...
}

總結(jié)

綜上所述并蝗，當(dāng)metadata的kind為Class時(shí)祭犯，有如下繼承關(guān)系：

image10.png

• 當(dāng)前類返回的實(shí)際類型是TargetClassMetadata；從上面繼承鏈可以看出 TargetMetadata只有一個(gè)屬性kind滚停，TargetAnyClassMetaData中有4個(gè)屬性：kind沃粗、superClass、cacheData键畴、data最盅。

• 當(dāng)前Class在內(nèi)存中存放的屬性，是由TargetClassMetadata + TargetAnyClassMetadata + TargetMetadata 的屬性加起來(lái)構(gòu)成的起惕，因此得出metadata的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體如下：

struct swift_class_t:NSObject {
    void *kind;//相當(dāng)于OC中的isa涡贱，kind的實(shí)際類型是unsigned long
    void *superClass;
    void *cacheData;
    void *data;
    uint32_t flages; //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
    ...
}

與OC對(duì)比

• 實(shí)例對(duì)象 & 類
  • OC中的實(shí)例對(duì)象本質(zhì)是結(jié)構(gòu)體，是通過(guò)底層的objc_object模板創(chuàng)建的疤祭，類是繼承自objc_class
  • Swift中的實(shí)例對(duì)象本質(zhì)也是結(jié)構(gòu)體盼产，類型是HeapObject，比OC多了一個(gè)refCounts
• 方法列表
  • OC中的方法儲(chǔ)存在objc_class結(jié)構(gòu)體class_rw_t的methodList中
  • Swift中的方法儲(chǔ)存在metadata元數(shù)據(jù)中
• 引用計(jì)數(shù)
  • OC中的ARC維護(hù)的是散列表
  • Swift中的ARC是對(duì)象內(nèi)部有一個(gè)refCounts屬性