一、異變方法
1.1 值類型添加/不添加mutating關(guān)鍵字的區(qū)別
Swift語言中的類型有值類型與引用類型之分，對于引用類型，在實例方法中對實例屬性進(jìn)行修改是沒有問題的，但是對于值類型，讀者需要格外注意，默認(rèn)情況下，值類型屬性不能被修改。示例代碼如下：
///創(chuàng)建一個結(jié)構(gòu)體
struct Point {
var x: Double
var y: Double
func move(x deltaX: Double, y deltaY: Double) {
x += deltaX
y += deltaY
}
}
編譯上面的代碼會報如下圖所示錯誤:
對于值類型，使用mutating關(guān)鍵字修飾實例方法才能對屬性進(jìn)行修改，示例代碼如下:
///創(chuàng)建一個結(jié)構(gòu)體
struct Point {
var x: Double
var y: Double
///將點進(jìn)行移動，因為修改了屬性的值，需要用mutating修飾方法
mutating func move(x deltaX: Double, y deltaY: Double) {
x += deltaX
y += deltaY
}
}
var point = Point(x: 3, y: 3)
///進(jìn)行移動，此時位置為(6,6)
point.move(x: 3, y: 3)
實際上，在值類型實例方法中修改值類型屬性的值就相當(dāng)于創(chuàng)建了一個新的實例，上面的代碼和下面的代碼原理是一致的:
///創(chuàng)建一個結(jié)構(gòu)體
struct Point {
var x: Double
var y: Double
///將點進(jìn)行移動，直接創(chuàng)建新的實例
mutating func move(x deltaX: Double, y deltaY: Double) {
self = Point(x: self.x + x, y: self.y + y)
}
}
var point = Point(x: 3, y: 3)
///進(jìn)行移動，此時位置為(6,6)
point.move(x: 3, y: 3)
1.2 SIL文檔探究異變方法本質(zhì)
下面我們通過SIL來對比一下，不添加mutating和添加mutating兩者有什么區(qū)別：
///創(chuàng)建一個結(jié)構(gòu)體
struct Point {
var x: Double
var y: Double
///沒有用mutating修飾，和下面的move函數(shù)進(jìn)行對比
func test() {
let tmp = self.x
print(tmp)
}
///將點進(jìn)行移動，直接創(chuàng)建新的實例
mutating func move(x deltaX: Double, y deltaY: Double) {
self = Point(x: self.x + x, y: self.y + y)
}
}
var point = Point(x: 3, y: 3)
///進(jìn)行移動，此時位置為(6,6)
point.move(x: 3, y: 3)
// Point.test()
sil hidden @$s4main5PointV4testyyF : $@convention(method) (Point) -> () {
// %0 "self" // users: %2, %1
bb0(%0 : $Point):
debug_value %0 : $Point, let, name "self", argno 1 // id: %1
分析上面的代碼，可以知道test函數(shù)，有一個默認(rèn)參數(shù)self，類型是Point類型。這里的test函數(shù)實際就是let self = Point，是直接取值。
// Point.move(x:y:)
sil hidden @$s4main5PointV4move1x1yySd_SdtF : $@convention(method) (Double, Double, @inout Point) -> () {
// %0 "deltaX" // user: %3
// %1 "deltaY" // user: %4
// %2 "self" // users: %33, %23, %19, %11, %7, %5
bb0(%0 : $Double, %1 : $Double, %2 : $*Point):
debug_value %0 : $Double, let, name "deltaX", argno 1 // id: %3
debug_value_addr %2 : $*Point, var, name "self", argno 3 // id: %5
分析上面的代碼，可以知道move函數(shù)，有兩個參數(shù)x，y，有一個默認(rèn)參數(shù)self，類型是Point類型，一個是一個@inout關(guān)鍵字，那么我們先來看一下inout在官方文檔的解釋是什么。
SIL 文檔的解釋 - inout
An @inout parameter is indirect. The address must be of an initialized object.（當(dāng)前參數(shù)類型是間接的，傳遞的是已經(jīng)初始化過的地址）
這里的move函數(shù)實際就是var self = *Point，由原來的直接取值改變?yōu)榱俗兞咳〉刂贰?/p>
由此我們可以得出異變方法的本質(zhì): 對于異變方法, 傳入的 self被標(biāo)記為 inout 參數(shù)。無論在mutating 方法內(nèi)部發(fā)生什么，都會影響外部依賴類型的一切。
