swift 进阶：内存管理 & Runtime

swift 进阶之路：学习大纲

swift引用计数：

• swift对象都是以HeapObject为模板创建，其中HeapObject的模板中第二个元素，是refCount引用计数属性，该属性记录了strong(强引用计数)和unowned(弱引用计数)等信息。
• weak修饰的对象，会另外生成WeakReference对象，内部HeapObjectSideTableEntry散列表类- - 在原heapObject类的基础上，重新记录了refCount（管理strong和unowned引用计数）并新增了weakBits弱引用计数。

swift与OC强引用计数对比

• OC中创建实例对象时为0

• swift中创建实例对象时默认为1

1. Swift三大引用计数(strong、unowned、weak)

• 不管是哪种引用，持有的都是原对象（从p到p5内存地址可以看出）
• 在每一行执行完后，x/4g打印p对象内存信息，在第二个地址上，可以清晰感受到，强引用和无主引用的引用计数在有规律的增加，而弱引用却没有变化。

refCount内存布局

• isImmortal（0）

• UnownedRefCount（1-31）： unowned的引用计数

• isDeinitingMask（32）：是否进行释放操作

• StrongExtraRefCount（33-62）： 强引用计数

• UseSlowRC（63）

重点关注UnownedRefCount和StrongExtraRefCount

总结

对于HeapObject来说，其refCounts有两种：

• 无弱引用：strongCount+ unownedCount
• 有弱引用：object + xxx + （strongCount + unownedCount） + weakCount

HeapObject {
    InlineRefCountBit {strong count + unowned count }

    HeapObjectSideTableEntry{
        HeapObject *object
        xxx
        strong Count + unowned Count（uint64_t）//64位
        weak count（uint32_t)//32位
    }
}

弱引用

• 我们知道swift是使用ARC（自动引用计数管理）的。如果产生循环引用，我们必须有弱引用机制去打破循环。

swift中的弱引用，使用weak修饰。与OC不同的是：

• OC:
  弱引用计数是存放在全局维护的散列表中，isa中会记录是否使用了散列表。
  在引用计数为0时，自动触发dealloc,会检查并清空当前对象的散列表计数。

• swift:
  弱引用计数也是存放在散列表中，但这个散列表不是全局的。

*   如果对象`没有`使用`weak`弱引用，就是单纯的`HeapObject`对象，`没有散列表`。
*   如果使用`weak`弱引用，会变为`WeakReference`对象。这是一个`Optionl(可空对象)`。其结构中自带`散列表计数`区域。
    但`swift`的`散列表`与`refCount`无关联。当`强引用计数`为`0`时，不会触发`散列表`的清空。而是在`下次访问`发现`当前对象不存在（为nil）`时，会清空`散列表计数`。

下面，我们通过案例和源码来分析swift的弱引用： WeakReference对象和内存结构

案例：

• 可以发现：
  weak修饰前，p对象是HeapObject类型，可从refCount中看出强引用计数和无主引用计数。
  weak修饰后，p对象的类型变了

image

• 可以看到weak修饰的p1对象，变成了optinal可选值。
  （不难理解，weak修饰的对象，不会改变原对象的引用计数，只是多一层可空的状态）

image

• 断点，汇编可以看到swift_weakInit初始化，swift_weakDestroy释放。

image

• 常规对象与弱引用对象区别：

image

2. 内存管理 - 循环引用

主要是研究闭包捕获外部变量，以下面代码为例

var age = 10
let clourse = {
    age += 1
}
clourse()
print(age)

<!--打印结果-->
11

从输出结果中可以看出：闭包内部对变量的修改将会改变外部原始变量的值,主要原因是闭包会捕获外部变量，这个与OC中的block是一致的

• 定义一个类，在test函数作用域消失后，会执行init

class CJLTeacher {
    var age = 18
    //反初始化器（当前实例对象即将被回收）
    deinit {
        print("CJLTeacher deinit")
    }
}
func test(){
    var t = CJLTeacher()
}
test()

<!--打印结果-->
CJLTeacher deinit

• 修改例子，通过闭包修改其属性值

class CJLTeacher {
    var age = 18
    //反初始化器（当前实例对象即将被回收）
    deinit {
        print("CJLTeacher deinit")
    }
}
var t = CJLTeacher()
let clourse = {
    t.age += 1
}
clourse()

