iOS开发-Swift进阶之内存管理 & Runtime!

swift进阶总汇

本文主要介绍swift中的内存管理，涉及引用计数、弱引用、强引用、循环引用、Runtime等

内存管理 - 强引用

在swift中也是使用ARC来追踪和管理内存的，下面我们通过一个案例来进行分析

class CJLTeacher {
    var age: Int = 18
    var name: String = "CJL"
}
var t = CJLTeacher()
var t1 = t
var t2 = t

查看t的内存情况，为什么其中的refCounts是0x0000000600000003？

在分析类时（参考这篇文章Swift-进阶 02：类、对象、属性）有这么一个类HeapObject，下面继续通过这个类来分析t的引用计数

分析源码 HeapObject -> InlineRefCounts

struct HeapObject {
  HeapMetadata const *metadata;

  SWIFT_HEAPOBJECT_NON_OBJC_MEMBERS;
  ...
}
👇
#define SWIFT_HEAPOBJECT_NON_OBJC_MEMBERS       \
  InlineRefCounts refCounts

进入InlineRefCounts定义，是RefCounts类型的别名，而RefCounts是模板类，真正决定的是传入的类型InlineRefCountBits

typedef RefCounts<InlineRefCountBits> InlineRefCounts;
👇
template <typename RefCountBits>
class RefCounts {
  std::atomic<RefCountBits> refCounts;
  ...
}

分析InlineRefCountBits，是RefCountBitsT类的别名

typedef RefCountBitsT<RefCountIsInline> InlineRefCountBits;

分析RefCountBitsT，有bits属性

template <RefCountInlinedness refcountIsInline>
class RefCountBitsT {
    ...
      typedef typename RefCountBitsInt<refcountIsInline, sizeof(void*)>::Type
    BitsType;
    ...
    BitsType bits;
    ...
}
👇
template <>
struct RefCountBitsInt<RefCountNotInline, 4> {
  //类型
  typedef uint64_t Type;
  typedef int64_t SignedType;
};

其中bits其实质是将RefCountBitsInt中的type属性取了一个别名，所以bits的真正类型是uint64_t即64位整型数组

然后来继续分析swift中对象创建的底层方法swift_allocObject

分析初始化源码swift_allocObject

static HeapObject *_swift_allocObject_(HeapMetadata const *metadata,
                                       size_t requiredSize,
                                       size_t requiredAlignmentMask) {
    ...
    new (object) HeapObject(metadata);
    ...
}
👇
<!--构造函数-->
 constexpr HeapObject(HeapMetadata const *newMetadata) 
    : metadata(newMetadata)
    , refCounts(InlineRefCounts::Initialized)
  { }

进入Initialized定义，是一个枚举，其对应的refCounts方法中，

   enum Initialized_t { Initialized };
  
  //对应的RefCounts方法
// Refcount of a new object is 1.
constexpr RefCounts(Initialized_t)
: refCounts(RefCountBits(0, 1)) {}

从这里看出真正干事的是RefCountBits

作为一个开发者，有一个学习的氛围跟一个交流圈子特别重要，这是一个我的iOS开发交流群：130 595 548，不管你是小白还是大牛都欢迎入驻，让我们一起进步，共同发展！（群内会免费提供一些群主收藏的免费学习书籍资料以及整理好的几百道面试题和答案文档！）

进入RefCountBits定义，也是一个模板定义

template <typename RefCountBits>
class RefCounts {
  std::atomic<RefCountBits> refCounts;
  ...
}

所以真正的初始化地方是下面这个，实际上是做了一个位域操作，根据的是Offsets

LLVM_ATTRIBUTE_ALWAYS_INLINE
constexpr
RefCountBitsT(uint32_t strongExtraCount, uint32_t unownedCount)
: bits((BitsType(strongExtraCount) << Offsets::StrongExtraRefCountShift) |
       (BitsType(1)                << Offsets::PureSwiftDeallocShift) |
       (BitsType(unownedCount)     << Offsets::UnownedRefCountShift))
{ }

