swift进阶 学习大纲
- 上一节，我们完成了源码编译。本节，我们
探索Swift的编译流程和类结构
- swift编译流程
- 类结构
强烈建议先阅读LLVM入门，再开始本节的阅读
1. swift编译流程
在了解swift编译流程前，我们需要知道LLVM是什么（ LLVM入门）。
LLVM是架构编译器。可以为任何编程语言独立编写前端，也可以为任何硬件架构独立编写后端。
image.png
比如：swift语言使用的前端编译器是swiftc，而oc语言使用的前端编译器是Clang，但它们都会将源代码编译为IR中间代码，交给LLVM，而LLVM会输出指定硬件架构（如手机arm64、电脑x86_64）的.O 机器可执行文件。
oc的clang编译流程，我们在LLVM入门中分析得十分清楚。
- 现在，我们开始
swift的编译全流程分析。
可参考WWDC - 2015 LLVM视频
1.1 语法命令
- 打开
终端，输入swiftc -h，查看语法命令:
-dump-ast 语法和类型检查，打印AST语法树
-dump-parse 语法检查，打印AST语法树
-dump-pcm 转储有关预编译Clang模块的调试信息
-dump-scope-maps
Parse and type-check input file(s) and dump the scope map(s)
-dump-type-info Output YAML dump of fixed-size types from all imported modules
-dump-type-refinement-contexts
Type-check input file(s) and dump type refinement contexts(s)
-emit-assembly Emit assembly file(s) (-S)
-emit-bc 输出一个LLVM的BC文件
-emit-executable 输出一个可执行文件
-emit-imported-modules 展示导入的模块列表
-emit-ir 展示IR中间代码
-emit-library 输出一个dylib动态库
-emit-object 输出一个.o机器文件
-emit-pcm Emit a precompiled Clang module from a module map
-emit-sibgen 输出一个.sib的原始SIL文件
-emit-sib 输出一个.sib的标准SIL文件
-emit-silgen 展示原始SIL文件
-emit-sil 展示标准的SIL文件
-index-file 为源文件生成索引数据
-parse 解析文件
-print-ast 解析文件并打印（漂亮/简洁的）语法树
-resolve-imports 解析import导入的文件
-typecheck 检查文件类型
- 新建一个
HTDemo的swift项目，新建HTPerson.swift文件，测试代码：
class HTPerson {
var age: Int = 18
var name: String = "ht"
}
let t = HTPerson()
拓展命令：
- 将
打印结果，输出为文档的命令：命令语句后 + `>> ./XXX && open XXX` // 命令语句： swiftc -emit-sil HTPerson.swift // 输出文件： >> ./HTPerson.sil // 打开文件： open HTPerson.sil 例如: swiftc -emit-sil HTPerson.swift >> ./HTPerson.sil && open HTPerson.sil
- 另一个相同
命令：命令语句后 + ` | col -b > XXX` // 命令语句为：`swiftc -print-ast HTPerson.swift` // 输出文档为`ast.swift` 例如: swiftc -dump-ast HTPerson.swift | col -b > ast.swift
1.2 Swift编译流程
Swift编译流程
- 将
swift源码编译为AST语法树
swiftc -dump-ast HTPerson.swift >> ast.swift- 生成
SIL源码
swiftc -emit-sil HTPerson.swift >> ./HTPerson.sil- 生成
IR中间代码
swiftc -emit-ir HTPerson.swift >> ir.swift- 输出
.o机器文件
swiftc -emit-object HTPerson.swift（ps：以上是各环节
关键命令，其他命令可自行尝试和查看）
1.3 SIL分析
SIL(
Swift intermediate language)：swift中间语言
调用swiftc -emit-sil HTPerson.swift >> ./HTPerson.sil命令，生成HTPerson.sil文件。用VSCode打开SIL文件
1.3.1 main函数分析
// main
sil @main : $@convention(c) (Int32, UnsafeMutablePointer>>) -> Int32 {
bb0(%0 : $Int32, %1 : $UnsafeMutablePointer>>):
