前言

本篇文章會大致分析一下swift的編譯流程，這個(gè)作為了解即可贝乎，然后會重點(diǎn)分析一下swift中類的結(jié)構(gòu)柴淘，這個(gè)知識點(diǎn)我們需要掌握。

一示括、swift編譯流程

1.1 LLVM

在了解swift編譯流程之前铺浇，我們最好清楚LLVM是什么？請參考??LLVM編譯流程

LLVM是架構(gòu)編譯器的框架系統(tǒng)例诀，以C++編寫而成随抠，用于優(yōu)化任意程序語言編寫的程序的編譯時(shí)間（compile-time）、鏈接時(shí)間（link-time）繁涂、運(yùn)行時(shí)間（run-time）以及空閑時(shí)間（idle-time）拱她。對開發(fā)者保持開放，并兼容已有腳本扔罪。

對于我們iOS系統(tǒng)秉沼，OC語言前端使用Clang編譯器，而swift語言前端使用swift編譯器矿酵，這兩個(gè)編譯器將我們寫的代碼編譯生成IR中間代碼唬复，交給LLVM優(yōu)化器進(jìn)行優(yōu)化，接著交給代碼生成器生成機(jī)器語言全肮，最終形成.o機(jī)器執(zhí)行文件敞咧。整個(gè)過程如下圖??

1.2 swift的編譯詳細(xì)流程

接著我們再詳細(xì)看看swift的編譯流程，如下圖??

大致分為以下幾步??

1. swift源碼經(jīng)過parse解析辜腺、ast編譯休建，生成AST語法樹 乍恐。相關(guān)指令??

swiftc -dump-ast LGPerson.swift >> ast.swift

2. 通過SIL生成器生成SIL源碼。相關(guān)指令??

swiftc -emit-sil LGPerson.swift >> ./LGPerson.sil

3. 生成IR中間代碼测砂。相關(guān)指令??

swiftc -emit-ir LGPerson.swift >> ir.swift

4. 輸出.o機(jī)器文件茵烈。相關(guān)指令??

swiftc -emit-object LGPerson.swift

1.3 示例查看編譯流程

在示例查看之前，我們可以在【終端】中swiftc -h查看swiftc的所有相關(guān)指令??

常用的一些指令的含義??

  -dump-ast             語法和類型檢查砌些，打印AST語法樹
  -dump-parse           語法檢查呜投，打印AST語法樹
  -dump-pcm             轉(zhuǎn)儲有關(guān)預(yù)編譯Clang模塊的調(diào)試信息
  -dump-scope-maps <expanded-or-list-of-line:column>
                         Parse and type-check input file(s) and dump the scope map(s)
  -dump-type-info        Output YAML dump of fixed-size types from all imported modules
  -dump-type-refinement-contexts
                         Type-check input file(s) and dump type refinement contexts(s)
  -emit-assembly         Emit assembly file(s) (-S)
  -emit-bc               輸出一個(gè)LLVM的BC文件
  -emit-executable       輸出一個(gè)可執(zhí)行文件
  -emit-imported-modules 展示導(dǎo)入的模塊列表
  -emit-ir               展示IR中間代碼
  -emit-library          輸出一個(gè)dylib動態(tài)庫
  -emit-object           輸出一個(gè).o機(jī)器文件
  -emit-pcm              Emit a precompiled Clang module from a module map
  -emit-sibgen           輸出一個(gè).sib的原始SIL文件
  -emit-sib              輸出一個(gè).sib的標(biāo)準(zhǔn)SIL文件
  -emit-silgen           展示原始SIL文件
  -emit-sil              展示標(biāo)準(zhǔn)的SIL文件
  -index-file            為源文件生成索引數(shù)據(jù)
  -parse                 解析文件
  -print-ast             解析文件并打印（漂亮/簡潔的）語法樹
  -resolve-imports       解析import導(dǎo)入的文件
  -typecheck             檢查文件類型

首先存璃，我們創(chuàng)建一個(gè)swift demo項(xiàng)目仑荐，定義一個(gè)類LGPerson.swift類

class LGPerson {
    var age: Int = 18
    var name: String = "luoji"
}

let t = LGPerson()

接著，打開【終端】有巧，進(jìn)入到項(xiàng)目的目錄

• 查看抽象語法樹：swiftc -dump-ast LGPerson.swift ??

