Swift底層原理探索4----結構體和類

結構體

  • 在Swift標準庫中，大多數(shù)公開類型都是結構體，而枚舉和類只占很小的一部分
    比如Bool、Int、Double、String、Array、Dictionary等常見類型都是結構體
struct Date {
    var year: Int
    var month: Int
    var day: Int
}
var date = Date(year: 2020, month:02, day:29)//編譯器為結構體自動生成的初始化器
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  • 所有的結構體都有一個編譯器自動生成的初始化器（initializer，初始化方法，構造器，構造方法）
    在第⑥行調用的，可以傳入所有成員值，用以初始化所有成員（存儲屬性，Stored Property）


結構體的初始化器

編譯器會根據情況，可能會為結構體生成多個初始化器，宗旨是：保證所有成員有初始值，保證代碼的安全，看一下如下幾種場景，報錯的原因都是因為有成員變量沒有賦初始化值

在這里插入圖片描述

在這里插入圖片描述

在這里插入圖片描述

下面這樣，就沒有問題

struct Point {
    var x: Int = 0
    var y: Int = 0
}
var p1 = Point(x: 10, y: 10)
var p2 = Point(y: 10)
var p3 = Point(x: 10)
var p4 = Point()

再看一個場景

struct Point {
    var x: Int?
    var y: Int?
}
var p1 = Point(x: 10, y: 10)
var p2 = Point(y: 10)
var p3 = Point(x: 10)
var p4 = Point()

由于var x: Int? var y: Int?聲明之后，默認有初始值nil，因此也不會有上述的報錯


自定義初始化器

一旦在定義結構體時自定義了初始化器，編譯器就不會再幫它自動生成其他初始化器


image


窺探初始化器的本質

下面是兩端等效的代碼，第一段使用了系統(tǒng)生成的無參初始化起，第二段使用了我們自定義的無參初始化器

struct Point {
    var x: Int = 0
    var y: Int = 0
}
var p = Point()

struct Point {
    var x: Int
    var y: Int
    init() {
        x = 0
        y = 0
    }
}
var p = Point()

我們分別來看一下他們的匯編代碼

func testStruct() {
    struct Point {
        var x: Int = 0
        var y: Int = 0
    }
    var p = Point() //在這里加上斷點并且運行程序
}

testStruct()

***************匯編代碼
SwiftTest`init() in Point #1 in testStruct():
->  0x1000010b0 <+0>:  pushq  %rbp
    0x1000010b1 <+1>:  movq   %rsp, %rbp
    0x1000010b4 <+4>:  xorps  %xmm0, %xmm0
    0x1000010b7 <+7>:  movaps %xmm0, -0x10(%rbp)
    0x1000010bb <+11>: movq   $0x0, -0x10(%rbp)
    0x1000010c3 <+19>: movq   $0x0, -0x8(%rbp)
    0x1000010cb <+27>: xorl   %eax, %eax
    0x1000010cd <+29>: movl   %eax, %ecx
    0x1000010cf <+31>: movq   %rcx, %rax
    0x1000010d2 <+34>: movq   %rcx, %rdx
    0x1000010d5 <+37>: popq   %rbp
    0x1000010d6 <+38>: retq 

func testStruct() {
    struct Point {
        var x: Int
        var y: Int
        init() {
            x = 0
            y = 0
        }
    }
    var p = Point()  // 這里加上斷點并且運行程序
}

testStruct()

***************匯編代碼
SwiftTest`init() in Point #1 in testStruct():
->  0x1000010b0 <+0>:  pushq  %rbp
    0x1000010b1 <+1>:  movq   %rsp, %rbp
    0x1000010b4 <+4>:  xorps  %xmm0, %xmm0
    0x1000010b7 <+7>:  movaps %xmm0, -0x10(%rbp)
    0x1000010bb <+11>: movq   $0x0, -0x10(%rbp)
    0x1000010c3 <+19>: movq   $0x0, -0x8(%rbp)
    0x1000010cb <+27>: xorl   %eax, %eax
    0x1000010cd <+29>: movl   %eax, %ecx
    0x1000010cf <+31>: movq   %rcx, %rax
    0x1000010d2 <+34>: movq   %rcx, %rdx
    0x1000010d5 <+37>: popq   %rbp
    0x1000010d6 <+38>: retq

對比上述兩段程序，他們所調用的無參初始化器函數(shù)底層的匯編代碼是一模一樣的，因此判斷，是等效的。語法糖或許會騙人，但匯編永遠不會騙你。


結構體內存結構

struct Point {
    var x: Int = 10
    var y: Int = 20
    var origin: Bool = true
}
var p = Point()
print(MemoryLayout<Point>.size)
print(MemoryLayout<Point>.stride)
print(MemoryLayout<Point>.alignment)
print(Mems.memStr(ofVal: &p)) //輸出結構體內存里面的數(shù)據

****************運行結果
17
24
8
0x000000000000000a 0x0000000000000014 0x0000000000000001
Program ended with exit code: 0

看得出，Swift的結構體和C語言的結構體內存結構是一樣的，成員變量內存都是緊挨在一起的


類

類的定義和結構體類似，但編譯器并沒有為類自動生成可以傳入成員值的初始化器

image

在類的每個成員都有默認值的情況下，系統(tǒng)則會為它創(chuàng)建一個無參初始化器
image

需要注意的是 var x: Int?是optional，因此它會自動獲得一個默認值nil。相比較于Struct，Class的聲明方式幾乎和Struct一模一樣，也可以在內部增加方法。從表看上看，只有初始化器又一些不同點。