如果在開發(fā)中真的需要在函數(shù)內(nèi)部修改傳遞參數(shù)的變量的值，可以將此參數(shù)聲明為inout 類型。
1.3 輸入輸出參數(shù)inout
輸入輸出參數(shù): 如果我們想函數(shù)能夠修改一個形式參數(shù)的值，而且希望這些改變在函數(shù)結(jié)束之后 依然生效，那么就需要將形式參數(shù)定義為 輸入輸出形式參數(shù) 。在形式參數(shù)定義開始的時候在前邊添加一個inout 關(guān)鍵字可以定義一個輸入輸出形式參數(shù)。
///在函數(shù)內(nèi)部修改參數(shù)變量的值
func myFunc(a: inout Int) {
a += 1
}
var a = 15;
myFunc(a: &a)
///將打印16
print(a)
上面的代碼中將參數(shù)a聲明為inout 類型，在傳參時需要使用‘&’ 符號，這個符號將傳遞參數(shù)變量的內(nèi)存地址。
二、方法調(diào)度
2.1 函數(shù)調(diào)用過程
在OC中，方法調(diào)度是通過消息發(fā)送機制，也就是objc_msgsend。那么在Swift中的方法調(diào)度又是怎樣的一種形式哪？我們一起通過下面的代碼來求證分析一下。
import UIKit
class ZGTeacher {
func teach() {
print("teach")
}
func teach1() {
print("teach1")
}
func teach2() {
print("teach2")
}
}
class ViewController: UIViewController {
override func viewDidLoad() {
super.viewDidLoad()
let t = ZGTeacher()
t.teach()
t.teach1()
t.teach2()
}
}
給三個函數(shù)方法打上斷點，編譯時選擇Xcode->Debug -> Debug Workflow ->Always Show Disassembly，我們來看一下對應(yīng)的匯編打印
0x109299e8c <+108>: callq 0x109299dd0 ; ZGSwiftAPPTest.ZGTeacher.__allocating_init() -> ZGSwiftAPPTest.ZGTeacher at ViewController.swift:10
0x109299e91 <+113>: movq %rax, %r13
0x109299e94 <+116>: movq %r13, -0x30(%rbp)
0x109299e98 <+120>: movq %r13, -0x28(%rbp)
-> 0x109299e9c <+124>: movq (%r13), %rax
0x109299ea0 <+128>: movq 0x50(%rax), %rax
0x109299ea4 <+132>: callq *%rax
0x109299ea6 <+134>: movq -0x30(%rbp), %r13
0x109299eaa <+138>: movq (%r13), %rax
0x109299eae <+142>: movq 0x58(%rax), %rax
0x109299eb2 <+146>: callq *%rax
0x109299eb4 <+148>: movq -0x30(%rbp), %r13
0x109299eb8 <+152>: movq (%r13), %rax
0x109299ebc <+156>: movq 0x60(%rax), %rax
0x109299ec0 <+160>: callq *%rax
0x109299ec2 <+162>: movq -0x30(%rbp), %rdi
0x109299ec6 <+166>: callq 0x10929bac6 ; symbol stub for: swift_release
我們看到關(guān)鍵字__allocating_init()，這很明顯是在開辟空間，而關(guān)鍵字swift_release告知我們這里是在銷毀空間，而斷點停在第124行，0x109299e9c <+124>: movq (%r13), %rax，很明顯這里是我們的teach函數(shù)開始執(zhí)行的地方，同樣的，第138行和152行分別代表了teach1函數(shù)和teach2函數(shù)執(zhí)行。
第128行 0x50(%rax)
第142行 0x58(%rax)
第156行 0x60(%rax)
這三行地址的值，每一個相差8個字節(jié)，說明他們函數(shù)地址的值在內(nèi)存里是連續(xù)的一塊內(nèi)存空間。
通過上面匯編指令的對應(yīng)分析，可以知道函數(shù)teach的調(diào)用過程
- Metadata
- 確定函數(shù)地址（metadata + 偏移量）
- 執(zhí)行函數(shù)xxx
它們是基于函數(shù)表的調(diào)度,下面我們通過SIL文件的角度來看一下它的調(diào)度
2.2 基于函數(shù)表V-table的調(diào)度
下面我們?nèi)サ鬤code ->Debug -> Debug Workflow ->Always Show Disassembly，匯編指令打印，在項目中添加如下路徑的sh文件
選擇
other->Aggregate,創(chuàng)建一個Script的Target
選擇
New Run Script Phase添加一個新的sh文件，并在Run Script添加以下sh代碼
swiftc -emit-silgen -Onone -target x86_64-apple-ios15.2-simulator -sdk $(xcrun --show-sdk-path --sdk iphonesimulator) ${SRCROOT}/ZGSwiftAPPTest/ViewController.swift > ./ViewController.sil && open ViewController.sil