<!--打印结果-->
11

• 【修改1】将上面例子修改为如下，其中闭包是否对t有强引用？

class CJLTeacher {
    var age = 18
    deinit {
        print("CJLTeacher deinit")
    }
}

func test(){
    var t = CJLTeacher()
    let clourse = {
        t.age += 1
    }
    clourse()
}
test()

<!--运行结果-->
CJLTeacher deinit

运行结果发现，闭包对 t 并没有强引用

• 【修改2】继续修改例子为如下，是否有强引用？

class CJLTeacher {
    var age = 18

    var completionBlock: (() ->())?

    deinit {
        print("CJLTeacher deinit")
    }
}

func test(){
    var t = CJLTeacher()
    t.completionBlock = {
        t.age += 1
    }
}
test()

从运行结果发现，没有执行deinit方法，即没有打印CJLTeacher deinit，所以这里有循环引用

image

循环引用解决方法

有两种方式可以解决swift中的循环引用

• 【方式一】使用weak修饰闭包传入的参数，其中参数的类型是optional

func test(){
    var t = CJLTeacher()
    t.completionBlock = { [weak t] in
        t?.age += 1
    } 
}

• 【方式二】使用unowned修饰闭包参数，与weak的区别在于unowned不允许被设置为nil，即总是假定有值的

func test(){
    var t = CJLTeacher()
    t.completionBlock = { [unowned t] in
        t.age += 1
    } 
}

捕获列表

• [weak t] / [unowned t] 在swift中被称为捕获列表

• 定义在参数列表之前

• 【书写方式】捕获列表被写成用逗号括起来的表达式列表，并用方括号括起来

• 如果使用捕获列表，则即使省略参数名称、参数类型和返回类型，也必须使用in关键字

• [weak t] 就是取t的弱引用对象 类似weakself

请问下面代码的clourse()调用后，输出的结果是什么？

func test(){
    var age = 0
    var height = 0.0
    //将变量age用来初始化捕获列表中的常量age，即将0给了闭包中的age（值拷贝）
    let clourse = {[age] in
        print(age)
        print(height)
    }
    age = 10
    height = 1.85
    clourse()
}

<!--打印结果-->
0
1.85

所以从结果中可以得出：对于捕获列表中的每个常量，闭包会利用周围范围内具有相同名称的常量/变量，来初始化捕获列表中定义的常量。有以下几点说明：

• 捕获列表中的常量是值拷贝，而不是引用

• 捕获列表中的常量的相当于复制了变量age的值

• 捕获列表中的常量是只读的，即不可修改

3、 swift中Runtime探索

请问下面代码，会打印方法和属性吗？

class CJLTeacher {
    var age: Int = 18
    func teach(){
        print("teach")
    }
}

let t = CJLTeacher()

func test(){
    var methodCount: UInt32 = 0
    let methodList = class_copyMethodList(CJLTeacher.self, &methodCount)
    for i in 0..<numericCast(methodCount) {
        if let method = methodList?[I]{
            let methodName = method_getName(method)
            print("方法列表：\(methodName)")
        }else{
            print("not found method")
        }
    }

    var count: UInt32 = 0
    let proList = class_copyPropertyList(CJLTeacher.self, &count)
    for i in 0..<numericCast(count) {
        if let property = proList?[I]{
            let propertyName = property_getName(property)
            print("属性成员属性:\(property)")
        }else{
            print("没有找到你要的属性")
        }
    }
    print("test run")
}
test()

运行结果如下，发现并没有打印方法和属性

image

• 【尝试1】如果给属性 和 方法 都加上 @objc，可以打印吗？

  image

  从运行结果看，是可以打印，但是由于类并没有暴露给OC，所以OC是无法使用的，这样做是没有意义的

• 【尝试2】如果swift的类继承NSObject，没有@objc修饰属性和方法，是否可以打印全部属性+方法？

  image

  从结果发现获取的只有init方法，主要是因为在 swift.h文件中暴露出来的只有init方法

• 如果想让OC能使用，必须类继承NSObject + @objc修饰属性、方法

  image

• 如果去掉@objc修饰属性，将方法改成dynamic修饰，是否可以打印方法？

  image

  从结果可以看出，依旧不能被OC获取到，需要修改为@objc dynamic修饰

  image

结论

• 对于纯swift类来说，没有 动态特性dynamic（因为swift是静态语言），方法和属性不加任何修饰符的情况下，已经不具备runtime特性，此时的方法调度，依旧是函数表调度即V_Table调度