分析RefCountsBit的结构，如下所示，

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

将t的refCounts用二进制展示，其中强引用计数为3

分析SIL代码

当只有t实例变量时

当有t + t1时，查看是否有 strong_retain操作

//SIL中的main
alloc_global @main.t1 : main.CJLTeacher       // id: %8
%9 = global_addr @main.t1 : main.CJLTeacher : $*CJLTeacher // user: %11
%10 = begin_access [read] [dynamic] %3 : $*CJLTeacher // users: %12, %11
copy_addr %10 to [initialization] %9 : $*CJLTeacher // id: %11

//其中copy_addr等价于
- %new = load s*LGTeacher
- strong_retain %new
- store %new to %9

SIL官方文档中关于copy_addr的解释如下

其中的strong_retain对应的就是 swift_retain，其内部是一个宏定义，内部是_swift_retain_，其实现是对object的引用计数作+1操作

//内部是一个宏定义
HeapObject *swift::swift_retain(HeapObject *object) {
  CALL_IMPL(swift_retain, (object));
}
👇
//本质调用的就是 _swift_retain_
static HeapObject *_swift_retain_(HeapObject *object) {
  SWIFT_RT_TRACK_INVOCATION(object, swift_retain);
  if (isValidPointerForNativeRetain(object))
    object->refCounts.increment(1);
  return object;
}
👇
void increment(uint32_t inc = 1) {
    auto oldbits = refCounts.load(SWIFT_MEMORY_ORDER_CONSUME);
    
    // constant propagation will remove this in swift_retain, it should only
    // be present in swift_retain_n
    if (inc != 1 && oldbits.isImmortal(true)) {
      return;
    }
    //64位bits
    RefCountBits newbits;
    do {
      newbits = oldbits;
      bool fast = newbits.incrementStrongExtraRefCount(inc);
      if (SWIFT_UNLIKELY(!fast)) {
        if (oldbits.isImmortal(false))
          return;
        return incrementSlow(oldbits, inc);
      }
    } while (!refCounts.compare_exchange_weak(oldbits, newbits,
                                              std::memory_order_relaxed));
  }

回退到HeapObject，从InlineRefCounts进入，其中是c++中的模板定义，是为了更好的抽象，在其中查找bits（即decrementStrongExtraRefCount方法）

LLVM_NODISCARD LLVM_ATTRIBUTE_ALWAYS_INLINE
bool incrementStrongExtraRefCount(uint32_t inc) {
// This deliberately overflows into the UseSlowRC field.
// 对inc做强制类型转换为 BitsType
// 其中 BitsType(inc) << Offsets::StrongExtraRefCountShift 等价于 1<<33位，16进制为 0x200000000
//这里的 bits += 0x200000000，将对应的33-63转换为10进制，为
bits += BitsType(inc) << Offsets::StrongExtraRefCountShift;
return (SignedBitsType(bits) >= 0);
}

例如以t的refCounts为例（其中62-33位是strongCount，每次增加强引用计数增加都是在33-62位上增加的，固定的增量为1左移33位，即0x200000000）

只有t时的refCounts是 0x0000000200000003
t + t1时的refCounts是 0x0000000400000003 = 0x0000000200000003 + 0x200000000
t + t1 + t2 时的refCounts是 0x0000000600000003 = 0x0000000400000003 + 0x200000000
针对上面的例子，可以通过CFGetRetainCOunt获取引用计数,发现依次是 2、3、4，默认多了一个1

如果将t、t1、t2放入函数中，还会再次retain一次

为什么是0x200000000？
因为1左移33位，其中4位为一组，计算成16进制，剩余的33-32位0x10，转换为10进制为2。其实际增加引用技术就是1

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

内存管理 - 弱引用

以下面为例：

class CJLTeacher {
    var age: Int = 18
    var name: String = "CJL"
    var stu: CJLStudent?
}

class CJLStudent {
    var age = 20
    var teacher: CJLTeacher?
}

func test(){
    var t = CJLTeacher()
    weak var t1 = t
}

查看t的引用计数变化

弱引用声明的变量是一个可选值，因为在程序运行过程中是允许将当前变量设置为nil的
在t1处加断点，查看汇编

查看 swift_weakInit函数，这个函数是由WeakReference来调用的，相当于weak字段在编译器声明过程中就自定义了一个WeakReference的对象，其目的在于管理弱引用

