Swift 是一門靜態(tài)語言铜异，在 Swift 中聲明的方法和屬性靜態(tài)編譯期就確定了的，并且Swift具有更靈活的高級特性秸架，協(xié)議，泛型东抹，方法重載，值引用等食茎，所以其與OC運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)消息派發(fā)不同附迷，需要支持靜態(tài)派發(fā)以及動(dòng)態(tài)派發(fā)，目前的這些特性Clang并不能完全支持壹哺。

因此蘋果另外實(shí)現(xiàn)了一套 Swift() 作為Swift的編譯前端，由于其語言特性管宵，反而有更多的優(yōu)化空間截珍。

其使用SIL作為前端中間表示層，與IR差異很大箩朴，大致體現(xiàn)在：

• 在編譯期完全確定的調(diào)用關(guān)系會采用靜態(tài)派發(fā)岗喉，即在可執(zhí)行文件中直接指定方法實(shí)現(xiàn)的內(nèi)存地址的指針，在運(yùn)行時(shí)直接通過指針調(diào)用
• 在編譯期間無法確定最終合適的操作時(shí)炸庞，則會執(zhí)行動(dòng)態(tài)派發(fā)钱床。Swift又不完全同于C++的方式，其除了支持繼承使用的虛函數(shù)表vtable埠居，還加入了支持面向協(xié)議編程的witness table
• 通過dynamic關(guān)鍵字對方法標(biāo)記查牌，使用OC的運(yùn)行時(shí)機(jī)制
• 由于支持函數(shù)重載，也就引出了name mangling（名字修飾）機(jī)制纸颜，其目的是給同名的重載函數(shù)不同的簽名
• ...
  
  

1. Clang vs Swift()：

Clang

• Wide abstraction gap between source and LLVM IR
• IR isn't suitable for source-level analysis
• CFG lacks fidelity
• CFG is off the hot path
• Duplicated effort in CFG and IR lowering

clang.png

Swift

• Higher-level language
  • Move more of the language into code
  • Protocol-based generics
• Safe language
  • Uninitialized vars, unreachable code should be compiler errors
  • Bounds and overflow checks

swift.png

2. V-Table

常見的編譯型語言的動(dòng)態(tài)派發(fā)方式绎橘，編譯器層使用一個(gè)表格結(jié)構(gòu)來存儲類型聲明中的每一個(gè)函數(shù)指針。C++中稱之為虛函數(shù)表VTable称鳞，也是其支持多態(tài)的基礎(chǔ)涮较。

在Swift中，擁有繼承關(guān)系的Class采用此種方式冈止，即每一個(gè)類會維護(hù)一個(gè)函數(shù)表，該表會記錄該類中所有的函數(shù)指針：

1. 由父類繼承而來的方法執(zhí)行地址靶瘸。
2. 如果子類重寫父類方法毛肋，表中會保存被重載之后的函數(shù)。
3. 子類新增的函數(shù)會加入到表的末尾屋剑。

然后在程序運(yùn)行期間查表執(zhí)行具體實(shí)現(xiàn)润匙。

3. Protocol Witness Table

因?yàn)閰f(xié)議不一定具有繼承關(guān)系，所以其創(chuàng)建了Protocol Witness Table唉匾。大致實(shí)現(xiàn)為：Swift會為每一個(gè)實(shí)現(xiàn)了該協(xié)議的對象生成一個(gè)大小一致的結(jié)構(gòu)體，這個(gè)結(jié)構(gòu)體被稱為Existenial Container巍膘，它內(nèi)部包含PWT，表中存儲著一組函數(shù)的執(zhí)行地址峡懈，而表中的每一個(gè)條目指向了符合該協(xié)議的類型信息。該結(jié)構(gòu)體中還保留了三個(gè)字長的valueBuffer用來存儲數(shù)據(jù)成員荚恶。

4. SIL

SIL是一種SSA形式的IR磷支，具有高級語義信息谒撼，旨在實(shí)現(xiàn)Swift編程語言雾狈。 SIL適用于以下用例：

• 一組有保證的高級優(yōu)化，可為運(yùn)行時(shí)和診斷行為提供可預(yù)測的基準(zhǔn)善榛。
• 診斷數(shù)據(jù)流分析過程可滿足Swift語言要求，例如變量和構(gòu)造函數(shù)的確定性初始化堪澎，代碼可訪問性味滞，開關(guān)覆蓋率樱蛤。
• 高級優(yōu)化過程剑鞍，包括保留/釋放優(yōu)化，動(dòng)態(tài)方法去虛擬化便脊，閉包內(nèi)聯(lián)，將堆分配提升為堆棧分配哪痰，將堆分配提升為SSA寄存器，將標(biāo)量替換為標(biāo)量（將標(biāo)量分配拆分為多個(gè)較小的標(biāo)量）和通用函數(shù)實(shí)例化晌杰。
• 一種穩(wěn)定的分發(fā)格式跷睦，可用于分發(fā)帶有Swift庫模塊的“易碎”的內(nèi)聯(lián)代碼或通用代碼，并將其優(yōu)化為客戶端二進(jìn)制文件肋演。

與LLVM IR相比，SIL是一種通常與目標(biāo)無關(guān)的格式表示形式爹殊，可用于代碼分發(fā)，但它也可以像LLVM一樣表示特定于目標(biāo)的概念梗夸。

