Swift进阶 03：值类型&引用类型

2021-02-02  本文已影响0人  源本平凡

本文主要介绍为什么结构体是值类型，类是引用类型。

值类型

前提：需要了解内存五大区，内存五大区可以参考这篇文章iOS底层原理：内存五大区，如下所示

内存五大区

我们通过一个例子来引入什么是值类型

func test(){
    // 栈区声明一个地址，用来存储age变量
    var age = 18
    // 传递的值
    var age2 = age
    // age、age2是修改独立内存中的值
    age = 30
    age2 = 45
    
    print("age=\(age),age2=\(age2)")
}
test()

从例子中可以得出，age存储在栈区

值类型-1 值类型-2

所以，从上面可以说明，age就是值类型

值类型 特点

结构体

结构体的常用写法

//***** 写法一 *****
struct SunriseTeacher {
    var age: Int = 18
    
    func teach(){
        print("teach")
    }
}
let t = SunriseTeacher()

//***** 写法二 *****
struct SunriseTeacher {
    var age: Int
    
    func teach(){
        print("teach")
    }
}
let t = SunriseTeacher(age: 18)
值类型-3
结构体的SIL分析
值类型-4 值类型-5

为什么结构体是值类型？

定义一个结构体，并进行分析

值类型-6 值类型-7
问题：此时将t赋值给t1，如果修改了t1，t会发生改变吗？
值类型-8
SIL验证

同样的，我们也可以通过分析SIL来验证结构体是值类型

值类型-9

总结

引用类型

类

类的常用写法
//****** 写法一 *******
class SunriseTeacher {
    var age: Int = 18
    
    func teach(){
        print("teach")
    }
    init(_ age: Int) {
        self.age = age
    }
}
var t = SunriseTeacher.init(20)

//****** 写法二 *******
class SunriseTeacher {
    var age: Int?
    
    func teach(){
        print("teach")
    }
    init(_ age: Int) {
        self.age = age
    }
}
var t = SunriseTeacher.init(20)
引用类型-1

为什么类是引用类型？

定义一个类，通过一个例子来说明

class SunriseTeacher1 {
    var age: Int = 18
    var age2: Int = 20
}
var t1 = SunriseTeacher1()

类初始化的对象t1，存储在全局区

引用类型-2 引用类型-3
引用类型 特点
问题1：此时将t1赋值给t2，如果修改了t2，会导致t1修改吗？
引用类型-4
问题2:如果结构体中包含类对象，此时如果修改t1中的实例对象属性，t会改变吗？
class SunriseTeacher1 {
    var age: Int = 18
    var age2: Int = 20
}

struct SunriseTeacher {
    var age: Int = 18
    var age2: Int = 20
    var teacher: SunriseTeacher1 = SunriseTeacher1()
}

var t = SunriseTeacher()

var t1 = t
t1.teacher.age = 30

print("t.teacher.age = \(t.teacher.age) \nt1.teacher.age = \(t1.teacher.age)")

//打印结果如下
t.teacher.age = 30
t1.teacher.age = 30

从打印结果中可以看出，如果修改t1中的实例对象属性，会导致t中实例对象属性的改变。虽然在结构体中是值传递，但是对于teacher，由于是引用类型，所以传递的依然是地址

同样可以通过lldb调试验证

引用类型-5

注意：在编写代码过程中，应该尽量避免值类型包含引用类型

查看当前的SIL文件，尽管SunriseTeacher1是放在值类型中的，在传递的过程中，不管是传递还是赋值，teacher都是按照引用计数进行管理的

引用类型-6

可以通过打印teacher的引用计数来验证我们的说法，其中teacher的引用计数为3

引用类型-7

主要是是因为：

引用类型-8

mutating

通过结构体定义一个栈，主要有push、pop方法，此时我们需要动态修改栈中的数组

引用类型-9 
struct SunriseStack {
    var items: [Int] = []
    func push(_ item: Int) {
        items.append(item)
    }
}
引用类型-10

从图中可以看出，push函数除了item，还有一个默认参数self，self是let类型，表示不允许修改

struct SunriseStack {
    var items: [Int] = []
    func push(_ item: Int) {
        var s = self
        s.items.append(item)
    }
}

var s = SunriseStack()
s.push(1)
print(s.items)

// ****打印结果如下****
[]

可以得出上面的代码并不能将item添加进去，因为s是另一个结构体对象，相当于值拷贝，此时调用push是将item添加到s的数组中了

struct SunriseStack {
    var items: [Int] = []
    mutating func push(_ item: Int) {
        items.append(item)
    }
}

var s = SunriseStack()
s.push(1)
print(s.items)