// 创建全局变量HTPerson
alloc_global @$s8HTPerson1tA2ACvp // id: %2
// 读取全局变量HTPerson地址，赋值给%3
%3 = global_addr @$s8HTPerson1tA2ACvp : $*HTPerson // user: %7
// metatype读取HTPerson的Type(Metadata)，赋值给%4
%4 = metatype $@thick HTPerson.Type // user: %6
// 将HTPerson.__allocating_init() 函数地址给%5
%5 = function_ref @$s8HTPersonAACABycfC : $@convention(method) (@thick HTPerson.Type) -> @owned HTPerson // user: %6
// 调用%5函数，将返回值给%6
%6 = apply %5(%4) : $@convention(method) (@thick HTPerson.Type) -> @owned HTPerson // user: %7
// 将%6存储到%3 (%3是HTPerson类型)
store %6 to %3 : $*HTPerson // id: %7
// 构建Int并return
%8 = integer_literal $Builtin.Int32, 0 // user: %9
%9 = struct $Int32 (%8 : $Builtin.Int32) // user: %10
return %9 : $Int32 // id: %10
} // end sil function 'main'
@main标识当前HTPerson.swift文件的入口函数，SIL标识符号名称以@作为前缀%0,%1...在SIL中也叫寄存器，类似代码中的常量,一旦赋值后不可修改。如果SIL中还要继续使用，就需要使用新的寄存器
（此寄存器是虚拟的，只作为临时标识，最终运行到机器，会使用真的寄存器）
1.3.2 实例化分析
-
HTPerson()实际调用如下：
// HTPerson.__allocating_init()
sil hidden [exact_self_class] @$s8HTPersonAACABycfC : $@convention(method) (@thick HTPerson.Type) -> @owned HTPerson {
// %0 "$metatype"
bb0(%0 : $@thick HTPerson.Type):
// 读取HTPerson的`alloc_ref`方法地址，给%1
%1 = alloc_ref $HTPerson // user: %3
// 读取HTPerson.init()函数地址，给%2
%2 = function_ref @$s8HTPersonAACABycfc : $@convention(method) (@owned HTPerson) -> @owned HTPerson // user: %3
// 调用`alloc_ref`创建一个HTPerson实例对象，给%3
%3 = apply %2(%1) : $@convention(method) (@owned HTPerson) -> @owned HTPerson // user: %4
// 返回%3(HTPerosn类型)
return %3 : $HTPerson // id: %4
} // end sil function '$s8HTPersonAACABycfC'
- 类似的
SIL分析，可以多看几个实例，慢慢找感觉。
2. 类结构
对象初始化
- OC:
[[HTPerosn alloc] init]
一般alloc申请内存空间并创建对象，init对象进行统一初始化处理。- Swift：
HTPerson()
直接()就完成了对象的创建。
我们一起去探索Swift的对象创建流程：
2.1 对象的创建（alloc）
创建
测试代码，实例化处加断点：
image.png顶部
Debug->Debug workflow->Always Show Disassembly，勾选汇编模式:
image.png
运行代码，可以看到是调用了__allocating_init()进行的实例化。
image.png添加
__allocating_init符号断点，继续运行，发现内部调用了swift_allocObject：
image.png添加
swift_allocObject符号断点，继续运行，发现内部调用了_swift_allocObject_后，继续调用swift_slowAlloc：
image.png添加
swift_slowAlloc符号断点，继续运行，发现内部调用了malloc_zone_malloc进行内存申请：
image.png
- swift对象
创建流程：
__allocating_init->swift_allocObject->_swift_allocObject_->swift_slowAlloc->malloc_zone_malloc
VSCode调试
验证：
- VSCode打开