• 生成SIL文件：swiftc -emit-sil LGPerson.swift >> ./LGPerson.sil

  
  

可以使用VSCode打開它看看??代碼量巨多

附：可以在.zshrc中做了如下配置释漆，這樣就能在終端中指定軟件打開相應(yīng)文件

// 打開.zshrc，如果提示打不開篮迎，則使用touch .zshrc 創(chuàng)建一個(gè)
$ open .zshrc

// 添加以下別名
alias vscode='/Applications/Visual\ Studio\ Code.app/Contents/Resources/app/bin/code'

// 如果之前是創(chuàng)建的男图，那么還需執(zhí)行
source .zshrc

//使用
$ swiftc -emit-sil LGPerson.swift >> ./LGPerson.sil && vscode LGPerson.sil

• 如果想SIL文件高亮，需要安裝插件：VSCode SIL??

再次打開LGPerson.sil?? 沒有那么全白了

觀察LGPerson.sil代碼甜橱，可以發(fā)現(xiàn)很多都是經(jīng)過混淆處理的逊笆，可以通過下面的指令反混淆

xcrun swift-demangle 你的混淆的代碼

1.4 SIL分析

SIL: Swift intermediate language --> swift中間語言

1.4.1 main函數(shù)入口

// main
sil @main : $@convention(c) (Int32, UnsafeMutablePointer<Optional<UnsafeMutablePointer<Int8>>>) -> Int32 {
bb0(%0 : $Int32, %1 : $UnsafeMutablePointer<Optional<UnsafeMutablePointer<Int8>>>):
  alloc_global @$s8LGPerson1tA2ACvp               // id: %2
  %3 = global_addr @$s8LGPerson1tA2ACvp : $*LGPerson // user: %7
  %4 = metatype $@thick LGPerson.Type             // user: %6
  // function_ref LGPerson.__allocating_init()
  %5 = function_ref @$s8LGPersonAACABycfC : $@convention(method) (@thick LGPerson.Type) -> @owned LGPerson // user: %6
  %6 = apply %5(%4) : $@convention(method) (@thick LGPerson.Type) -> @owned LGPerson // user: %7
  store %6 to %3 : $*LGPerson                     // id: %7
  %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'

1. @main標(biāo)識當(dāng)前LGPerson.swift文件的入口函數(shù)，SIL標(biāo)識符號名稱以@作為前綴岂傲。
2. %0,%1...在SIL中也叫寄存器难裆，類似代碼中的常量，一旦賦值后不可修改镊掖。如果SIL中還要繼續(xù)使用乃戈，就需要使用新的寄存器。

我們一句句的看

• alloc_global @$s8LGPerson1tA2ACvp
s8LGPerson1tA2ACvp反混淆出來就是LGPerson亩进，那么就是創(chuàng)建全局變量LGPerson
• %3 = global_addr @$s8LGPerson1tA2ACvp : $*LGPerson 這句很簡單症虑，讀取全局變量LGPerson地址，賦值給%3
• %4 = metatype $@thick LGPerson.Type讀取LGPerson的Type归薛，賦值給%4
• %5 = function_ref @$s8LGPersonAACABycfC : $@convention(method) (@thick LGPerson.Type) -> @owned LGPerson 定義一個(gè)function_ref即函數(shù)谍憔，就是%5，這個(gè)函數(shù)入?yún)⑹荓GPerson.Type
• %6 = apply %5(%4) : $@convention(method) (@thick LGPerson.Type) -> @owned LGPerson apply調(diào)用函數(shù)%5主籍，入?yún)⒕褪?4习贫，將返回結(jié)果賦給%6
• store %6 to %3 : $*LGPerson 將%6的結(jié)果存儲到%3，%3是LGPerson的地址
• %8 = integer_literal $Builtin.Int32, 0 和 %9 = struct $Int32 (%8 : $Builtin.Int32)就是構(gòu)建一個(gè)Int值千元，最終返回return %9 : $Int32

