Swift语言的类与结构体--2

前言

  上一篇章 Swift语言的类与结构体--1 ，我们知道了Class和Struct中都可以定义方法，这篇文章我们来探索一下方法的区别，Swift方法的调度以及影响函数派发的方式。

一、mutating方法

struct 值类型不能被非初始化器方法修改，比如下图，会报错：

image.png

因为值类型实例方法中访问属性值，修改age，或者name的值实际上就修改了self---实例对象，所以这是不允许的Cannot assign to property: 'self' is immutable(不可变的)。需要使用mutating字段修饰，那么mutating修饰的方法与没有该字段修饰有什么不同呢？终端输入命令：swiftc main.swift -emit-sil -o main.c将swift转成sil文件看看：

struct PSYModel{
    var age: Int
    var name: String

    init(age: Int, name: String) {
        self.age = age
        self.name = name
    }
    // 没有mutating修饰 对比
    func test() {
        var temp = self.age
        print(temp)
    }
    // 有mutating修饰 对比
    mutating func changeValueFunc(age changeAge: Int, name changeName: String) {
        self.age = changeAge
        self.name = changeName
    }
}

生成SIL代码对比有没有mutating修饰的方法的区别：

// PSYModel.test()
sil hidden @$s4main8PSYModelV4testyyF : $@convention(method) (@guaranteed PSYModel) -> () {
bb0(%0 : $PSYModel):
  debug_value %0 : $PSYModel, let, name "self", argno 1 
.......
.......
.......
}

// PSYModel.changeValueFunc(age:name:)
sil hidden @$s4main8PSYModelV15changeValueFunc3age4nameySi_SStF : $@convention(method) (Int, @guaranteed String, @inout PSYModel) -> () {
bb0(%0 : $Int, %1 : $String, %2 : $*PSYModel):
  debug_value %0 : $Int, let, name "changeAge", argno 1 // id: %3
  debug_value %1 : $String, let, name "changeName", argno 2 // id: %4
  debug_value_addr %2 : $*PSYModel, var, name "self", argno 3 // id: %5
........
........
........
}

可以看到test()函数有一个默认的参数$PSYModel实例，也就是self ，最终在函数块内部是一个let修饰的常量去接受self。而changeValueFunc(age:name:)函数除了age和name参数，还有一个@inout PSYModel,也就是$*PSYModel，在函数块内部是一个var修饰的变量去接收 &self，也就是相当于在不修改self自身内存的情况下修改self的值，就需要将self的地址传到内部，拿到其值修改，即达到修改值的目的，又不修改self本身。

SIL语法中说明：@inout arguments are passed into the entry point by address.The callee does not take ownership of the referenced memory. The referenced memory must be initialized upon function entry and exit.（@inout参数按地址传递到入口点，被调用方不占有被引用的内存。引用的内存必须在函数进入和退出时初始化。）

我们再举个类似的例子：

var psyM = PSYModel.init(age: 3, name: "psy") // 实例化对象
// 拿到一个指向实例化对象的指针
var pvar = withUnsafePointer(to: &psyM){return $0}
// 将实例化对象赋值给let修饰的plet变量（注意是只拷贝，此时相对psyM实例时完全独立的）
let plet = psyM

// 修改psyM实例对象的值
psyM.age = 18
因为pvar是指向实例对象，所以当psyM的属性值改变时，通过pointee.age访问也被修改了
print(pvar.pointee.age)

// 而这个是值拷贝，是完全独立于psyM的，所以没有变
print(plet.age)

打印结果：
18
3
Program ended with exit code: 0

如：

var age = 10
func test(_ tmp: inout Int ) {
  tmp += 1
}
test(&age)
print(age)

输出结果：11

二、方法调度

在OC中编译器会转成objc_msgSend消息机制调度方法，在Swift中呢？新建一个简单的类，然后调用方法，动态调式看一下汇编代码？
源码

class PSYModel{
    
    func methodTest(){
        print("methodTest")
    }
    
    func methodTest1(){
        print("methodTest1")
    }
    
    func methodTest2(){
        print("methodTest2")
    }
}
class ViewController: UIViewController{

    override func viewDidLoad() {
        let psy = PSYModel()
        psy.methodTest()
        psy.methodTest1()
        psy.methodTest2()
    }
}