WeakReference *swift::swift_weakInit(WeakReference *ref, HeapObject *value) {
  ref->nativeInit(value);
  return ref;
}

进入nativeInit

void nativeInit(HeapObject *object) {
auto side = object ? object->refCounts.formWeakReference() : nullptr;
nativeValue.store(WeakReferenceBits(side), std::memory_order_relaxed);
}

进入formWeakReference，创建sideTable，

template <>
HeapObjectSideTableEntry* RefCounts<InlineRefCountBits>::formWeakReference()
{
  //创建 sideTable
  auto side = allocateSideTable(true);
  if (side)
  // 如果创建成功，则增加弱引用
    return side->incrementWeak();
  else
    return nullptr;
}

进入allocateSideTable

template <>
HeapObjectSideTableEntry* RefCounts<InlineRefCountBits>::allocateSideTable(bool failIfDeiniting)
{
  // 1、先拿到原本的引用计数
  auto oldbits = refCounts.load(SWIFT_MEMORY_ORDER_CONSUME);
  
  // Preflight failures before allocating a new side table.
  if (oldbits.hasSideTable()) {
    // Already have a side table. Return it.
    return oldbits.getSideTable();
  } 
  else if (failIfDeiniting && oldbits.getIsDeiniting()) {
    // Already past the start of deinit. Do nothing.
    return nullptr;
  }

  // Preflight passed. Allocate a side table.
  
  // FIXME: custom side table allocator
  //2、创建sideTable
  HeapObjectSideTableEntry *side = new HeapObjectSideTableEntry(getHeapObject());
  // 3、将创建的地址给到InlineRefCountBits
  auto newbits = InlineRefCountBits(side);
  
  do {
    if (oldbits.hasSideTable()) {
      // Already have a side table. Return it and delete ours.
      // Read before delete to streamline barriers.
      auto result = oldbits.getSideTable();
      delete side;
      return result;
    }
    else if (failIfDeiniting && oldbits.getIsDeiniting()) {
      // Already past the start of deinit. Do nothing.
      return nullptr;
    }
    
    side->initRefCounts(oldbits);
    
  } while (! refCounts.compare_exchange_weak(oldbits, newbits,
                                             std::memory_order_release,
                                             std::memory_order_relaxed));
  return side;
}

1、先拿到原本的引用计数
2、创建sideTable
3、将创建的sideTable地址给InlineRefCountBits，并查看其初始化方法，根据sideTable地址作了偏移操作并存储到内存，相当于将sideTable直接存储到了64位的变量中

所以上面的0xc000000020809a6c是HeapObjectSideTableEntry实例对象的内存地址，即散列表的地址（除去63、62位）

64位用于记录原有引用计数
32位用于记录弱引用计数
查看HeapObjectSideTableEntry定义，其中有object对象、refCounts

进入SideTableRefCounts，同InlineRefCounts类似，实际做事的是SideTableRefCountBits，继承自RefCountBitsT（存的是uint64_t类型的64位的信息），还有一个uint32_t的weakBits，即32位的位域信息

以0xc000000020809a6c为例，将62、63位清零，变成0x20809A6C，然后左移3位（即InlineRefCountBits初始化方法），变成0x10404D360即HeapObjectSideTableEntry对象地址，即散列表地址，然后通过x/8g读取

问题：如果此时再加一个强引用t2
查看其refCounts，t2是执行了strong_retain的

源码查看 _swift_retain_ -> increment -> incrementSlow -> incrementStrong

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
    }
}

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

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

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

【尝试1】如果给属性和方法都加上 @objc，可以打印吗？

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？

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
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？

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

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
进入data，打印bits、superclass

从这里可以得出swift中有默认基类，即_SwiftObject

打印methods

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;
}

在之前的文章中Swift-进阶 02：类、对象、属性，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

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

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

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

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