綜上所述苫昌，main函數(shù)就是構(gòu)建了一個(gè)全局變量LGPerson，并對其Type值做了一個(gè)返回處理幸海，那么蜡歹，這個(gè)Type代表什么意思呢屋厘？后面我們會仔細(xì)分析swift類的底層結(jié)構(gòu)。

1.4.2 實(shí)例化相關(guān)代碼

// LGPerson.__allocating_init()
sil hidden [exact_self_class] @$s8LGPersonAACABycfC : $@convention(method) (@thick LGPerson.Type) -> @owned LGPerson {
// %0 "$metatype"
bb0(%0 : $@thick LGPerson.Type):
  %1 = alloc_ref $LGPerson                        // user: %3
  // function_ref LGPerson.init()
  %2 = function_ref @$s8LGPersonAACABycfc : $@convention(method) (@owned LGPerson) -> @owned LGPerson // user: %3
  %3 = apply %2(%1) : $@convention(method) (@owned LGPerson) -> @owned LGPerson // user: %4
  return %3 : $LGPerson                           // id: %4
} // end sil function '$s8LGPersonAACABycfC'

同樣一句句的看

• %1 = alloc_ref $LGPerson 讀取LGPerson的alloc_ref方法地址月而，給%1
• %2 = function_ref @$s8LGPersonAACABycfc : $@convention(method) (@owned LGPerson) -> @owned LGPerson 讀取LGPerson.init()函數(shù)地址，給%2
• %3 = apply %2(%1) : $@convention(method) (@owned LGPerson) -> @owned LGPerson 調(diào)用alloc_ref創(chuàng)建一個(gè)LGPerson實(shí)例對象议纯，給%3
• return %3 : $LGPerson返回%3的實(shí)例對象

這個(gè)__allocating_init()也不難父款，其實(shí)就是一個(gè)簡單的方法調(diào)用過程。對于這個(gè)SIL代碼瞻凤，我們平時(shí)可以自己多看多分析憨攒，習(xí)慣就好了，哈哈阀参！

二肝集、swift類的結(jié)構(gòu)

帶著上面的問題??LGPerson中的Type 就是存儲的是什么值，代表什么意思蛛壳？我們現(xiàn)在來看看swift的類class在底層中的結(jié)構(gòu)是什么樣的杏瞻。

大家都知道，如果要創(chuàng)建一個(gè)對象衙荐，OC 與 swift的寫法是這樣的??

• OC: [[LGPerosn alloc] init]
  一般alloc申請內(nèi)存空間并創(chuàng)建對象捞挥，init對其進(jìn)行統(tǒng)一初始化處理。
• Swift：LGPerson()
  直接()就完成了對象的創(chuàng)建忧吟。

2.1 找入口

我們現(xiàn)在就來看看LGPerson()在匯編層是調(diào)用了哪些函數(shù)砌函？
新建一個(gè)SwiftDemo項(xiàng)目工程，在ViewController.swift中添加下面的代碼溜族，并打上斷點(diǎn)??

運(yùn)行項(xiàng)目讹俊，查看匯編??

我們找到了對象的初始化入口??函數(shù)__allocating_init()，接著我們在__allocating_init()這一行打上斷點(diǎn)煌抒，按住control按鍵 stepinto進(jìn)入查看??

定位到了swift_allocObject仍劈，同理還是在swift_allocObject這行加上斷點(diǎn)，stepinto進(jìn)入查看??

沒找到實(shí)用的信息摧玫，那么換種思路耳奕，添加符號斷點(diǎn)swift_allocObject，再次run??

接著诬像，添加符號斷點(diǎn)swift_slowAlloc??

最終來到了比較熟悉的malloc_zone_malloc屋群。

至此，swift實(shí)例對象的創(chuàng)建流程??
__allocating_init -> swift_allocObject -> _swift_allocObject_ -> swift_slowAlloc -> malloc_zone_malloc

2.2 查看源碼驗(yàn)證流程

首先坏挠，用VSCode打開swift源碼項(xiàng)目芍躏，搜索__allocating_init，打上斷點(diǎn)??

接著降狠，run項(xiàng)目对竣，在終端輸入代碼??

class LGPerson {
       var age: Int = 18
       var name: String = "luoji"
}

回車庇楞，再輸入var t = LGPerson()，會觸發(fā)斷點(diǎn)??

