Swift-进阶 03：值类型 & 引用类型

Swift 进阶之路文章汇总

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 24：内存五大区，如下所示

值类型-1

栈区的地址比堆区的地址大
栈是从高地址->低地址，向下延伸，由系统自动管理，是一片连续的内存空间
堆是从低地址->高地址，向上延伸，由程序员管理，堆空间结构类似于链表，是不连续的
日常开发中的溢出是指堆栈溢出，可以理解为栈区与堆区边界碰撞的情况
全局区、常量区都存储在Mach-O中的__TEXT cString段

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

查看age的内存情况，从图中可以看出，栈区直接存储的是值
- 获取age的栈区地址：po withUnsafePointer(to: &age){print($0)}
- 查看age内存情况：x/8g 0x00007ffeefbff3e0

值类型-2

查看age2的情况，从下图中可以看出，age2的赋值相当于将age中的值拿出来，赋值给了age2。其中age 与 age2 的地址相差了8字节，从这里可以说明栈空间是连续的、且是从高到低的

值类型-3

所以，从上面可以说明，age就是值类型

值类型特点

1、地址中存储的是值
2、值类型的传递过程中，相当于传递了一个副本，也就是所谓的深拷贝
3、值传递过程中，并不共享状态

结构体

结构体的常用写法

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

//***** 写法二 *****
struct CJLTeacher {
    var age: Int
    
    func teach(){
        print("teach")
    }
}
var t = CJLTeacher(age: 18)

在结构体中，如果不给属性默认值，编译是不会报错的。即在结构体中属性可以赋值，也可以不赋值

值类型-4
init方法可以重写，也可以使用系统默认的

结构体的SIL分析

如果没有init，系统会提供不同的默认初始化方法

值类型-5
如果提供了自定义的init，就只有自定义的

值类型-6

为什么结构体是值类型？

定义一个结构体，并进行分析

struct CJLTeacher {
    var age: Int = 18
    var age2: Int = 20
}
var  t = CJLTeacher()
print("end")

打印t：po t，从下图中可以发现，t的打印直接就是值，没有任何与地址有关的信息

值类型-7
获取t的内存地址，并查看其内存情况
- 获取地址：po withUnsafePointer(to: &t){print($0)}
- 查看内存情况：x/8g 0x0000000100008158

值类型-8

问题：此时将t赋值给t1，如果修改了t1，t会发生改变吗？

直接打印t及t1，可以发现t并没有因为t1的改变而改变，主要是因为因为t1和t之间是值传递，即t1和t是不同内存空间，是直接将t中的值拷贝至t1中。t1修改的内存空间，是不会影响t的内存空间的

值类型-9

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

在SIL文件中，我们查看结构体的初始化方法，可以发现只有init，而没有malloc，在其中看不到任何关于堆区的分配

值类型-10

总结

结构体是值类型，且结构体的地址就是第一个成员的内存地址
值类型
- 在内存中直接存储值
- 值类型的赋值，是一个值传递的过程，即相当于拷贝了一个副本，存入不同的内存空间，两个空间彼此间并不共享状态
- 值传递其实就是深拷贝

引用类型

类

**类的常用写法 **

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

//****** 写法二 *******
class CJLTeacher {
    var age: Int?
    
    func teach(){
        print("teach")
    }
    init(_ age: Int) {
        self.age = age
    }
}
var t = CJLTeacher.init(20)

在类中，如果属性没有赋值，也不是可选项，编译会报错

引用类型-1
需要自己实现init方法

为什么类是引用类型？

定义一个类，通过一个例子来说明

class CJLTeacher1 {
    var age: Int = 18
    var age2: Int = 20
}
var t1 = CJLTeacher1()

类初始化的对象t1，存储在全局区

打印t1、t：po t1，从图中可以看出，t1内存空间中存放的是地址，t中存储的是值

引用类型-2
获取t1变量的地址，并查看其内存情况
- 获取t1指针地址：po withUnsafePointer(to: &t1){print($0)}
- 查看t1全局区地址内存情况：x/8g 0x0000000100008218
- 查看t1地址中存储的堆区地址内存情况：x/8g 0x00000001040088f0

引用类型-4

引用类型特点

1、地址中存储的是堆区地址
2、堆区地址中存储的是值

问题1：此时将t1赋值给t2，如果修改了t2，会导致t1修改吗？

通过lldb调试得知，修改了t2，会导致t1改变，主要是因为t2、t1地址中都存储的是 同一个堆区地址，如果修改，修改是同一个堆区地址，所以修改t2会导致t1一起修改，即浅拷贝

引用类型-5

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？

代码如下所示

class CJLTeacher1 {
    var age: Int = 18
    var age2: Int = 20
}

struct CJLTeacher {
    var age: Int = 18
    var age2: Int = 20
    var teacher: CJLTeacher1 = CJLTeacher1()
}

var  t = CJLTeacher()

var t1 = t
t1.teacher.age = 30

//分别打印t1和t中teacher.age,结果如下
t1.teacher.age = 30 
t.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