// ****打印结果如下****
[1]

查看其SIL文件，找到push函数，发现与之前有所不同，push添加mutating（只用于值类型）后，本质上是给值类型函数添加了inout关键字，相当于在值传递的过程中，传递的是引用（即地址）

引用类型-11

inout关键字

一般情况下，在函数的声明中，默认的参数都是不可变的，如果想要直接修改，需要给参数加上inout关键字

引用类型-12 引用类型-13
总结

总结

通过上述LLDB查看结构体 & 类的内存模型，有以下总结：

方法调度

通过上面的分析，我们有以下疑问：结构体和类的方法存储在哪里？下面来一一进行分析

静态派发

值类型对象的函数的调用方式是静态调用，即直接地址调用，调用函数指针，这个函数指针在编译、链接完成后就已经确定了，存放在代码段，而结构体内部并不存放方法。因此可以通过地址直接调用

静态派发-1 静态派发-2

对于上面的分析，还有个疑问：直接地址调用后面是符号，这个符号哪里来的？

静态派发-3

是从Mach-O文件中的符号表Symbol Tables，但是符号表中并不存储字符串，字符串存储在String Table（字符串表，存放了所有的变量名和函数名，以字符串形式存储），然后根据符号表中的偏移值到字符串中查找对应的字符，然后进行命名重整：工程名+类名+函数名，如下所示

静态派发-4

还可以通过终端命令nm，获取项目中的符号表

静态派发-5 静态派发-6
函数符号命名规则
#include <stdio.h>
void test(){    }
静态派发-7 静态派发-8
ASLR
ASLR-1 ASLR-2

动态派发

汇编指令补充

探索class的调度方式

首先介绍下V_Table在SIL文件中的格式

// 声明sil vtable关键字
decl ::= sil-vtable
// sil vtable中包含 关键字、标识（即类名）、所有的方法
2 sil-vtable ::= 'sil_vtable' identifier '{' sil-vtable-entry* '}'
// 方法中包含了声明以及函数名称
3 sil-vtable-entry ::= sil-decl-ref ':' sil-linkage? sil-function-na
me

例如，以SunriseTacher为例，其SIL中的v-table如下所示

class SunriseTeacher{
    func teach(){}
    func teach2(){}
    func teach3(){}
    func teach4(){}
    @objc deinit{}
    init(){}
}
动态派发-1 动态派发-2 动态派发-3

观察这几个方法的偏移地址，可以发现方法是连续存放的，正好对应V-Table函数表中的排放顺序，即是按照定义顺序排放在函数表中

动态派发-4
函数表源码探索

下面来进行函数表底层的源码探索

函数表-1

其内部是通过for循环编码，然后offset+index偏移，然后获取method，将其存入到偏移后的内存中，从这里可以印证函数是连续存放的

对于class中函数来说，类的方法调度是通过V-Table，其本质就是一个连续的内存空间（数组结构）。

问题：如果更改方法声明的位置呢？例如extension中的函数，此时的函数调度方式还是函数表调度吗

通过以下代码验证

extension SunriseTeacher{
    func teach5(){ print("teach5") }
}

class SunriseStudent: SunriseTeacher{}
函数表-2

其原因是因为子类将父类的函数表全部继承了，如果此时子类增加函数，会继续在连续的地址中插入，假设extension函数也是在函数表中，则意味着子类也有，但是子类并没有相关的指针记录函数 是父类方法 还是子类方法，所以不知道方法该从哪里插入，导致extension中的函数无法安全的放入子类中。所以在这里可以侧面证明extension中的方法是直接调用的，且只属于类，子类是无法继承的

开发注意点：
class SunriseTeacher{}

extension SunriseTeacher{
    var age: Int{
        get{
            return 18
        }
    }
    func teach(){
        print("teach")
    }
}

class SunriseMiddleTeacher: SunriseTeacher{
    func study() {
        print("SunriseMiddleTeacher study")
    }
}

var t = SunriseMiddleTeacher()

//子类有父类extension中方法的访问权限，只是不能继承和重写
t.teach()
t.study()
print(t.age)

// <!--运行结果-->
teach
SunriseMiddleTeacher study
18

final、@objc、dynamic修饰函数

final 修饰
class CJLTeacher {
    final func teach(){ print("teach") }
    func teach2(){ print("teach2") }
    func teach3(){ print("teach3") }
    func teach4(){ print("teach4") }
    @objc deinit{}
    init(){}
}
image
@objc 修饰