我們可以看左上角否纬，發(fā)現(xiàn)requiredSize空間大小值是40吕晌，requiredAlignmentMask字節(jié)對齊值是7。

接著我們順著流程來到swift_slowAlloc??

然后返回申請空間后的地址临燃，即返回指針p睛驳。再回到_swift_allocObject_，那么接著執(zhí)行

• auto object = reinterpret_cast<HeapObject *>( swift_slowAlloc(requiredSize, requiredAlignmentMask));
  通過reinterpret_cast將指針p轉(zhuǎn)換成HeapObject類型膜廊，然后執(zhí)行
• new (object) HeapObject(metadata);
  因?yàn)閛bject是強(qiáng)轉(zhuǎn)的HeapObject類型乏沸，其里面值仍是一個(gè)指向內(nèi)存空間的對象指針，所以這里執(zhí)行HeapObject(metadata)做一個(gè)初始化操作爪瓜，這樣object就是真正的HeapObject結(jié)構(gòu)了蹬跃。

整體流程圖??

2.2.1 類的大小

接下來我們具體看看，類的大小size是怎么算出來的铆铆？
首先蝶缀，我們先在lldb中打印查看一下大小，打開Xcode算灸，新建一個(gè)swift項(xiàng)目扼劈，加入代碼

import UIKit

class LGPerson {
    var age: Int = 18
    var name: String = "luoji"
}

class ViewController: UIViewController {

    override func viewDidLoad() {
        super.viewDidLoad()
        // Do any additional setup after loading the view.
                
        print("Int32 大小: \(MemoryLayout<Int32>.size)")
        print("Int64 大小: \(MemoryLayout<Int64>.size)")
        print("Int 大小: \(MemoryLayout<Int>.size)")
        print("Srtring 大小: \(MemoryLayout<String>.size)")
        
        print("LGPerson 大小: \(class_getInstanceSize(LGPerson.self))")
        
    }
}

run??

我們通過MemoryLayout得知Int大小是8，String大小是16菲驴，但是通過class_getInstanceSize得知類LGPerson的大小卻是40,40-16-8=16,這額外的16字節(jié)大小是什么荐吵？

之前我們在源碼調(diào)試的時(shí)候，也發(fā)現(xiàn)類LGPerson初始化實(shí)例對象時(shí)的requiredSize空間大小值也是40赊瞬，如下圖??

額外的16字節(jié)從何而來先煎？

我們進(jìn)入源碼工程，查看HeapObject結(jié)構(gòu)體??

結(jié)構(gòu)體大小主要看成員變量巧涧，HeapObject結(jié)構(gòu)體有兩個(gè)成員變量元數(shù)據(jù)metadata 和 引用計(jì)數(shù)refCounts薯蝎。

metadata

是 HeapMetedata類型，還是查看源碼??

template <typename Target> struct TargetHeapMetadata;
using HeapMetadata = TargetHeapMetadata<InProcess>;

template <typename Runtime>
struct TargetHeapMetadata : TargetMetadata<Runtime> {
  using HeaderType = TargetHeapMetadataHeader<Runtime>;

  TargetHeapMetadata() = default;
  constexpr TargetHeapMetadata(MetadataKind kind)
    : TargetMetadata<Runtime>(kind) {}
#if SWIFT_OBJC_INTEROP
  constexpr TargetHeapMetadata(TargetAnyClassMetadata<Runtime> *isa)
    : TargetMetadata<Runtime>(isa) {}
#endif
};

TargetHeapMetadata->TargetMetadata谤绳，也是struct結(jié)構(gòu)體占锯。接著看TargetMetadata??

最后我們看看StoredPointer源碼，發(fā)現(xiàn)搜不到缩筛，但是根據(jù)注釋

  /// The kind. Only valid for non-class metadata; getKind() must be used to get
  /// the kind value.
  StoredPointer Kind;

我們發(fā)現(xiàn), 可以通過 getKind()方法入?yún)⒅??

