前言

本文从内存分区、内存对齐、内存模型与方法派发角度介绍了关于 Swift 中的一些知识点。

内存分区

iOS 应用内存分为 5 个区域，其中“全局区”、“常量区” 和 “代码区”的内存空间在编译时确定，“栈”、“堆”的内存空间在运行时确定。

iOS应用内存分区

  • 栈区：存储值类型的局部变量，函数参数，其大小有限，连续分配，向低地址拓展；由在运行时系统自动分配和释放内存空间，每一个线程都有其对应的栈。
  • 堆区：存储引用类型，不连续的内存区域，向高地址拓展，大小受限于系统中的虚拟内存；由程序员动态创建和释放对象，在运行时分配。
  • 全局/静态区：存储未初始化的全局变量和静态变量，即 .bss ；和已初始化的全局变量和静态变量，即 .data。
  • 常量区：存储字符串常量
  • 代码区：存储程序运行时的代码

内存对齐

为什么需要内存对齐：

  1. 某些硬件不能随意访问任意地址
  2. 提高访问效率

内存对齐原则：

  1. 结构体第一个成员的偏移量（offset）为0，以后每个成员相对于结构体首地址的 offset 都是该成员大小与对齐系数中较小值的整数倍，如有需要编译器会在成员之间加上填充字节。
  2. 结构体的总大小为对齐系数的整数倍，如有需要编译器会在最末一个成员之后加上填充字节。

注：结构体可代替为 class、protocol等任意类型，只是其他类型内存分布与结构体不同。

在 Swift 中：

MemoryLayout<T>.size // 属性占用大小(与其属性匹配)
MemoryLayout<T>.stride // 实际占用大小
MemoryLayout<T>.alignment // 对齐系数

内存模型

struct

例：

struct Foo {
    let a: Int8 = 2   // 1 byte
    let b: Int16 = 4  // 2 bytes
    let c: Int32 = 6  // 4 bytes
    let d: Int = 8    // 8 bytes
    
    func foo() {
        print("Hello")
    }
}

let foo = Foo()

print(MemoryLayout<Foo>.size)
print("===end===")
image-20211226103015351

可以看出，struct 的内存是连续分布的，但是由于内存对齐原则，属性 a 所占用内存空间为 2 byte，对于实例方法其内部并不会做存储，而是在编译后直接指向方法的地址。

class

Swift 与 Objective-C 中的 Class 类型，为了兼容 Objective-C 且具有更多的 Swift 特性，在 Swift 源码中，其类型为 swift_class_t 的结构体，继承于 objc_class。其内存布局如下图所示：

image-20220313210720322

isa：与 Objective-C 中 isa 一样，包含了这个类型的信息，如 父类的 isa 信息、是否存在关联对象、以及 virtual table 用以方法调用等内容。

retain count：记录其引用计数值

protocol

看下面源码

protocol Drawable { func draw() }
struct Point : Drawable {
    var x: Int
    var y: Int
    func draw() { print("Point") }
}
struct Line : Drawable {
    var x1, y1, x2, y2: Int
    func draw() { print("Line") }
}
class Cricle: Drawable {
    var r: Int = 5
    func draw() { print("SharedLine") }
}
struct Simple {
    var drawable1: Drawable
    var drawable2: Drawable
    var drawable3: Drawable
    func printMemoryLayout() {
        MemoryLayout.size(ofValue: drawable1)
        MemoryLayout.size(ofValue: drawable2)
        MemoryLayout.size(ofValue: drawable3)
    }
}

首先在 Build Setting 中，将 Reflection Metadata Level 改为 None，调用 printMemoryLayout 再进行调试。

40
40
40

image-20220313200904959

Reflection Metadata Level 改为 None，是防止编译器将反射元数据发送到二进制文件中，会对分析造成干扰。

对于协议类型来说，为了实现语义上的多态，且创建时其内存大小是不固定的，因此引入了新的内存结构进行处理。

可以看到输出内存占用大小全部为 40，且都拥有相同的数据结构。如下图所示：

image-20220311002137424

valueBuffer：3位，对于空间小于或等于 valueBuffer 的值，直接存储在 valueBuffer 中；对于空间大于 valueBuffer的值，则会在堆中开辟内存空间，valueBuffer 则存储其引用地址。对应 drawable1 与 drawable2。

value witness table：由于每个协议类型的初始化不尽相同，所以每一种类型(上上图的 metadata )都会有一个 value witness table，用于进行生命周期管理，有 alloc、copy、destruct、deallocate 等方法。

protocol witness table：类似于 class 的 virtual table，用以存储每个协议类型的方法。每种类型会创造 PWT 表，内部包含指针，指向方法具体实现。