類的初始化器

成員的初始化是在這個初始化器中完成的，以下是兩端完全等效的代碼(證明方法同上---匯編)

class Point {
    var x: Int = 10
    var y: Int = 20
}
let p = Point()

class Point {
    var x: Int
    var y: Int
    init() {
        x = 10
        y = 20
    }
}
let p = Point()


結構體與類的本質區(qū)別

結構體是值類型（枚舉也是值類型），類是引用類型（指針類型）

class Size {
    var width = 1
    var height = 2
}

struct Point {
    var x = 3
    var y = 4
}

func test() {
    var size = Size()
    var point = Point()
}

上面代碼中的size和point在內存中的分布情況如下

image


對象的堆空間申請過程

先看下面的場景

func testClassAndStruct() {
    class Size {
        var width = 1
        var height = 2
    }

    struct Point {
        var x = 3
        var y = 4
    }

    var size = Size() //-----這里加上斷點并運行，打開匯編界面
    //var point = Point()
}

testClassAndStruct()
image

image

image

image

image

在Swift中，創(chuàng)建類的實例對象，要向堆空間申請內存，大概流程如下

  • Class.__allocating_init()
  • libswiftCore.dylib:_swift_allocObject_
  • libswiftCore.dylib:swift_slowAlloc
  • libsystem_malloc.dylib:malloc
    在Mac、iOS中的malloc函數(shù)分配的內存大小總是16的倍數(shù)
    通過class_getInstanceSize可以得知類的對象真正使用的內存大小
class Point {
    var x = 11
    var test = true
    var y = 22
}
var p = Point()
print(class_getInstanceSize(type(of: p)))  //40
print(class_getInstanceSize(Point.self))   //40


值類型

  • 值類型賦值給var、let或者給函數(shù)傳參，是直接將所有內容拷貝一份
    類似于對文件進行copy、paste操作，產生了全新的文件副本。屬于深拷貝（deep copy）
    image


值類型的賦值操作

  • 在Swift標準庫中，為了提升性能，String、Array、Dictionary、Set采取了Copy On Write的技術
    1. 比如僅當有“寫”操作時，才會真正執(zhí)行拷貝操作
    2. 對于標準庫值類型的賦值操作，Swift能確保最佳性能，所以沒有必要為了保證最佳新能來避免賦值

需要注意的是，上面說的僅僅針對Swift標準庫，對于自定義的結構體來說，Swift不會使用Copy On Write技術

  • 建議：不需要修改的，盡量定義成let 
var s1 = "Jack"
var s2 = s1
s2.append("_Rose")
print(s1)//Jack
print(s2)//Jack_Rose

var a1 = [1,2,3]
var a2 = a1
a2.append(4)
a1[0] = 2
print(a1)//[1,3,4]
print(a2)//[1,2,3,4]

var d1 = ["max": 10, "min":2]
var d2 = d1
d1["other"] = 7
d2["max"] = 12
print(d1)//["other": 7, "max": 10, "min":2]
print(d2)//["max": 12, "min":2]


引用類型

  • 引用賦值給var、let或者給函數(shù)傳參，是將內存地址拷貝一份
    類似于制作一個文件的替身（快捷方式，鏈接），指向的是同一個文件。屬于淺拷貝（shallow copy）
class Size {
    var width: Int
    var height: Int
    init(width: Int, height: Int) {
        self.width = width
        self.height = height
    }
}

func test() {
    var s1 = Size(width: 10, height: 20)
    var s2 = s1

    s2.width = 11
    s2.height = 22
}

test()
image


引用類型的賦值操作

class Size {
    var width: Int
    var height: Int
    init(width: Int, height: Int) {
        self.width = width
        self.height = height
    }
}

var s1 = Size(width: 10, height: 20)
s1 = Size(width: 11, height: 12)
image


值類型、引用類型的let

在這里插入圖片描述

總結一下就是：let的含義就是其修飾的常量所對應的那段內存空間里面的內容不可以修改。

  • 值類型由于所有的成員都在其內存里面，因此被let修飾時候，其內部的成員都是不可以修改的
  • 引用類型由于它的內存里存放的只是指針，所以只有這個指針的值不能修改，但是該指針所指向的堆空間的那個對象實例，并不是引用類型內存里面的東西，因此被let修飾之后，仍然可以修改堆空間對象的成員的值。


嵌套類型

struct Poker {
    enum Suit: Character {
        case spades = "?", heart = "?", diamonds = "?", clubs = "?"
    }
    enum Rand: Int {
        case two = 2, three, four, five, six, seven, eight, nine, ten
        case jack, queen, king, ace
    }
}
print(Poker.Suit.heart.rawValue)

var suit = Poker.Suit.spades
suit = .diamonds

var rank = Poker.Rand.five
rank = .king


枚舉、結構體、類都可以定義方法

  • 一般把定義在枚舉、結構體、類內部的函數(shù)，叫做方法
class Size {
    var width = 10
    var height = 10
    func show() {
        print("width= \(width), height= \(height)")
    }
}
let s = Size()
s.show()

struct Point {
    var x = 10
    var y = 10
    func show() {
        print("x= \(x), y= \(y)")
    }
}
let p = Point()
p.show()

enum PokerFace: Character {
    case spades = "?", heart = "?", diamonds = "?", clubs = "?"
    func show() {
        print("face is \(rawValue)")
    }
}
let pf = PokerFace.heart
pf.show()
  • 方法占用內存的對象嗎？
    1. 不占用
    2. 方法的本質就是函數(shù)
    3. 方法、函數(shù)都放在代碼段
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