汇编

汇编调度

1.函数表调度方式

在实例对象创建函数PSYModel.__allocating_init()和内存回收swift_release之间，有三个blr跳转指令调用函数。其具体的汇编分析如下：

mov    x8, x0   // 此时X0内存的是实例对象
ldr    x8, [x0]  // x8在64位中占8字节，将x0的前8字节（Metadata）存储到x8寄存器
ldr    x8, [x8, #0x50]  // Metadata+偏移 得到函数的地址
mov    x20, x0  
str    x0, [sp]  // 保存Metadata到栈顶
blr    x8  // 寄存器寻址跳转到x8寄存器地址执行函数
ldr    x8, [sp]  // 拿到Metadata
ldr    x0, [x8]
ldr    x0, [x0, #0x58] // Metadata+偏移 得到函数的地址
mov    x20, x8
blr    x0         // 执行函数
ldr    x8, [sp]  // 拿到Metadata
ldr    x0, [x8] // 存Metadata到x0寄存器
ldr    x0, [x0, #0x60] // Metadata+偏移 得到函数的地址
mov    x20, x8
blr    x0   // 执行函数

可以发现Swift中函数的调用分为三部：

1. 创建对象，拿到Metadata
2. Metadata+ 偏移地址 ，拿到函数地址
3. 执行函数
   并且可以看到偏移值0x50 , 0x58, 0x60 相差都是相差8个字节，一个指针，说明函数地址是一片连续的内存空间，也就是函数表vtable的调度。可以通过编译的中间sil文件验证一下：
   image.png

上一篇章，我们探索到了Metadata的数据结构，有一个字段typeDescriptor---类的类型表述，不论Class，Struct，Enum都有Descriptor，根据源码以及上一篇章的探索思路最终得到他的数据结构如下：

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
}

通过MachO+动态调试验证数据结构：

MachO
首先达成一个共识就是_TEXT.__swift5_types里面的数据就是Swift类的ClassDescriptor的地址信息，以每四个字节读取，如前面四个字节小端模式读取为：0xfffffbd8，加上文件偏移(pFile)：0xbe44 ，等于 0x10000BA1C,减去基地址0x100000000，就得到0xba1c，在MachO的_TEXT,__const中找到0xba1c,就是TargetClassDescriptor里面的数据。对应TargetClassDescriptor结构体的第一个是flags，需要偏移13个四字节就到了vtable，也就是size的后面:
image.png

vtable是一段连续的地址，里面存储的是 methosTest，methodTest1，methodTest2函数地址。我们再看一下函数的数据结构，其中Impl并不是真实的imp而是offset

struct TargetMethodDescriptor {
    MethodDescriptorFlags Flags; // 4字节
    TargetRelativeDirectPointer<Runtime, void> Impl; // offset
};

到这里了，我们再结合动态调式验证一下是不是函数地址：
首先通过:image list拿到aslr，加上偏移，再加上offset看一下是否就是函数的地址。

aslr 文件偏移offset

0x0000000000a90000 + 0xba50 = 0x0000000000a9ba50根据TargetMethodDescriptor结构，偏移前面的四字节 0x0000000000a9ba50 + 0x4 = 0x0000000000a9ba54，再加上偏移offset（就是上面文件偏移offset图片的BA50里面偏移四字节后面的数据0xFFFFC250）,0x0000000000a9ba54 + 0xFFFFC250 = 0x100A97CA4，此时0x100A97CA4这个就是methodTest函数的地址，到底是不是呢？
lldb读取x8寄存器的地址：

lldb验证
竟然完美的契合，说明我们的探索结构是正确的。

2.静态派发/直接调用

当将类改成结构体struct（值类型）之后，其函数的调用方式是如下，属于静态派发方式：

结构体

类型	调用方式	extension
值类型	静态派发	静态派发
类	函数表派发	静态派发
NSObject子类	函数表派发	静态派发

三、影响函数派发的方式

• final: 添加了 final 关键字的函数无法被重写，使用静态派发，不会在 vtable 中出现，且 对 objc 运行时不可⻅。
• dynamic: 函数均可添加 dynamic 关键字，为非objc类和值类型的函数赋予动态性，但派发 方式还是函数表派发。
• @objc: 该关键字可以将Swift函数暴露给Objc运行时，依旧是函数表派发。
• @objc + dynamic: 消息派发的方式
• static：添加了static的方法

四、函数内联

  函数内联 是一种编译器优化技术，它通过使用方法的内容替换直接调用方法，从而优化性能。内联函数一般是Swift编译器的默认行为，我们无需执行任何操作，编译器会自动内联函数作为优化。当然还可以自己添加一些关键字标识，让编译器识别这些标识根据情况内联函数：

• always - 将确保使用内联函数。在函数前面添加 @inline(_always)来实现
• never - 将确保永远不会内联函数。在函数前面添加@inline(never)来实现

如果函数很长并且想避免郑加代码段大小，可以使用@inline(never)

拓展

  如果对象只在生命的文件中可见，可以使用private或者fileprivate进行修饰，编译器会对private或者fileprivate修饰的对象进行检查，在确保没有继承关系时，自动加上final标记，从而使得对象获得静态派发的特性

• fileprivate：只允许在定义的源文件中访问
• private ：定义的声明中访问