第一節(jié)課：類、對(duì)象、屬性

準(zhǔn)備工具：編譯過的Swift源碼、Vscode、Xcode、終端

主要內(nèi)容：

Swift編譯簡(jiǎn)介（了解）

SIL分析（掌握）

類結(jié)構(gòu)探索

Swift屬性

Swift編譯簡(jiǎn)介

創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目，寫一個(gè)類，并通過默認(rèn)的初始化，創(chuàng)建一個(gè)實(shí)例對(duì)象賦值給t。

class HZMTeacher{
 var age: Int = 18
 var name: String = "HZM"
}

let t = HZMTeacher()

接下來主要看默認(rèn)的初始化器到底做了什么操作
我們使用SIL（Swift intermediate language）來查看分析。
首先了解下什么是SIL
iOS開發(fā)語(yǔ)言不管是OC還是Swift后端都是通過LLVM進(jìn)行編譯的，如下圖所示：

01.png

可以看到：
OC通過clang編譯器，編譯成IR，然后再生成可執(zhí)行文件.o（這里也就是我們的機(jī)械碼）

Swift則是通過Swift編譯器編譯成IR，然后再生成可執(zhí)行文件。

我們?cè)賮砜匆幌?，一個(gè)swift文件的編譯過程都經(jīng)歷了什么步驟：

02.png

swift在編譯過程中使用的前端編譯器是swiftc，和我們?cè)?code>OC中使用的Clang是有區(qū)別的
我們可以通過如下命令查看swiftc都能做什么樣的事情：
swiftc -h

04.png

以上只是作為了解，擴(kuò)充一下自己知識(shí)點(diǎn)，了解下Swift底層的原理，其實(shí)第一次看起來一臉懵，后面再結(jié)合分析代碼多看看了解下就好

SIL分析（要求掌握）

首先我們簡(jiǎn)單寫一段代碼

SIL分析01.png

然后通過終端執(zhí)行 swiftc -dump-ast main.swift 查看抽象語(yǔ)法樹

SIL分析02.png

這里我們簡(jiǎn)單把之前項(xiàng)目通過命令生成SIL文件并打開:swiftc -emit-sil main.swift >> ./main.sil && open main.sil

SIL分析03.png

• 在SIL文件中搜索s4main10HZMTeacherCACycfC，其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)主要是分配內(nèi)存+初始化變量
• allocing_ref實(shí)際創(chuàng)建一個(gè)HZMTeacher的實(shí)例對(duì)象，當(dāng)前實(shí)例對(duì)象的引用計(jì)數(shù)為1
• 調(diào)用init方法

// HZMTeacher.__allocating_init()
sil hidden [exact_self_class] @$s4main10HZMTeacherCACycfC : $@convention(method) (@thick HZMTeacher.Type) -> @owned HZMTeacher {
// %0 "$metatype"
bb0(%0 : $@thick HZMTeacher.Type):
  // 堆上分配內(nèi)存空間
  %1 = alloc_ref $HZMTeacher                      // user: %3
  // function_ref HZMTeacher.init() 初始化當(dāng)前變量
  %2 = function_ref @$s4main10HZMTeacherCACycfc : $@convention(method) (@owned HZMTeacher) -> @owned HZMTeacher // user: %3
  %3 = apply %2(%1) : $@convention(method) (@owned HZMTeacher) -> @owned HZMTeacher // user: %4
  // 返回
  return %3 : $HZMTeacher                         // id: %4
} // end sil function '$s4main10HZMTeacherCACycfC'

SIL語(yǔ)言對(duì)于Swift源碼的分析是非常重要的，關(guān)于其更多的語(yǔ)法信息，可以在這個(gè)網(wǎng)站進(jìn)行查詢

swift_allocObject 源碼分析

swift_allocObject的源碼如下，主要有以下幾部分:

• 通過swift_slowAlloc分配內(nèi)存，并進(jìn)行內(nèi)存字節(jié)對(duì)齊
• 通過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，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)

                                       size_t requiredSize,
                                       size_t requiredAlignmentMask) {
  assert(isAlignmentMask(requiredAlignmentMask));
  auto object = reinterpret_cast<HeapObject *>(
      swift_slowAlloc(requiredSize, requiredAlignmentMask));//分配內(nèi)存+字節(jié)對(duì)齊

  // NOTE: this relies on the C++17 guaranteed semantics of no null-pointer
  // check on the placement new allocator which we have observed on Windows,
  // Linux, and macOS.
  new (object) HeapObject(metadata);//初始化一個(gè)實(shí)例對(duì)象