  /// Get the metadata kind.
  MetadataKind getKind() const {
    return getEnumeratedMetadataKind(Kind);
  }

/// Try to translate the 'isa' value of a type/heap metadata into a value
/// of the MetadataKind enum.
inline MetadataKind getEnumeratedMetadataKind(uint64_t kind) {
  if (kind > LastEnumeratedMetadataKind)
    return MetadataKind::Class;
  return MetadataKind(kind);
}

getKind是調(diào)用getEnumeratedMetadataKind消略，而入?yún)?code>kind是uint64_t類型，占8字節(jié)大小瞎抛，所以元數(shù)據(jù)metadata是8字節(jié)大小艺演。

MetadataKind

這時(shí)我們注意到，getKind()返回值是MetadataKind類型，我們進(jìn)入源碼看看胎撤，里面有一個(gè)#include "MetadataKind.def"晓殊，點(diǎn)擊進(jìn)入，其中記錄了所有類型的元數(shù)據(jù)伤提，所以kind種類總結(jié)如下：

接著我們回到TargetMetaData結(jié)構(gòu)體定義中巫俺，找方法getClassObject，在該方法中去匹配kind返回值是TargetClassMetadata類型??

如果是Class肿男，則直接對this（當(dāng)前指針识藤，即metadata）強(qiáng)轉(zhuǎn)為ClassMetadata。所以次伶，TargetMetadata 和 TargetClassMetadata 本質(zhì)上是一樣的，因?yàn)樵趦?nèi)存結(jié)構(gòu)中稽穆，可以直接進(jìn)行指針的轉(zhuǎn)換冠王，那么我們可以這么認(rèn)為??結(jié)構(gòu)體其實(shí)就是TargetClassMetadata。

接著舌镶，我們再看看TargetClassMetadata里還有哪些成員??

template <typename Runtime>
struct TargetClassMetadata : public TargetAnyClassMetadata<Runtime> {
    ...
    //swift特有的標(biāo)志
    ClassFlags Flags;
    //實(shí)力對象內(nèi)存大小
    uint32_t InstanceSize;
    //實(shí)例對象內(nèi)存對齊方式
    uint16_t InstanceAlignMask;
    //運(yùn)行時(shí)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;
  ...
}

然后我們看看繼承鏈?? TargetClassMetadata繼承TargetAnyClassMetadata繼承TargetHeapMetadata柱彻。

template <typename Runtime>
struct TargetAnyClassMetadata : public TargetHeapMetadata<Runtime> {
    ...
    ConstTargetMetadataPointer<Runtime, swift::TargetClassMetadata> Superclass;
    TargetPointer<Runtime, void> CacheData[2];
    StoredSize Data;
    ...
}

至此，當(dāng)metadata的kind為Class時(shí)餐胀，有如下繼承鏈：

• 類class在底層中的實(shí)際類型是TargetClassMetadata哟楷，而TargetMetaData中只有一個(gè)屬性kind，TargetAnyClassMetaData中有4個(gè)屬性否灾，分別是kind卖擅， superclass，cacheData墨技、data（圖中未標(biāo)出）
• 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)成惩阶，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，kind的實(shí)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;
    ...
}

refCounts

接著我們看看refCounts扣汪，refCounts是InlineRefCounts類型断楷，搜索InlineRefCounts??

typedef RefCounts<InlineRefCountBits> InlineRefCounts;

InlineRefCounts是RefCounts類型，搜索??

RefCounts是class類型崭别，確切的說冬筒，refCounts是個(gè)指針，占8字節(jié)大小茅主。

綜上所述

1. swift類本質(zhì)是HeapObject
2. HeapObject默認(rèn)大小為16字節(jié)： metadata(struct)8字節(jié)和refCounts(class)8字節(jié)
3. LGPerson的age(Int)占8字節(jié)舞痰，name(String)占16字節(jié)，加上上面的暗膜，所以LGPerson的size為40字節(jié)

總結(jié)

本篇文章首先大致講述了Swift的編譯流程匀奏，與OC最大的不同在于，swift在編譯過程中會生成SIL中間代碼学搜，通過對中間代碼的分析娃善，我明知道了Swift實(shí)例對象的初始化會調(diào)用__allocating_init()方法论衍，接著我們通過LGPerson樣例分析了Swift類的底層結(jié)構(gòu)HeapObject，其默認(rèn)包含了metadata(struct) 和refCounts(class)聚磺，共16字節(jié)大小坯台。