使用@objc关键字是将swift中的方法暴露给OC

class CJLTeacher{
    @objc func teach(){ print("teach") }
    func teach2(){ print("teach2") }
    func teach3(){ print("teach3") }
    func teach4(){ print("teach4") }
    @objc deinit{}
    init(){}
}

通过SIL+断点调试，发现@objc修饰的方法是 函数表调度

image

【小技巧】：混编头文件查看方式：查看项目名-Swift.h头文件

image 
<!--swift类-->
class CJLTeacher: NSObject {
    @objc func teach(){ print("teach") }
    func teach2(){ print("teach2") }
    func teach3(){ print("teach3") }
    func teach4(){ print("teach4") }
    @objc deinit{}
    override init(){}
}

<!--桥接文件中的声明-->
SWIFT_CLASS("_TtC9_3_指针10CJLTeacher")
@interface CJLTeacher : NSObject
- (void)teach;
- (nonnull instancetype)init OBJC_DESIGNATED_INITIALIZER;
@end

<!--OC调用-->
//1、导入swift头文件
#import "CJLOCTest-Swift.h"
//2、调用
CJLTeacher *t = [[CJLTeacher alloc] init];
[t teach];

查看SIL文件发现被@objc修饰的函数声明有两个：swift + OC（内部调用的swift中的teach函数）

image

即在SIL文件中生成了两个方法

dynamic 修饰

以下面代码为例，查看dynamic修饰的函数的调度方式

class WRSTeacher: NSObject {
    dynamic func teach(){ print("teach") }
    func teach2(){ print("teach2") }
    func teach3(){ print("teach3") }
    func teach4(){ print("teach4") }
    @objc deinit{}
    override init(){}
}

其中teach函数的调度还是 函数表调度，可以通过断点调试验证，使用dynamic的意思是可以动态修改，意味着当类继承自NSObject时，可以使用method-swizzling

image
场景：swift中实现方法交换

在swift中的需要交换的函数前，使用dynamic修饰，然后通过：@_dynamicReplacement(for: 函数符号)进行交换，如下所示

class WRSTeacher: NSObject {
    dynamic func teach(){ print("teach") }
    func teach2(){ print("teach2") }
    func teach3(){ print("teach3") }
    func teach4(){ print("teach4") }
    @objc deinit{}
    override init(){}
}

extension WRSTeacher{
    @_dynamicReplacement(for: teach)
    func teach5(){
        print("teach5")
    }
}

let t = WRSTeacher()
t.teach()
t.teach2()
t.teach3()
t.teach4()
print("end")

将teach方法替换成了teach5

image image

总结

补充：内存插件

主要补充内存插件libfooplugin.dylib安装及使用

可以在这里下载插件文件，密码: ssge

内存分区实践

堆区

有以下代码，通过cat查看t属于哪个区

class SunriseTeacher{
   func teach(){
       
   }
}

let t = SunriseTeacher()

print("end")
堆区

从结果中可以看出，是在堆区，即heap pointer

栈区

查看以下代码的内存地址位于哪个区？

func test(){
    var age: Int = 10
    print(age)
}

test()
栈区-1

从结果来看，位于栈区，即stack pointer

全局区

对于C的分析

下面是C语言的部分代码，查看其变量的内存地址

// 全局已初始化变量
int a = 10;
// 全局未初始化变量
int age;

// 全局静态变量
static int age2 = 30;

int main(int argc, const char * argv[]) {
    
    char *p = "SunriseTeacher";
    printf("%d\n", a);
    printf("%d\n", age2);
    return  0;
}
全局区-1

其中__DATA.__data表示segment.section，这里的位置和全局区并不冲突，因为一个是人为的内存分配（内存布局分区），一个是Mach-O的segment.section段中，是文件的格式划分

全局区-2 全局区-3

age在Mach-O文件中，放在了__DATA.__common段，主要放的就是未初始化的符号声明（mach-o相比内存划分更细，主要是为了更好的定位符号），当然此时的age在内存中依然在全局区

全局区-4 全局区-5 全局区-6 全局区-7 
static const int age3 = 40;
全局区-8
对于swift的分析
let age = 10

由于是不可变，所以不能通过po+cat查看内存，通过汇编 首地址+偏移 来获取age的内存，发现是在Mach-O的__DATA.__common段

image

从这里可以发现，这与C中是有所区别的。swift的不同之处：已经初始化的全局变量放在__DATA.__common段，猜测是因为 age开始是被标记为未初始化的，当我们执行代码之后才将10存储到对应的内存地址中

var age2 = 10
image

总结

对于C语言中全局变量，根据是否已经初始化，存储在Mach-O中存储位置是不同的

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