打印t的地址：po withUnsafePointer(to: &t){print($0)}
打印t的内存情况： x/8g 0x0000000100008238
打印t中teacher地址的内存情况：x/8g 0x000000010070e4a0

引用类型-6

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CJLTeacher1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-7

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-8

主要是是因为：

main中retain一次
teacher.getter方法中retain一次
teacher.setter方法中retain一次

引用类型-9

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

如果是以下这种写法，会直接报错，原因是值类型本身是不允许修改属性的

引用类型-10
将push方法改成下面的方式，查看SIL文件中的push函数

struct CJLStack {
    var items: [Int] = []
    func push(_ item: Int){
        print(item)
    }
}

引用类型-11

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

尝试1：如果将push函数修改成下面这样，可以添加进去吗？

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

打印结果如下

引用类型-12

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

根据前文中的错误提示，给push添加mutating，发现可以添加到数组了

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

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-13

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

未加inout关键字，给参数赋值，编译报错

引用类型-14
添加inout关键字，可以给参数赋值

引用类型-15

总结

1、结构体中的函数如果想修改其中的属性，需要在函数前加上mutating，而类则不用
2、mutating本质也是加一个 inout修饰的self
3、Inout相当于取地址，可以理解为地址传递，即引用
4、mutating修饰方法，而inout 修饰参数

总结

通过上述LLDB查看结构体 & 类的内存模型，有以下总结：

值类型，相当于一个本地excel，当我们通过QQ传给你一个excel时，就相当于一个值类型，你修改了什么我们这边是不知道的
引用类型，相当于一个在线表格，当我们和你共同编辑一个在先表格时，就相当于一个引用类型，两边都会看到修改的内容
结构体中函数修改属性，需要在函数前添加mutating关键字，本质是给函数的默认参数self添加了inout关键字，将self从let常量改成了var变量

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。因此可以直接通过地址直接调用

结构体函数调试如下所示

image
打开打开demo的Mach-O可执行文件，其中的__text段，就是所谓的代码段，需要执行的汇编指令都在这里

image

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？

image

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

image

-Symbol Table：存储符号位于字符串表的位置

Dynamic Symbol Table：动态库函数位于符号表的偏移信息

还可以通过终端命令nm，获取项目中的符号表

查看符号表：nm mach-o文件路径
通过命令还原符号名称：xcrun swift-demangle 符号

image
如果将edit scheme -> run中的debug改成release，编译后查看，在可执行文件目录下，多一个后缀为dSYM的文件，此时，再去Mach-O文件中查找teach，发现是找不到，其主要原因是因为静态链接的函数，实际上是不需要符号的，一旦编译完成，其地址确定后，当前的符号表就会删除当前函数对应的符号，在release环境下，符号表中存储的只是不能确定地址的符号
对于不能确定地址的符号，是在运行时确定的，即函数第一次调用时（相当于懒加载），例如print，是通过dyld_stub_bind确定地址的（这个在最新版的12.2中通过断点调试并未找到，后续待继续验证，有不同见解的，欢迎留言指出）

image

函数符号命名规则

对于C函数来说，命名的重整规则就是在函数名之前加_（注意：C中不允许函数重载，因为没有办法区分）

#include 
void test(){    }

image

对于OC来说，也不支持函数重载，其符号命名规则是-[类名函数名]

image
对于Swift来说，是云溪函数重载，主要是因为swift中的重整命名规则比较复杂，可以确保函数符号的唯一性

补充：ASLR

关于ASLR的详细说明参考iOS-底层原理 32：启动优化（一）基本概念中对于ASLR的解释，下面是针对函数地址的一个验证

通过运行发现，Mach-O中的地址与调试时直接获取的地址是由一定偏差的，其主要原因是实际调用时地址多了一个ASLR（地址空间布局随机化 address space layout randomizes）

image
可以通过image list查看，其中0x0000000100000000是程序运行的首地址，后8位是随机偏移00000000（即ASLR）

image
将Mach-O中的文件地址0x0000000100003D50 + 0x00000000 = 0x100003D50，正好对应上面调用的地址

动态派发

汇编指令补充

blr：带返回的跳转指令，跳转到指令后边跟随寄存器中保存的地址
mov：将某一寄存器的值复制到另一寄存器（只能用于寄存器与起存起或者寄存器与常量之间传值，不能用于内存地址）
- mov x1, x0 将寄存器x0的值复制到寄存器x1中
ldr：将内存中的值读取到寄存器中
- ldr x0, [x1, x2] 将寄存器x1和寄存器x2 相加作为地址，取该内存地址的值翻入寄存器x0中
str：将寄存器中的值写入到内存中
- str x0, [x0, x8] 将寄存器x0的值保存到内存[x0 + x8]处
bl：跳转到某地址

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CJLTacher为例，其SIL中的v-table如下所示