Swift源码，搜索_swift_allocObject_，加入断点。
image.png
run起来后，在底部编辑区，逐行输入:
（ps:编辑器会判断语法是否结束(花括号对称)，来判断你输入是否完成）class HTPerson { var age: Int = 18 var name: String = "ht" }再输入
var p = HTPerson()创建变量,按回车，会进入断点:
image.png
- 进入
swift_slowAlloc内部，可以看到是申请了size大小的堆空间,并返回了空间的指针地址
image.png
这就是
swift的alloc，申请内存空间并返回一个object指针。返回后，使用reinterpret_cast强转为HeapObject类型。
// 堆中申请内存空间，地址返回给object
auto object = reinterpret_cast( swift_slowAlloc(requiredSize, requiredAlignmentMask));
reinterpret_cast：强制类型转换符【用法】
new_type a = reinterpret_cast(value)
- 将
value的值转成new_type类型的值，a和value的值一模一样，比特位不变。reinterpret_cast用在任意指针（或引用）类型之间的转换，以及指针与足够大的整数类型之间的转换；从整数类型（包括枚举类型）到指针类型，无视大小。
注意： 此时object是强转的HeapObject类型，实际是一个指向内存空间的对象指针，而HeapObject需要使用metadata进行初始化
// object对象类型为HeapObject，通过metadata（元数据）初始化
new (object) HeapObject(metadata);
2.2 类的大小
在探索init的初始化操作之前，我们先了解一下类的大小。
- 首先，通过
Xcode工程打印类的大小：
【总大小】
40字节(分别使用MemoryLayout和class_getInstanceSize打印大小)
image.png【age】：是
struct类型，64位系统下与Int64大小一样。占8字节
image.png【name】: 是
struct类型，打印发现，占16字节
- 其次，通过
VSCode编译，查看大小：
image.png
Q：
OC类的大小，就是isa指针大小，8字节，为什么Swift类是16字节？
- 最后，探索
Swift类的组成（16字节）：
VSCode点击进入HeapObject结构：
image.png【metadata】：是
HeapMetedata类型，进入探究：TargetHeapMetadata->TargetMetadata，是struct结构体。
结构体的大小，由内部属性决定，当前TargetMetadata结构体只有Kind一个属性，类型为StoredPointer(本质是unsigned long类型，8字节)
image.png【refCounts】：是
InlineRefCounts类型，进入探究：InlineRefCounts->RefCounts，是class类型,占8字节。swift也使用ARC进行内存管理。
image.png
HeapObject结构：
struct HeapObject { let metadata: UnsafeRawPointer // 8字节 let strongRef: UInt32 // 4字节 let weakRef: UInt32 // 4字节 【... 自定义属性 ...】 // ... }
- 总结：
swift类本质是HeapObjectHeapObject默认大小为16字节：metadata(struct)8字节和refCounts(class)8字节HTPerson的age(Int)占8字节，name(String)占16字节所以
HTPerson的size为40字节
2.3 对象的初始化（init）
- alloc
申请内存空间并拿到空间地址后，通过metadata（元数据）初始化HeapObject对象。
-
简版流程图：
image.png
swift类结构：
struct swift_class_t {
unsigned long Kind; // 8字节 （swift中是Kind,OC中是isa）
void * Superclass; // 8字节 父类
void * CacheData[2]; // 16字节 缓存数据（2个元素）
void * Data ; // 8字节 自定义数据
uint32_t Flags; // 4字节
uint32_t InstanceAddressPoint; // 4字节
uint32_t InstanceSize; // 4字节
uint16_t InstanceAlignMask; // 2字节
uint16_t Reserved; // 2字节
uint32_t ClassSize; // 4字节
uint32_t ClassAddressPoint; // 4字节
void * Description; // 8字节 描述
}
- 附上
完整流程图。（大图，放大观看）
image.png
本节，熟悉了swift编译流程和swift类结构，关于swift的探索，才刚刚起步