編譯運行這個Script Target，就可以生成并打開對應(yīng)的sil文件。下面我們來分析一下這份sil文件。
sil_vtable ZGTeacher {
#ZGTeacher.teach: (ZGTeacher) -> () -> () : @$s14ViewController9ZGTeacherC5teachyyF // ZGTeacher.teach()
#ZGTeacher.teach1: (ZGTeacher) -> () -> () : @$s14ViewController9ZGTeacherC6teach1yyF // ZGTeacher.teach1()
#ZGTeacher.teach2: (ZGTeacher) -> () -> () : @$s14ViewController9ZGTeacherC6teach2yyF // ZGTeacher.teach2()
#ZGTeacher.init!allocator: (ZGTeacher.Type) -> () -> ZGTeacher : @$s14ViewController9ZGTeacherCACycfC // ZGTeacher.__allocating_init()
#ZGTeacher.deinit!deallocator: @$s14ViewController9ZGTeacherCfD // ZGTeacher.__deallocating_deinit
}
這里就羅列了我們的 ZGTeacher函數(shù)里都有哪些函數(shù)，是以vtable存放并羅列對應(yīng)函數(shù)的函數(shù)表。
2.3 typeDescriptor源碼分析
之前我們在第一節(jié)課講到了 Metdata 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，那么 V-Table是存放在什么地方那？ 我們先來回顧一下當(dāng)前的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
struct Metadata {
var kind: Int
var superClass: Any.Type
var cacheData: (Int, Int)
var data: Int
var classFlags: Int32
var instanceAddressPoint: UInt32
var instanceSize: UInt32
var instanceAlignmentMask: UInt16
var reserved: UInt16
var classSize: UInt32
var classAddressPoint: UInt32
var typeDescriptor: UnsafeMutableRawPointer
var iVarDestroyer: UnsafeRawPointer
}
這里我們有一個東西需要關(guān)注typeDescriptor ，不管是 Class ， Struct , Enum 都有自己 的 Descriptor ，就是對類的一個詳細(xì)描述。
我們通過查看Swift源碼,找到這個Metadata.h文件
ConstTargetMetadataPointer<Runtime, TargetClassDescriptor>
getDescription() const {
return Description;
}
struct TargetClassDescriptor {
var flags: UInt32
var parent: UInt32
var name: Int32
var accessFunctionPointer: Int32
var fieldDescriptor: Int32
var superClassType: Int32
var metadataNegativeSizeInWords: UInt32
var metadataPositiveSizeInWords: UInt32
var numImmediateMembers: UInt32
var numFields: UInt32
var fieldOffsetVectorOffset: UInt32
var Offset: UInt32
var size: UInt32
//V-Table
}
2.4 Mach-o文件讀取分析
Mach-O: Mach-O 其實是Mach Object文件格式的縮寫，是 mac 以及 iOS 上可執(zhí)行文件的格 式， 類似于 windows 上的 PE 格式 (Portable Executable ), linux 上的 elf 格式 (Executable and Linking Format) 。常見的 .o，.a .dylib Framework，dyld .dsym。
Mach-O文件格式：
- 首先是
文件頭，表明該文件是 Mach-O 格式，指定目標(biāo)架構(gòu)，還有一些其他的文件屬性信 息，文件頭信息影響后續(xù)的文件結(jié)構(gòu)安排 -
Load commands是一張包含很多內(nèi)容的表。內(nèi)容包括區(qū)域的位置、符號表、動態(tài)符號表 等。
Load commands.png -
Data區(qū)主要就是負(fù)責(zé)代碼和數(shù)據(jù)記錄的。Mach-O 是以Segment這種結(jié)構(gòu)來組織數(shù)據(jù)的，一個Segment可以包含 0 個或多個Section。根據(jù)Segment是映射的哪一個Load Command，Segment中Section就可以被解讀為是是代碼，常量或者一些其他的數(shù)據(jù)類 型。在裝載在內(nèi)存中時，也是根據(jù)Segment做內(nèi)存映射的。
