理解如何實(shí)現(xiàn)才能更好地去理解性能

內(nèi)容概覽

• 內(nèi)存分配
• 引用計(jì)數(shù)
• 方法分發(fā)
• 協(xié)議類型
• 泛型代碼
• 總結(jié)

考慮性能的維度

內(nèi)存分配

在棧上分配、回收內(nèi)存時(shí)，只需要移動(dòng)棧指針即可完成操作。操作的成本如同給一個(gè)整型變量賦值。

在堆上分配內(nèi)存時(shí)，需要在復(fù)雜的堆數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中尋找未被使用的大小適合的內(nèi)存。
在堆上回收內(nèi)存時(shí)，需要找到合適的位置，然后才能插入內(nèi)存。

很明顯，在堆上操作的成本比在棧上的更高。

除此之外，多個(gè)線程可以同時(shí)在堆上分配內(nèi)存，所以堆需要使用鎖或其他同步機(jī)制以保證完整性。
這就導(dǎo)致了更嚴(yán)重的性能消耗。

內(nèi)存分配示例

使用 struct

定義 Point 并使用

為 point1 和 point2 分配棧內(nèi)存

將 Point 賦值給 point1

將 point1 賦值給 point2

更改 point2 的值

執(zhí)行結(jié)束，回收內(nèi)存

使用 class

將 struct 改為 class

為 point1 和 point2 分配棧內(nèi)存

在堆上為 Point 分配內(nèi)存

讓 point1 指向 Point 實(shí)例

將 point2 指向 point1 指向的 Point 實(shí)例

更改 point2 指向的 Point 實(shí)例的值

釋放 Point 實(shí)例的堆內(nèi)存

釋放 point1 和 point2 的棧內(nèi)存

使用 struct 優(yōu)化內(nèi)存分配

將 String 作為 Key

請(qǐng)注意，String中的字符（Character）存儲(chǔ)在堆內(nèi)存中！

定義 struct 作為 Key

這里，使用 struct 保證內(nèi)存分配在棧上進(jìn)行，使代碼更安全也更高效！

引用計(jì)數(shù)

引用計(jì)數(shù)除了加減操作，還有以下操作：

• 間接操作
• 線程安全

Swift 偽代碼

為了執(zhí)行 retain, release 操作，Swift 需要在堆內(nèi)存中進(jìn)行引用計(jì)數(shù)。

refCount 增加

refCount 增加

refCount 減少

refCount 減少

釋放堆內(nèi)存

優(yōu)化引用計(jì)數(shù)的示例

String 類型需要使用堆內(nèi)存

將 uuid 定義為 UUID 值類型

將 mimeType 定義為 MimeType 枚舉類型

方法分發(fā)

方法分發(fā)分為兩種：

• 靜態(tài)分發(fā)
  1. 在運(yùn)行時(shí)，直接運(yùn)行方法的實(shí)現(xiàn)部分
  2. 可以進(jìn)行內(nèi)聯(lián)(代碼直接嵌入)或其他優(yōu)化操作

• 動(dòng)態(tài)分發(fā)
  1. 在運(yùn)行時(shí)，需要在函數(shù)表(V-Table)查找實(shí)現(xiàn)部分
  2. 找到實(shí)現(xiàn)部分后，才能執(zhí)行
  3. 無(wú)法進(jìn)行內(nèi)聯(lián)或其他優(yōu)化操作

內(nèi)聯(lián)優(yōu)化示例

使用 struct

調(diào)用部分被直接替換為函數(shù)的實(shí)現(xiàn)部分

以上優(yōu)化有效地避免了兩個(gè)函數(shù)的棧內(nèi)存分配。

基于繼承的多態(tài)

定義繼承結(jié)構(gòu)

運(yùn)行時(shí)的內(nèi)存布局

在函數(shù)表(V-Table)查找函數(shù)的實(shí)現(xiàn)部分

至此，我們可以看到明顯的性能消耗差異。

協(xié)議類型

沒(méi)有繼承和引用的多態(tài)

使用 protocol 和 struct

Swift 使用 Protocol Witness Table 進(jìn)行協(xié)議的方法分發(fā)

每個(gè)實(shí)現(xiàn)協(xié)議的類型都有一個(gè) Protocol Witness Table (PWT)，在這個(gè)表里可以找到函數(shù)的實(shí)現(xiàn)部分。
Swift 使用了一種特殊的內(nèi)存布局 Existential Container 來(lái)存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)了協(xié)議的不同類型。

Existential Container

Existential Container 中的前3個(gè)字(word)是 valueBuffer。

Existential Container

像 Point 這種小類型，只需要占用2個(gè)字。

Existential Container

而 Line 需要4個(gè)字，Swift 使用堆內(nèi)存存儲(chǔ)值，然后在 Existential Container 中存儲(chǔ)值的指針。

因?yàn)?Point 和 Line 類型的差異性，Existential Container 需要使用 Value Witness Table 來(lái)管理這些值的生命周期，每個(gè)類型有一個(gè) Value Witness Table。

Value Witness Table

關(guān)系示意圖

Existential Container 引用 VWT

Existential Container 引用 PWT

被展開(kāi)的執(zhí)行過(guò)程(偽代碼)

如果感興趣，建議下載 官方PDF 查看詳細(xì)流程。

使用間接存儲(chǔ)來(lái)優(yōu)化大的值類型：

泛型代碼

采用泛型的示例代碼

泛型代碼的特征：

• 靜態(tài)的多態(tài): 在調(diào)用的地方使用具體的類型
• 每種類型都有單獨(dú)的調(diào)用上下文
• 隨著調(diào)用鏈替換類型

泛型代碼的類型替換

泛型方法的實(shí)現(xiàn)：

• 共享的實(shí)現(xiàn)
• 使用 Protocol/Value Witness Table
• 每種類型都有單獨(dú)的調(diào)用上下文：傳遞 Table

泛型特殊化：

• 靜態(tài)的多態(tài): 在調(diào)用的地方使用具體的類型

• 創(chuàng)建類型專屬版本的方法

• 每個(gè)類型都有自己專屬的方法

• 可以進(jìn)行壓縮優(yōu)化

何時(shí)進(jìn)行特殊化？

• 在調(diào)用的地方
• 定義是可見(jiàn)的

開(kāi)啟 Whole Module Optimization 可以獲得更多優(yōu)化的機(jī)會(huì)。

總結(jié)

使用合適的抽象，以降低動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)的消耗

• 使用值類型：struct
• 引用類型： 特性 或 面向?qū)ο箫L(fēng)格的多態(tài)
• 泛型：靜態(tài)的多態(tài)
• 協(xié)議：動(dòng)態(tài)的多態(tài)

使用間接存儲(chǔ)解決大的值類型的引用問(wèn)題

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