  // If leak tracking is enabled, start tracking this object.
  SWIFT_LEAKS_START_TRACKING_OBJECT(object);

  SWIFT_RT_TRACK_INVOCATION(object, swift_allocObject);

  return object;
}

• 進(jìn)入swift_slowAlloc函數(shù)，其內(nèi)部主要是通過malloc在堆中分配size大小的內(nèi)存空間，并返回內(nèi)存地址，主要是用于存儲(chǔ)實(shí)例變量

  void *p;
  // This check also forces "default" alignment to use AlignedAlloc.
  if (alignMask <= MALLOC_ALIGN_MASK) {
#if defined(__APPLE__)
    p = malloc_zone_malloc(DEFAULT_ZONE(), size);
#else
    p = malloc(size);// 堆中創(chuàng)建size大小的內(nèi)存空間，用于存儲(chǔ)實(shí)例變量
#endif
  } else {
    size_t alignment = (alignMask == ~(size_t(0)))
                           ? _swift_MinAllocationAlignment
                           : alignMask + 1;
    p = AlignedAlloc(size, alignment);
  }
  if (!p) swift::crash("Could not allocate memory.");
  return p;
}

這里我們簡(jiǎn)單過了一下Swift內(nèi)存分配過程中發(fā)生的事情:

1. _allocating_init --> swift_allocObject --> _ swift_allocObject --> swift_slowAlloc --> Malloc
2. Swift對(duì)象的內(nèi)存結(jié)構(gòu)HrepObject,有兩個(gè)屬性:一個(gè)是Metadata,一個(gè)是Refcount，默認(rèn)占用16字節(jié)大小，就是對(duì)象中沒有任何東西也是16字節(jié)。OC中實(shí)例對(duì)象的本質(zhì)是結(jié)構(gòu)體，是以objc_object為模板繼承的，其中有一個(gè)isa指針，占8字節(jié)。Swift比OC中多了一個(gè)refCounted引用計(jì)數(shù)大小，也就是多了8字節(jié)。
3. init在這里扮演了初始化變量的職責(zé)，這和我們OC中的認(rèn)知是一樣的。

類結(jié)構(gòu)探索

看了上面的內(nèi)存分配之后，我們應(yīng)該注意到了一個(gè)Metadata，它的類型是HeapMetadata,我們來看下它的具體內(nèi)存結(jié)構(gòu)是什么？

進(jìn)入HeapMetadata定義，是TargetHeapMetaData類型的別名，接收了一個(gè)參數(shù)Inprocess
using HeapMetadata = TargetHeapMetaData<Inprocess>;
進(jìn)入TargetHeapMetaData定義，其本質(zhì)是一個(gè)模板類型，其中定義了一些所需的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)體中沒有屬性，只有初始化方法，傳入了一個(gè)MetadataKind類型的參數(shù)（該結(jié)構(gòu)體沒有，那么只有在父類中了）這里的kind就是傳入的Inprocess

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TargetMetaData定義，有一個(gè)kind屬性，kind的類型就是之前傳入的Inprocess。從這里可以得出，對(duì)于kind，其類型就是unsigned long，主要用于區(qū)分是哪種類型的元數(shù)據(jù)

struct TargetMetaData{
   using StoredPointer = typename Runtime: StoredPointer;
    ...
    
    StoredPointer kind;
}

//******** Inprocess 定義 ********
struct Inprocess{
    ...
    using StoredPointer = uintptr_t;
    ...
}

//******** uintptr_t 定義 ********
typedef unsigned long uintptr_t;

從TargetHeapMetadata、TargetMetaData定義中，均可以看出初始化方法中參數(shù)kind的類型是MetadataKind

進(jìn)入MetadataKind定義，里面有一個(gè)#include "MetadataKind.def"，點(diǎn)擊進(jìn)入，其中記錄了所有類型的元數(shù)據(jù)，所以kind種類總結(jié)如下：

回到TargetMetaData結(jié)構(gòu)體定義中，找方法getClassObject，在該方法中去匹配kind返回值是TargetClassMetadata類型

如果是Class，則直接對(duì)this（當(dāng)前指針，即metadata）強(qiáng)轉(zhuǎn)為ClassMetadata

 
//******** 具體實(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;
    }
  }

這一點(diǎn)，我們可以通過lldb來驗(yàn)證

源碼分析.png

po metadata->getKind()，得到其kind是Class
po metadata->getClassObject()、x/8g 0x0000000110efdc70，這個(gè)地址中存儲(chǔ)的是元數(shù)據(jù)信息!