在新建項目的時候，Xcode 不會自動生成Products文件，可以參考這篇文章：Xcode13 新建項目 Products 目錄顯示方法
用 MachOView 工具打開 Mach-O 文件的格式大概長這樣：
前面的四個字節(jié) 80 FB FF FF 就是 ZGTeacher 的 Descriptor 信息，那用 80 FB FF FF 加上前面的 00007CAC 得到的就是 Descriptor 在當(dāng)前 Mach-O 文件的內(nèi)存地址。
它們怎么相加呢，iOS 屬于小端模式，所以 80 FB FF FF 要從右邊往左讀。也就是:
0xFFFFFB80 + 0x00007CAC = 0x10000782C
0x10000782C 這個值是我拿計算器算的，那么 0x100000000 就是 Mach-O 文件中虛擬內(nèi)存的基地址，如下圖所示:
我們用0x10000782C - 0x100000000 = 0x782C 就是 ZGTeacher 在整個 Data 區(qū)的內(nèi)存地址。我們找到 TEXT, const。
如圖所示，這個0x7820是首地址，偏移12個字節(jié)就是0x782c，也是意味著，它后面的數(shù)據(jù)是 TargetClassDescriptor的數(shù)據(jù)，所以我們可以在這里拿到 ZGTeacher 的虛函數(shù)表 - ZGTeacher 方法的地址。
計算 TargetClassDescriptor 中 VTable 前面的數(shù)據(jù)大小，求得偏移量。一共 12 個 4 字節(jié)（48字節(jié)）的成員變量，12 個四字節(jié)的成員變量再加上 size（4字節(jié)）得到 52 字節(jié)，再往后的 24 字節(jié)就是teach，teach1，teach2 方法的結(jié)構(gòu)地址（一個函數(shù)地址占 8 字節(jié)）。如圖所示：
如圖中所示，0x7860 - 0x7867 是 teach 結(jié)構(gòu)在 Mach-O 文件的地址。那么在程序中如何找到該地址呢。
ASLR 是一個隨機偏移地址，這個隨機偏移地址的目的是為了給應(yīng)用程序一個隨機內(nèi)存地址。
image list 是列出應(yīng)用程序運行的模塊，我們找到第一個，其內(nèi)存地址為 0x000000010eaeb000，這個地址就是當(dāng)前應(yīng)用程序的基地址。
接下來我在Swift源碼中找到這么一個結(jié)構(gòu)體TargetMethodDescriptor。
struct TargetMethodDescriptor {
/// 4字節(jié)
MethodDescriptorFlags Flags;
/// 這里存儲的是相對指針，offset
TargetRelativeDirectPointer<Runtime, void> Impl;
};
到這里，TargetMethodDescriptor 結(jié)構(gòu)體的地址就可以確定了，那么要找到函數(shù)地址，還需要偏移 Flags + Impl，得到的就是函數(shù)的地址。 綜合以上的邏輯開始計算：
// 應(yīng)用程序的基地址：0x000000010eaeb000，teach 結(jié)構(gòu)地址：0x7860，F(xiàn)lags：0x4，offset：1C C2 FF FF
// 注意！小端模式要從右往左，所以為 FFFFC21C
0x000000010C493000 + 7860 + 0x4 + FFFFC21C = 0x20EAEEA80
// 接下來需要減掉 Mach-O 文件的虛擬地址 0x100000000，得到的就是函數(shù)的地址。
0x20EAEEA80 - 0x100000000 = 0x10EAEEA80
打開匯編調(diào)試，讀取匯編中 teach 的地址，驗證 0x10EAEEA80 就是否就是 teach 的地址。到這里就完全驗證了 Swift 類的方法確實是存放在 VTable - 虛函數(shù)表里面的。
2.5 方法調(diào)度方式總結(jié)
三、影響函數(shù)派發(fā)方式
3.1 final
添加了final 關(guān)鍵字的函數(shù)無法被重寫，使用靜態(tài)派發(fā),不會在vtable中出現(xiàn)，且對objc運行時不可見。
示例如下：
class Shape {
final var center:(Double, Double)
init() {
center = (0, 0)
}
}
3.2 dynamic
函數(shù)均可添加 dynamic 關(guān)鍵字，為非objc類和值類型的函數(shù)賦予動態(tài)性，但派發(fā)方式還是函數(shù)表派發(fā)。
3.3 @objc
該關(guān)鍵字可以將Swift函數(shù)暴露給Objc運行時，依舊是函數(shù)表派發(fā)。
3.4 @objc + dynamic
消息派發(fā)的方式
四、函數(shù)內(nèi)聯(lián)
4.1 什么是函數(shù)內(nèi)聯(lián)
函數(shù)內(nèi)聯(lián) 是一種編譯器優(yōu)化技術(shù)，它通過使用方法的內(nèi)容替換直接調(diào)用該方法，從而優(yōu) 化性能。
4.2 @inline(__always)
將確保始終內(nèi)聯(lián)函數(shù)。通過在函數(shù)前添加 @inline(__always) 來實現(xiàn)此行為。
4.3 @inline(never)
將確保永遠(yuǎn)不會內(nèi)聯(lián)函數(shù)。這可以通過在函數(shù)前添加 @inline(never) 來實現(xiàn)。 如果函數(shù)很長并且想避免增加代碼段大小，請使用@inline(never)