• 对于纯swift类，方法和属性添加@objc标识的情况下，可以通过runtime API获取到，但是在OC中是无法进行调度的，原因是因为swift.h文件中没有swift类的声明

• 对于继承自NSObject类来说，如果想要动态的获取当前属性+方法，必须在其声明前添加 @objc关键字，如果想要使用方法交换，还必须在属性+方法前添加dynamic关键字，否则当前属性+方法只是暴露给OC使用，而不具备任何动态特性

objc源码验证

（由于xcode12.2暂时无法运行objc源码，下列验证图片仅供参考）

• 进入class_copyMethodList源码,断住，查看此时的cls，其中data()存储类的信息

  image

• 进入data，打印bits、superclass

  image

  从这里可以得出swift中有默认基类，即_SwiftObject

• 打印methods

  image

• swift源码中搜索_SwiftObject，继承自NSObject，在内存结构上与OC基本类似的

#if __has_attribute(objc_root_class)
__attribute__((__objc_root_class__))
#endif
SWIFT_RUNTIME_EXPORT @interface SwiftObject<NSObject> {
 @private
  Class isa;
  //refCounts
  SWIFT_HEAPOBJECT_NON_OBJC_MEMBERS;
}

• 在swift类的结构中，其中TargetAnyClassMetadata继承自TargetHeapMetaData，其中只有一个属性kind，TargetAnyClassMetadata有四个属性：isa、superclass、cacheData、data即bits

  image

  所以swift为了保留和OC交互，其在底层存储的数据结构上和OC是一致的

• objc源码中搜索swift_class_t，继承自objc_class，保留了OC模板类的4个属性，其次才是自己的属性

struct swift_class_t : objc_class {
    uint32_t flags;
    uint32_t instanceAddressOffset;
    uint32_t instanceSize;
    uint16_t instanceAlignMask;
    uint16_t reserved;

    uint32_t classSize;
    uint32_t classAddressOffset;
    void *description;
    // ...

    void *baseAddress() {
        return (void *)((uint8_t *)this - classAddressOffset);
    }
};

问题：为什么继承NSObject？：必须通过NSObject声明，来帮助编译器判断，当前类是一个和OC交互的类

4、元类型、AnyClass、Self

AnyObject

• AnyObject：代表任意类的instance、类的类型、仅类遵守的协议

class CJLTeacher: NSObject {
    var age: Int = 18
}

var t = CJLTeacher()

//此时代表的就是当前CJLTeacher的实例对象
var t1: AnyObject = t

//此时代表的是CJLTeacher这个类的类型
var t2: AnyObject = CJLTeacher.self

//继承自AnyObject，表示JSONMap协议只有类才可以遵守
protocol JSONMap: AnyObject { }

例如如果是结构体遵守协议，会报错

image

需要将struct修改成class

//继承自AnyObject，表示JSONMap协议只有类才可以遵守
protocol JSONMap: AnyObject {

}
class CJLJSONMap: JSONMap {

}

Any

• Any：代表任意类型，包括 function类型 或者Optional类型,可以理解为AnyObject是Any的子集

//如果使用AnyObject会报错，而Any不会
var array: [Any] = [1, "cjl", "", true]

AnyClass

• AnyClass：代表任意实例的类型 ，类型是AnyObject.Type
  • 查看定义,是public typealias AnyClass = AnyObject.Type

T.self & T.Type

• T.self：

  • 如果T是实例对象，返回的就是它本身

  • 如果T是类，那么返回的是MetaData

• T.Type：一种类型，

• T.self 是 T.Type类型

//此时的self类型是  CJLTeacher.Type
var t = CJLTeacher.self

打印结果如下

• 查看t1、t2存储的是什么？

var t = CJLTeacher()
//实例对象地址：实例对象.self 返回实例对象本身
var t1 = t.self
//存储metadata元类型
var t2 = CJLTeacher.self

image

type(of:)

