swift指针&内存管理-指针类型使用

2022-11-22 本文已影响0人 erlich

为什么说指针不安全

我们在创建一个对象的时候，是需要在堆上开辟内存空间的
但是这个内存空间的声明周期是有限的
也就意味着如果使用指针指向这块内存空间，当这块内存空间的生命周期结束（引用计数为0），那么当前的指针就变成未定义的了
创建的内存空间是有边界的，通过指针访问的内存空间超过已开辟内存空间的边界，也就是访问了一个未知的内存空间
指针类型与内存的值类型不一致，也不安全，这一点参考 swift指针&内存管理-内存绑定

指针类型

Swift中的指针分为两类 typed pointer(指定指针数据类型) & raw pointer(原生指针-未指定指针数据类型)

image.png

如果需要开辟一段连续的内存空间，就可以使用 unsafeBufferPointer<T>, 当然了unsafeMutableBufferPointer<T> 就是可变的

连续的原生内存空间 unsafeRawBufferPointer / unsafeMutableRawBufferPointer , 这种指针需要结合指针内存绑定来使用

原始指针-rawPointer 的使用

如何使用 rawPointer 来存储4个整型的数据

在存储之前，先了解几个概念

print("MemoryLayout<Int>.size = \(MemoryLayout<Int>.size)")
print("MemoryLayout<Int>.stride = \(MemoryLayout<Int>.stride)")
print("MemoryLayout<Int>.alignment = \(MemoryLayout<Int>.alignment)")
print("MemoryLayout<Int32>.size = \(MemoryLayout<Int32>.size)")
print("MemoryLayout<Int32>.stride = \(MemoryLayout<Int32>.stride)")
print("MemoryLayout<Int32>.alignment = \(MemoryLayout<Int32>.alignment)")
print("MemoryLayout<Int16>.size = \(MemoryLayout<Int16>.size)")
print("MemoryLayout<Int16>.stride = \(MemoryLayout<Int16>.stride)")
print("MemoryLayout<Int16>.alignment = \(MemoryLayout<Int16>.alignment)")

结果：

MemoryLayout<Int>.size = 8

MemoryLayout<Int>.stride = 8

MemoryLayout<Int>.alignment = 8

MemoryLayout<Int32>.size = 4

MemoryLayout<Int32>.stride = 4

MemoryLayout<Int32>.alignment = 4

MemoryLayout<Int16>.size = 2

MemoryLayout<Int16>.stride = 2

MemoryLayout<Int16>.alignment = 2

MemoryLayout 是用来测定内存的

stride是步长，也就是一段连续内存空间指定类型指针的偏移最小单位

alignment是对齐字节，一段连续内存空间，指令读取内存数据，都是标准化操作，不会出现第一个整型读了8字节，下一个整型读了4字节这样

然后我们进行 4个整型的数据的存储

首先开辟一块内存空间

UnsafeMutableRawPointer.allocate(byteCount: Int, alignment: Int)

byteCount: 开辟内存空间的总的字节大小

alignment: 连续内存空间中每一个整型数据的对齐大小

然后存储 - UnsafeMutableRawPointer - storeBytes(of: T, as: T.Type)

of - 存储的数据

as - 存储的数据的类型

let mP = UnsafeMutableRawPointer.allocate(
    byteCount: 4 * MemoryLayout<Int>.size, 
    alignment: MemoryLayout<Int>.stride)
    
for i in 0..<4 {
    mP.storeBytes(of: i, as: Int.self)
}
// 取出
for i in 0..<4 {
    let mV = mP.load(as: Int.self)
    let mV = mP.load(fromByteOffset: i * MemoryLayout<Int>.stride, as: Int.self)
    print("mV ===> \(mV)")
}

结果

mV ===> 3

为什么不是 0， 1， 2， 3

这是因为 mP 指向 UnsafeMutableRawPointer.allocate 开辟出来的一段连续内存空间首地址

mP.load(as: Int.self) 循环里每次取的都是从首地址处取出数据，所以总是一样的3

调整之后

let mP = UnsafeMutableRawPointer.allocate(
    byteCount: 4 * MemoryLayout<Int>.size, 
    alignment: MemoryLayout<Int>.stride)
    
for i in 0..<4 {
    mP.storeBytes(of: i, as: Int.self)
}
// 取出
for i in 0..<4 {
    let mV = mP.load(fromByteOffset: i * MemoryLayout<Int>.stride, as: Int.self)
    print("mV ===> \(mV)")
}

结果

mV ===> 3

mV ===> 0

mV ===> 16

mV ===> 0

这又是为何

因为 mP.storeBytes(of: i, as: Int.self) 每次也只是往 mP指向的连续内存空间的首地址里存储，所以最后存储的 3会覆盖前面的几次写值

let mP = UnsafeMutableRawPointer.allocate(
    byteCount: 4 * MemoryLayout<Int>.size, 
    alignment: MemoryLayout<Int>.stride)
    
for i in 0..<4 {
    // 正解
    mP.advanced(by: i * MemoryLayout<Int>.stride).storeBytes(of: i, as: Int.self)
}
// 取出
for i in 0..<4 {
    let mV = mP.load(fromByteOffset: i * MemoryLayout<Int>.stride, as: Int.self)
    print("mV ===> \(mV)")
}