• 完全代表程序語義
• 專為代碼生成和分析而設(shè)計(jì)
• 位于編譯器管道的熱路徑上
• 修復(fù)了源代碼和LLVM之間的抽象鴻溝

在較高的層次上，Swift編譯器遵循嚴(yán)格的管道架構(gòu)：

• Parse模塊從Swift源代碼構(gòu)造AST称簿。
• Sema模塊對AST進(jìn)行類型檢查惰帽，并使用類型信息對其進(jìn)行注釋父虑。
• SILGen模塊從AST生成raw SIL。
• 在原始SIL上運(yùn)行一系列“保證的優(yōu)化Pass”和“診斷Pass”士嚎，以執(zhí)行優(yōu)化并發(fā)出特定于語言的診斷信息。即使在-Onone上爵嗅，它們也始終運(yùn)行笨蚁，并生成規(guī)范SIL睹晒。
• 常規(guī)SIL 優(yōu)化Pass（可選）在規(guī)范的SIL上運(yùn)行括细，以提高生成的可執(zhí)行文件的性能。這些是由優(yōu)化級別啟用和控制的锉试，而不是在-Onone上運(yùn)行览濒。
• IRGen將規(guī)范SIL降低為LLVM IR拖云。
• LLVM后端（可選）使用LLVM優(yōu)化应又，運(yùn)行LLVM代碼生成器并產(chǎn)生二進(jìn)制代碼。
  
  

5. SILGen

SILGen通過遍歷經(jīng)過類型檢查的Swift AST來生成“原始SIL”丁频。 SILGen發(fā)出的SIL形式具有以下特性：

• 變量通過加載和存儲可變存儲器位置來表示，而不是采用嚴(yán)格的SSA形式席里。 這類似于前端（如Clang）發(fā)出的初始“alloca”大量的LLVM IR。 但是改基，在最普通的情況下咖为，Swift將變量表示為引用計(jì)數(shù)的“boxes”，可以將其保留躁染，釋放并捕獲到閉包中。
• 尚未執(zhí)行數(shù)據(jù)流要求我衬，例如最終分配饰恕，函數(shù)返回挠羔，開關(guān)覆蓋率（TBD）等埋嵌。
• transparent功能優(yōu)化尚未實(shí)現(xiàn)。

這些屬性通過后續(xù)保證的優(yōu)化和診斷遍歷得到解決范舀，這些遍歷始終針對原始SIL運(yùn)行俐银。

6. General Optimization Passes

SIL捕獲特定語言的類型信息，從而可以實(shí)現(xiàn)在LLVM IR上難以執(zhí)行的高級優(yōu)化捶惜。

• Generic Specialization 分析對泛型函數(shù)的專門調(diào)用，并生成函數(shù)的新的指定版本汽久。然后，它將泛型的所有指定用法重寫為對指定功能的直接調(diào)用景醇。
• 給定類型的 Witness and VTable Devirtualization 從類的vtable或類型見證表中查找關(guān)聯(lián)的方法，并將間接虛擬調(diào)用替換為對映射函數(shù)的調(diào)用吧寺。
• Performance Inlining
• Reference Counting Optimizations
• Memory Promotion/Optimizations
• High-level domain specific optimizations Swift編譯器在基礎(chǔ)的Swift容器（例如Array或String）上實(shí)現(xiàn)了高級優(yōu)化散劫。特定于域的優(yōu)化需要在標(biāo)準(zhǔn)庫和優(yōu)化器之間定義接口。更多細(xì)節(jié)可以查看：HighLevelSILOptimizations

如下代碼為swift實(shí)現(xiàn)代碼在SIL下的展現(xiàn)形式：

sil_stage canonical 

import Swift 

//定義SIL函數(shù)使用的類型获搏。

struct Point { 
  var x：Double 
  var y：Double 
} 

class Button { 
  func onClick（）
  func onMouseDown（）
  func onMouseUp（）
} 

//聲明一個(gè)Swift函數(shù)。主體被SIL忽略纬乍。
func taxicabNorm（_ a：Point）-> Double { 
  return a.x + a.y 
} 

//定義SIL函數(shù)裸卫。
//名稱@_T5norms11taxicabNormfT1aV5norms5Point_Sd是 taxicabNorm Swift函數(shù)的錯(cuò)誤名稱。
sil @ _T5norms11taxicabNormfT1aV5norms5Point_Sd：$（Point）-> Double { 
bb0（％0：$ Point）：
  // func Swift彼城。+（Double退个，Double）-> Double 
  ％1 = function_ref @ _Tsoi1pfTSdSd_Sd 
  ％2 = struct_extract％0：$ Point，＃Point.x 
  ％3 = struct_extract％0：$ Point语盈，＃Point.y 
  ％4 = apply％1（％2，％3）：$（Double代嗤，Double）-> Double 
  return％4：Double 
} 

//定義SIL vtable缠借。匹配動(dòng)態(tài)分派的方法
//標(biāo)識與其已知靜態(tài)類類型的實(shí)現(xiàn)相匹配。
sil_vtable Button { 
  ＃Button.onClick泼返！1：@ _TC5norms6Button7onClickfS0_FT_T_ 
  ＃Button.onMouseDown！1：@ _TC5norms6Button11onMouseDownfS0_FT_T_ 
  ＃Button.onMouseUp渠鸽！1：@ _TC5norms6Button9onMouseUpfS0_FT_T_ 
}

7. Swift’s use of SIL 流程

Two Phases of SIL Passes.png