iOS objc_msgSend尾调用优化机制详解

级别：★★☆☆☆
标签：「objc_msgSend」「尾调用优化」「尾递归」
作者： WYW、MrLiuQ
审校： QiShare团队

这篇文章的出现起因于QiShare团队对iOS 编写高质量Objective-C代码（二）中 （六、理解objc_msgSend（对象的消息传递机制））的激烈讨论。

这篇文章将认真彻底地分析 OC对objc_msgSend的尾调用优化。同时欢迎路过的大神留言讨论。

Q1：什么是尾调用？

尾调用（Tail Call）：某个函数的最后一步仅仅只是调用了一个函数（可以是自身，可以是另一个函数）。

QiShare提醒：注意 “仅仅” 两个字。

尾调用例子：

// 尾调用：
- (NSInteger)funcA:(NSInteger)num {

    /*  Some codes... */

    if (num == 0) {
        return [self funcA:num];// 尾调用->自身
    }    

    if (num > 0) {
        return [self funcB:num];// 尾调用->函数funcB
    }    

    return [self funcC:num];// 尾调用->函数funcC
}

正例解释：funcA的最后一步仅仅调用了另一个函数。不论是调用funcA、funcB还是funcC都属于尾调用。_{（不论调用函数的位置在哪，只要最后一步仅仅调用一个函数就行。）}

反例：不是尾调用的例子

// 不是尾调用1：
- (NSInteger)funcA:(NSInteger)num {

    NSInteger num = [self funcB:(num)];

    return num;// 不是尾调用->最后一步是返回一个值，而不是调用一个函数
}

反例解释：不是尾调用。因为最后一步是返回一个值，而不是仅仅调用一个函数。

// 不是尾调用2：
- (NSInteger)funcA:(NSInteger)num {

    return [self funcB:(num)] + 1;// 不是尾调用->原因：最后一步不仅调用了函数还有 +1 操作
}

反例解释：不是尾调用。因为最后一步不仅调用了函数还有 +1 操作。

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Q2：OC的尾调用优化体现在哪里？

小编准备了一个demo：通过“断点”和“当前内存情况”查看有无尾调用优化。

场景一：无优化 - 追加了.0不属于尾调用

无优化Demo效果图：

无尾调用优化

解释：
这种场景下，每次函数调用一直在进栈，不断申请栈空间，最后会栈溢出，最终导致崩溃。
空间复杂度O(n)，时间复杂度O(n)。

下面请看图解：

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场景二：有尾调用优化

优化Demo效果图：

尾调用优化

解释：
这种场景下，每次函数调用一直在重用栈帧，不申请栈空间。
空间复杂度O(1)，时间复杂度O(n)。

下面请看图解：

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Q3：OC是如何实现尾调用优化的？

这次讨论起因于《Effective Objective-C 2.0》作者的原话：

如果某函数的最后一项操作是调用另外一个函数，那么就可以运用“ 尾调用优化 ”技术。编译器会生成调转至另一函数所需的指令码，而且不会向调用堆栈中推入新的“栈帧”（frame stack）。只有当某函数的最后一个操作仅仅是调用其他函数而不会将其返回值另作他用时，才能执行“ 尾调用优化 ”。
这项优化对objc_msgSend非常关键，如果不这么做的话，那么每次调用Objective-C方法之前，都需要为调用objc_msgSend函数准备“栈帧”，大家在“栈踪迹”（stack trace）中可以看到这种“栈帧”。此外，如果不优化，还会过早地发生“栈溢出”（stack overflow）现象。

作者这一段概括的话，很精简。而小编第一次看时，感觉很懵懂。在这里，QiShare对这段话进行了详细的分析：

1. 尾调用优化的本质：很简单，就是栈帧的复用。

2. 尾调用优化的条件有三点：

   • 尾调用函数不需要访问当前栈帧中的变量。（变量可以作为形参，但是不能作为实参）
   • 尾调用返回后，函数没有语句需要执行。（最后一步仅仅只能执行一个函数）
   • 尾调用结果就是函数的返回值。（不能有别的“附加品”，最后一步仅仅只能是执行一个函数）

3. 函数调用的过程：函数调用会在内存中申请一块“栈帧”，保存调用的地址和内部变量等信息。如果函数A内部调用函数B，那么在函数A的栈帧上就会加上一个函数B的栈帧
   。如果函数B再调用了函数C，那么函数A的栈帧上就会有序加上函数B和函数C的栈帧。如果C运行结束了，返回到函数B，C的栈帧才会消失。

4. 尾调用优化实现原理：当函数A的最后一步仅仅是调用另一个函数B时（或者调用自身函数A），这时，因为函数A的位置信息和内部变量已经不会再用到了，直接把函数A的栈帧交给函数B使用。

5. 尾调用优化关键图解：
   

总结：
1. 尾调用：某个函数的最后一步仅仅调用了一个函数（可以是自身，可以是另一个函数）。
2. OC的尾调用优化的本质是：栈帧的复用
3. 尾调用优化实现原理：当函数A的最后一步仅仅是调用另一个函数B时（或者调用自身函数A），这时，因为函数A的位置信息和内部变量已经不会再用到了，直接把函数A的栈帧交给函数B使用。

PS：尾调用优化在Release模式下才会有，Debug模式下没有。

本文Demo源码地址

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