结果

mV ===> 0

mV ===> 1

mV ===> 2

mV ===> 3

也可以直接计算具体指针位置进行写值，前提是必须知道指针的类型才可以

for i in 0..<4 {
    (mP + i * MemoryLayout<Int>.stride).storeBytes(of: i, as: Int.self)
}

size/stride/alignment的理解

情况一

struct IFLObject1 {
    var age: Int
    var gender: Bool
}

print("MemoryLayout<IFLObject1>.size = \(MemoryLayout<IFLObject1>.size)")
print("MemoryLayout<IFLObject1>.stride = \(MemoryLayout<IFLObject1>.stride)")
print("MemoryLayout<IFLObject1>.alignment = \(MemoryLayout<IFLObject1>.alignment)")

结果

MemoryLayout<IFLObject1>.size = 9

MemoryLayout<IFLObject1>.stride = 16

MemoryLayout<IFLObject1>.alignment = 8

image.png

情况二

class IFLobject2 {
    var age: Int = 0
    var gender: Bool = true
    var heigh: Double = 170
    var heigh1: Double = 170
    var heigh2: Double = 170
    var heigh3: Double = 170
}
print("MemoryLayout<IFLobject2>.size = \(MemoryLayout<IFLObject2>.size)")
print("MemoryLayout<IFLobject2>.stride = \(MemoryLayout<IFLObject2>.stride)")
print("MemoryLayout<IFLobject2>.alignment = \(MemoryLayout<IFLObject2>.alignment)")

结果

MemoryLayout<IFLobject2>.size = 8

MemoryLayout<IFLobject2>.stride = 8

MemoryLayout<IFLobject2>.alignment = 8

与结构体不同的是，struct属于值类型，栈上开辟空间，class 堆上开辟内存空间，指针大小为8字节，所以8字节对齐，步长也是8字节

泛型指针的使用

泛型指针相比原生指针来说，就是当前指针绑定到了具体的类型

泛型指针访问过程中，并不是使用store load 方法进行存储取值操作，而是使用到泛型指针内置的变量pointee

var age = 10
var age1 = withUnsafePointer(to: &age) {
    $0.pointee + 1
}
print("age1 = \(age1)")

结果

age1 = 11

另一种情况

var age = 10
withUnsafePointer(to: &age) {
    $0.pointee += 1
}

这种情况下指针 $0 是不可变的，同时$ 0指向的内容 $0.pointee也是不可变的, 如果要操作，调整如下

var age = 10
withUnsafeMutablePointer(to: &age) {
    $0.pointee += 1
}
print("age = \(age)")

结果

age = 11

还有一种方式直接分配内存

var age = 10
let tPtr = UnsafeMutablePointer<Int>.allocate(capacity: 1)
tPtr.initialize(to: age)
print(tPtr.pointee)

结果

struct IFLObjStruct {
    var age: Int
    var height: Double
}
var tPtr = UnsafeMutablePointer<IFLObjStruct>.allocate(capacity: 5)
tPtr[0] = IFLObjStruct(age: 19, height: 170.0)
tPtr[1] = IFLObjStruct(age: 20, height: 171.0)
tPtr[2] = IFLObjStruct(age: 21, height: 172.0)
tPtr[3] = IFLObjStruct(age: 22, height: 173.0)
tPtr[4] = IFLObjStruct(age: 23, height: 174.0)

print(tPtr[4])

结果

IFLObjStruct(age: 23, height: 174.0)

还可以

struct IFLObjStruct {
    var age: Int
    var height: Double
}
var tPtr = UnsafeMutablePointer<IFLObjStruct>.allocate(capacity: 5)
tPtr[0] = IFLObjStruct(age: 19, height: 170.0)
tPtr[1] = IFLObjStruct(age: 20, height: 171.0)
tPtr[2] = IFLObjStruct(age: 21, height: 172.0)
tPtr[3] = IFLObjStruct(age: 22, height: 173.0)
tPtr[4] = IFLObjStruct(age: 23, height: 174.0)
tPtr.deinitialize(count: 5)
// 回收内存空间
tPtr.deallocate()

tPtr = UnsafeMutablePointer<IFLObjStruct>.allocate(capacity: 5)
for i in 0..<5 {
    tPtr.advanced(by: i).initialize(to: IFLObjStruct(age: 19 + i * 5, height: 170.0 + Double(i * 5)))
}
for i in 0..<5 {
    print(tPtr.advanced(by: i).pointee)
}

结果

IFLObjStruct(age: 19, height: 170.0)

IFLObjStruct(age: 24, height: 175.0)

IFLObjStruct(age: 29, height: 180.0)

IFLObjStruct(age: 34, height: 185.0)

IFLObjStruct(age: 39, height: 190.0)

注意：

tPtr.advanced by 参数含义是只需要标明移动多少个指针内存单位，并不需要计算具体移动的内存块字节大小，

因为泛型指针已经指明了当前内存绑定的具体类型，与原生指针 adviced by 参数有所区别

一般情况下，我们会在 defer 中,也就是当前程序运行完成之后, 执行 deinitialize 与 deallocate

swift指针&内存管理-指针类型使用

为什么说指针不安全

指针类型

原始指针-rawPointer 的使用

size/stride/alignment的理解

情况一

情况二

泛型指针的使用

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