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

image

sil_vtable：关键字
CJLTeacher：表示是CJLTeacher类的函数表
其次就是当前方法的声明对应着方法的名称
函数表可以理解为 数组，声明在 class内部的方法在不加任何关键字修饰的过程中，是连续存放在我们当前的地址空间中的。这一点，可以通过断点来印证，

image
- register read x0，此时的地址和实例对象的地址是相同的，其中x8 实例对象地址，即首地址
  
  image

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

image

函数表源码探索

下面来进行函数表底层的源码探索

源码中搜索initClassVTable,并加上断点，然后写上源码进行调试

image

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-Taable，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

定义一个CJLTeacher的extension

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

在定义一个子类CJLStudent继承自CJLTeacher,查看SIL中的V-Table

class CJLStudent: CJLTeacher{}

查看SIL文件，发现子类只继承了class中定义的函数，即函数表中的函数

image

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，但是子类无法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：

继承方法和属性，不能写extension中。
而extension中创建的函数，一定是只属于自己类，但是其子类也有其访问权限，只是不能继承和重写，如下所示

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

class CJLMiddleTeacher: CJLTeacher{
    override func study() {
        print("CJLMiddleTeacher study")
    }
}

var t = CJLMiddleTeacher()
//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)


teach
CJLMiddleTeacher study
18

final、@objc、dynamic修饰函数

final 修饰

final 修饰的方法是 直接调度的,可以通过SIL验证 + 断点验证

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

如果只是通过@objc修饰函数，OC还是无法调用swift方法的，因此如果想要OC访问swift，class需要继承NSObject


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


SWIFT_CLASS("_TtC9_3_指针10CJLTeacher")
@interface CJLTeacher : NSObject
- (void)teach;
- (nonnull instancetype)init OBJC_DESIGNATED_INITIALIZER;
@end


//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

swift原有的函数
@objc标记暴露给OC来使用的函数：内部调用swift的

dynamic 修饰

以下面代码为例，查看dynamic修饰的函数的调度方式

class CJLTeacher: 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

@objc + dynamic

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

通过断点调试，走的是objc_msgSend流程，即 动态消息转发

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

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

将teach方法替换成了teach5

image

如果teach没有实现 / 如果去掉dynamic修饰符，会报错

image

总结

struct是值类型，其中函数的调度属于直接调用地址，即静态调度
class是引用类型，其中函数的调度是通过V-Table函数表来进行调度的，即动态调度
extension中的函数调度方式是直接调度
final修饰的函数调度方式是直接调度
@objc修饰的函数调度方式是函数表调度，如果OC中需要使用，class还必须继承NSObject
dynamic修饰的函数的调度方式是函数表调度，使函数具有动态性
@objc + dynamic 组合修饰的函数调度，是执行的是objc_msgSend流程，即 动态消息转发

补充：内存插件

主要补充内存插件libfooplugin.dylib安装及使用

安装 & 使用

在跟目下创建.lldbinit文件 vim /.lldbinit
然后输入 plugin load libfooplugin.dylib路径
使用：在lldb 调试中输入 -- cat address 地址

可以在这里下载插件文件，密码: go4q

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 CJLTeacher{
    func teach(){
        
    }
}
let t = CJLTeacher()

image

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)
}

image

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 = "CJLTeacher";
    printf("%d", a);
    printf("%d", age2);
    return  0;
}

查看a（全局已初始化变量）的内存地址

image

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

image
查看age（全局未初始化变量）的内存地址

image

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
查看age2（全局已初始化静态变量）的内存地址（其中需要注意：age2必须使用才能找到，否则会报错）

image
观察3个变量的地址,其地址都是相邻的，因为在内存中都放在了全局区，观察其内存地址，可以发现，在全局区中，未初始化变量地址比已初始化变量地址高

image
如果定义了一个char *p = "CJLTeacher",查看*p，存储在__TEXT.cstring段，内存中存储在常量区

image
如果是const修饰的变量呢？存放在Mach-O文件中的__TEXT.__const段

image
如果使用static + const修饰变量，此时变量在哪？**

static const int age3 = 40;

查看age3的内存地址，地址特别大，而且使用cat查看不了，因为mach-o没有记录，age3 就是30，即使用static+const修饰的变量就相当于直接替换

image

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

如果是var修饰的变量呢？可以发现与let是一致的，还是__DATA.__common段

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
- 已初始化的全局变量：__DATA.__data
- 未初始化的全局变量：__DATA.__common
- 已初始化的全局静态变量，即static修饰：__DATA.__data
- 对于char *p类型的字符：__TEXT.cstring
- const修饰的全局变量：__TEXT.__const
- static+const修饰的全局变量：Mach-O中没有记录

Swift-进阶 03：值类型 & 引用类型

值类型

结构体

为什么结构体是值类型？

总结

引用类型

类

为什么类是引用类型？

mutating

总结

方法调度

静态派发

动态派发

汇编指令补充

探索class的调度方式

final、@objc、dynamic修饰函数

总结

补充：内存插件

安装 & 使用

内存分区实践

堆区

栈区

全局区

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