所以，TargetMetadata 和 TargetClassMetadata 本質(zhì)上是一樣的，因?yàn)樵趦?nèi)存結(jié)構(gòu)中，可以直接進(jìn)行指針的轉(zhuǎn)換，所以可以說，我們認(rèn)為的結(jié)構(gòu)體，其實(shí)就是TargetClassMetadata

進(jìn)入TargetClassMetadata定義，繼承自TargetAnyClassMetadata，有以下這些屬性，這也是類結(jié)構(gòu)的部分

struct TargetClassMetadata : public TargetAnyClassMetadata<Runtime> {
    ...
    //swift特有的標(biāo)志
    ClassFlags Flags;
    //實(shí)力對(duì)象內(nèi)存大小
    uint32_t InstanceSize;
    //實(shí)例對(duì)象內(nèi)存對(duì)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;
  ...
}

進(jìn)入TargetAnyClassMetadata定義，繼承自TargetHeapMetadata

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

總結(jié):

當(dāng)前類返回的實(shí)際類型是 TargetClassMetadata,而TargetMetaData中只有一個(gè)屬性kind，TargetAnyClassMetaData中有3個(gè)屬性，分別是kind， superclass，cacheData

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，所以得出的metadata的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體如下所示

    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;
    ...
}

Swift屬性

• 存儲(chǔ)屬性：
  常量: let 修飾
  變量: var 修飾

 let age: Int = 18
 var name: String = "HZM"
}
 let t = HZMTeacher()

對(duì)于上面的age、name來說，都是我們的變量存儲(chǔ)屬性，這點(diǎn)我們?cè)赟IL文件中可以看出來

屬性01.png

特征:會(huì)占用實(shí)例對(duì)象分配的內(nèi)存空間

• 計(jì)算屬性:不占用空間，本質(zhì)是get、set方法
  驗(yàn)證方式:使用print(class_getInstanceSize(HZMTeacher.self))來打印輸出

• 屬性觀察者:
  willSet:新值存儲(chǔ)之前調(diào)用oldValue
  didSet:新值存儲(chǔ)之后調(diào)用newValue

  
  
  屬性02.png

*注意:在init()方法中調(diào)用修改屬性不觸發(fā)屬性觀察者

屬性03.png

注:子類與父類的調(diào)用順序如上圖:子父父子(聽到一個(gè)挺恰當(dāng)?shù)谋扔鳎瑑鹤訌母赣H那繼承了遺產(chǎn)，但是想變賣的時(shí)候還是需要跟父親說一聲，父親操作一番之后再告訴兒子進(jìn)行變賣)

• 延遲存儲(chǔ)屬性:

  1. 使用lazy修飾的存儲(chǔ)屬性

  class HZMTeacher{
    lazy var age: Int = 10
  }
  

  2. 延遲屬性必須有一個(gè)默認(rèn)的初始值

     
     
     懶加載01.png

3. 延遲存儲(chǔ)在第一次訪問的時(shí)候才被賦值

   
   
   懶加載02.png

從圖中我們可以看出，第一個(gè)斷點(diǎn)的時(shí)候第一次訪問時(shí)值為0 第二個(gè)斷點(diǎn)的時(shí)候代表訪問過后，進(jìn)行了賦值

4. 延遲存儲(chǔ)屬性并不能保證線程安全
   我們也可以通過sil文件來查看，這里可以在生成sil文件時(shí)，加上還原swift中混淆名稱的命令(即xcrun swift-demangle)：swiftc -emit-sil main.swift | xcrun swift-demangle >> ./main.sil && open main.sil
   
   懶加載03.png

通過分析SIL文件我們可以看到，最終走分支的時(shí)候是需要判斷值的，假定有兩個(gè)線程進(jìn)入，第一個(gè)因?yàn)橹禐榭兆吡?code>bb2，然后第二個(gè)線程進(jìn)來的時(shí)候還沒有賦值，判斷還是走了bb2流程。
所以，在此時(shí)，線程1會(huì)走一遍賦值，線程2也會(huì)走一遍賦值，并不能保證屬性只初始化了一次

5. 延遲存儲(chǔ)屬性對(duì)實(shí)例對(duì)象大小的影響

   
   
   懶加載04.png

從打印類的內(nèi)存大小可以看出，使用懶加載后內(nèi)存變大(空間換時(shí)間)

• 類型屬性:
  類型屬性屬于這個(gè)類的本身，不管有多少個(gè)實(shí)例，類型屬性只有一份，我們使用static來修飾一個(gè)類型屬性

1. 使用static修飾，且是全局變量
2. 類型屬性必須有一個(gè)默認(rèn)初始值
3. 類型屬性只會(huì)被初始化一次