• type(of:)：用来获取一个值的动态类型

<!--demo1-->
var age = 10 as NSNumber
print(type(of: age))

<!--打印结果-->
__NSCFNumber

<!--demo2-->
//value - static type 静态类型：编译时期确定好的
//type(of:) - dynamic type：Int
var age = 10
//value的静态类型就是Any
func test(_ value: Any){

    print(type(of: value))
}

test(age)

<!--打印结果-->
Int

实践

demo1

请问下面这段代码的打印结果是什么？

class CJLTeacher{
    var age = 18
    var double = 1.85
    func teach(){
        print("LGTeacher teach")
    }
}
class CJLPartTimeTeacher: CJLTeacher {
    override func teach() {
        print("CJLPartTimeTeacher teach")
    }
}

func test(_ value: CJLTeacher){
    let valueType = type(of: value)
    value.teach()
    print(value)
}
var t = CJLPartTimeTeacher()
test(t)

<!--打印结果-->
CJLPartTimeTeacher teach
CJLTest.CJLPartTimeTeacher

demo2

请问下面代码的打印结果是什么？

protocol TestProtocol {

}
class CJLTeacher: TestProtocol{
    var age = 18
    var double = 1.85
    func teach(){
        print("LGTeacher teach")
    }
}

func test(_ value: TestProtocol){
    let valueType = type(of: value)
    print(valueType)
}
var t = CJLTeacher()
let t1: TestProtocol = CJLTeacher()
test(t)
test(t1)

<!--打印结果-->
CJLTeacher
CJLTeacher

• 如果将test中参数的类型修改为泛型，此时的打印是什么？

func test<T>(_ value: T){
    let valueType = type(of: value)
    print(valueType)
}

<!--打印结果-->
CJLTeacher
TestProtocol

从结果中发现，打印并不一致，原因是因为当有协议、泛型时，当前的编译器并不能推断出准确的类型，需要将value转换为Any，修改后的代码如下：

func test<T>(_ value: T){
    let valueType = type(of: value as Any)
    print(valueType)
}

<!--打印结果-->
CJLTeacher
CJLTeacher

demo3

在上面的案例中，如果class_getClassMethod中传t.self，可以获取方法列表吗？

func test(){
    var methodCount: UInt32 = 0
    let methodList = class_copyMethodList(t.self, &methodCount)
    for i in 0..<numericCast(methodCount) {
        if let method = methodList?[I]{
            let methodName = method_getName(method)
            print("方法列表：\(methodName)")
        }else{
            print("not found method")
        }
    }

    var count: UInt32 = 0
    let proList = class_copyPropertyList(CJLTeacher.self, &count)
    for i in 0..<numericCast(count) {
        if let property = proList?[I]{
            let propertyName = property_getName(property)
            print("属性成员属性:\(property)")
        }else{
            print("没有找到你要的属性")
        }
    }
    print("test run")
}
test()

从结果运行看，并不能，因为t.self是实例对象本身，即CJLTeacher，并不是CJLTeacher.Type类型

总结

• 当无弱引用时，HeapObject中的refCounts等于 strongCount + unownedCount

• 当有弱引用时，HeapObject中的refCounts等于 object + xxx + （strongCount + unownedCount) + weakCount

• 循环应用可以通过weak / unowned修饰参数来解决

• swift中闭包的捕获列表是值拷贝，即深拷贝，是一个只读的常量

• swift由于是静态语言，所以属性、方法在不加任何修饰符的情况下时是不具备动态性即Runtime特性的，此时的方法调度是V-Table函数表调度

• 如果想要OC使用swift类中的方法、属性，需要class继承NSObject，并使用@objc修饰

• 如果想要使用方法交换，除了继承NSObject+@objc修饰，还必须使用dynamic修饰

• Any：任意类型，包括function类型、optional类型

• AnyObject：任意类的instance、类的类型、仅类遵守的协议，可以看作是Any的子类

• AnyClass：任意实例类型，类型是AnyObject.Type

• T.self：如果T是实例对象，则表示它本身，如果是类，则表示metadata.T.self的类型是T.Type

参考：https://www.jianshu.com/p/0cc765a325cb