方法派发

方法派发是指告诉 CPU 如何去找到该函数地址并进行调用的过程，在 Swift 中分为 3 种派发机制，分别是静态派发、函数表派发与动态派发。那么什么时候会是什么样的方法派发呢？主要有两方面纬度的考量：

声明类型

对于不同的声明位置来说，其方法派发的是不同的，若下图所示：

类中声明 拓展声明
value type static static
protocol table static
class table static
NSObject SubClass table message

规律：

值类型都是静态派发

协议和类中的拓展都是静态派发

NSObject 拓展采用消息派发，类中声明采用函数表派发

协议中默认实现使用函数表派发

关键字

对于某些关键字来说，也能够改变其派发方式：

关键字 派发方式
final static
dynamic Message
@objc & @nonobjc 修改 Objective-C 可见性
@inline Static

规律：

final - 静态派发

dynamic - 消息派发

@objc & @nonobjc - 声明函数能否被 objective-c runtime捕捉到

final @objc - 调用时静态派发，但会将函数注册到 objective-c runtime中

@inline - 直接派发，但如果是 dynamic @inline，则会采用消息派发

结合上两图总结如下：

直接派发 函数表派发 消息派发
NSObject @nonobjc / final 类中声明 拓展申明 且 dynamic
class 拓展声明 且 final 类中声明 dynamic
protocol 拓展声明 类中声明 @objc
value type 所有方法 无 无

静态派发：

指编译时直接跳转到函数的地址，调用速度最快，同时可能经过编译器优化成 inline。

在 Swift 中，值类型的方法调用与 final 修饰的是静态派发。（值类型与 final 不支持继承与 override）

函数表派发：

为在类中申明过的所有方法生成一个函数指针数组

virtual table / protocol witness table

A diagram showing the memory offsets for method1, method2, and method3 in ParentClass and ChildClass.

相较于静态派发，速度更慢，需要两次读取地址与一次跳转，同时编译器无优化操作，将自身作为实例作为隐含参数传递到方法中。例如下面一段协议类型的方法调用的 SIL 代码如下：

// drawACopy(drawables:)
sil hidden @$s14ViewController9drawACopy9drawablesyAA8Drawable_p_tF : $@convention(thin) (@in_guaranteed Drawable) -> () {
// %0 "drawables"                                 // users: %2, %1
bb0(%0 : $*Drawable):
  debug_value_addr %0 : $*Drawable, let, name "drawables", argno 1 // id: %1
  %2 = open_existential_addr immutable_access %0 : $*Drawable to $*@opened("F57086CE-A07E-11EC-86EE-ACDE48001122") Drawable // users: %4, %4, %3
  %3 = witness_method $@opened("F57086CE-A07E-11EC-86EE-ACDE48001122") Drawable, #Drawable.draw : <Self where Self : Drawable> (Self) -> () -> (), %2 : $*@opened("F57086CE-A07E-11EC-86EE-ACDE48001122") Drawable : $@convention(witness_method: Drawable) <τ_0_0 where τ_0_0 : Drawable> (@in_guaranteed τ_0_0) -> () // type-defs: %2; user: %4
  %4 = apply %3<@opened("F57086CE-A07E-11EC-86EE-ACDE48001122") Drawable>(%2) : $@convention(witness_method: Drawable) <τ_0_0 where τ_0_0 : Drawable> (@in_guaranteed τ_0_0) -> () // type-defs: %2
  %5 = tuple ()                                   // user: %6
  return %5 : $()                                 // id: %6
} // end sil function '$s14ViewController9drawACopy9drawablesyAA8Drawable_p_tF'

可以看到对于协议类型，会通过 open_existential_addr 创建一个局部变量 %2，在通过 %2 找到其对应witness_method - %3，最后再通过 %2 与作为入参执行方法 （apply） %3。

动态派发：

与 Objective-C 一致，会被翻译成 objc_send 这样的代码，会经过 cache 查找、通过 isa 指针在当前类与父类的 method_list 查找、最后到消息转发流程。动态派发的速度最慢，但可功能性最强。

网上关于动态派发的文章很多，这里不再赘述，详情参考：iOS 消息发送与转发详解

🔗

iOS-底层原理 24: 内存5大区

Size, Stride, Alignment

Swift 方法调度与内存布局

Swift 中的方法调用（Method Dispatch）（一） - 概述

[译] Swift 中的方法派发

switch-method-dispatch-table

Exploring Swift Memory Layout