Swift指针｜内存管理

一、Swift指针

1.Swift指针简介

swift中的指针分为两类

typed pointer 指定数据类型指针，即 UnsafePointer,其中T表示泛型
raw pointer 未指定数据类型的指针（原生指针），即UnsafeRawPointer

swift与OC指针对比如下：

Swift	OC	说明
UnsafePointer	const T *	指针及所指向的内容都不可变
UnsafeMutablePointer	T *	指针及其所指向的内存内容均可变
UnsafeRawPointer	const void *	指针指向不可变未知类型
UnsafeMutableRawPointer	void *	指针指向可变未知类型

2.使用

2.1 raw pointer

注：对于raw pointer，其内存管理是手动管理的，指针在使用完毕后需要手动释放

// 定义一个未知类型的的指针p，分配32字节大小的空间，8字节对齐
let p = UnsafeMutableRawPointer.allocate(byteCount: 32, alignment: 8)

// 存储数据
for i in 0..<4 {
    p.storeBytes(of: i + 1, as: Int.self)
}

// 读取数据
for i in 0..<4 {
    // 从首地址开始偏移读取
    let value = p.load(fromByteOffset: i * 8, as: Int.self)
    print("index: \(i) value: \(value)")
}

// 释放内存
p.deallocate()

//index: 0 value: 4
//index: 1 value: -5764607523034234880
//index: 2 value: 4461297666
//index: 3 value: 668503133614176

从运行结果中可以看到，这并不是我们想要的结果，这也是我们平常在使用的时候需要特别注意的。因为我们在读取的时候是从指针首地址进行不断的偏移读取的，但是存储的时候却都是存储在了首地址，所以存储的时候也要进行偏移。修改后的代码如下：

// 定义一个未知类型的的指针p，分配32字节大小的空间，8字节对齐
let p = UnsafeMutableRawPointer.allocate(byteCount: 32, alignment: 8)

// 存储数据
for i in 0..<4 {
//    p.storeBytes(of: i + 1, as: Int.self)
    // 修改后（每次存储的位置都有增加，也就是偏移）
    p.advanced(by: i * 8).storeBytes(of: i + 1, as: Int.self)
}

// 读取数据
for i in 0..<4 {
    // 从首地址开始偏移读取
    let value = p.load(fromByteOffset: i * 8, as: Int.self)
    print("index: \(i) value: \(value)")
}

// 释放内存
p.deallocate()


//index: 0 value: 1
//index: 1 value: 2
//index: 2 value: 3
//index: 3 value: 4

allocate 源码

/// Allocates uninitialized memory with the specified size and alignment.
///
/// You are in charge of managing the allocated memory. Be sure to deallocate
/// any memory that you manually allocate.
///
/// The allocated memory is not bound to any specific type and must be bound
/// before performing any typed operations. If you are using the memory for
/// a specific type, allocate memory using the
/// `UnsafeMutablePointer.allocate(capacity:)` static method instead.
///
/// - Parameters:
///   - byteCount: The number of bytes to allocate. `byteCount` must not be negative.
///   - alignment: The alignment of the new region of allocated memory, in
///     bytes.
/// - Returns: A pointer to a newly allocated region of memory. The memory is
///   allocated, but not initialized.
@inlinable
public static func allocate(
byteCount: Int, alignment: Int
) -> UnsafeMutableRawPointer {
// For any alignment <= _minAllocationAlignment, force alignment = 0.
// This forces the runtime's "aligned" allocation path so that
// deallocation does not require the original alignment.
//
// The runtime guarantees:
//
// align == 0 || align > _minAllocationAlignment:
//   Runtime uses "aligned allocation".
//
// 0 < align <= _minAllocationAlignment:
//   Runtime may use either malloc or "aligned allocation".
var alignment = alignment
if alignment <= _minAllocationAlignment() {
  alignment = 0
}
return UnsafeMutableRawPointer(Builtin.allocRaw(
    byteCount._builtinWordValue, alignment._builtinWordValue))
}

以指定的大小和对齐方式分配未初始化的内存
首先对对齐方式进行校验
然后调用Builtin.allocRaw方法进行分配内存
Builtin是Swift的标准模块，可以理解为调用（匹配）LLVM中的方法

2.2 typed pointer

定义

/// Invokes the given closure with a pointer to the given argument.
///
/// The `withUnsafePointer(to:_:)` function is useful for calling Objective-C
/// APIs that take in parameters by const pointer.
///
/// The pointer argument to `body` is valid only during the execution of
/// `withUnsafePointer(to:_:)`. Do not store or return the pointer for later
/// use.
///
/// - Parameters:
///   - value: An instance to temporarily use via pointer.
///   - body: A closure that takes a pointer to `value` as its sole argument. If
///     the closure has a return value, that value is also used as the return
///     value of the `withUnsafePointer(to:_:)` function. The pointer argument
///     is valid only for the duration of the function's execution.
///     It is undefined behavior to try to mutate through the pointer argument
///     by converting it to `UnsafeMutablePointer` or any other mutable pointer
///     type. If you need to mutate the argument through the pointer, use
///     `withUnsafeMutablePointer(to:_:)` instead.
/// - Returns: The return value, if any, of the `body` closure.
@inlinable public func withUnsafePointer(to value: T, _ body: (UnsafePointer) throws -> Result) rethrows -> Result

该函数一共两个参数：

第一个就是要获取其指针的变量
第二个是一个闭包，然后通过rethrows关键字重新抛出Result（也就是闭包表达式的返回值），闭包的参数和返回值都是泛型，关于这种写法可以缩写，详见后面的代码。

var a = 10

/**
    通过Swift提供的简写的API，这里是尾随闭包的写法
    返回值的类型是 UnsafePointer
 */
let p = withUnsafePointer(to: &a) { $0 }
print(p)

withUnsafePointer(to: &a) {
    print($0)
}

// Declaration let p1:UnsafePointer
let p1 = withUnsafePointer(to: &a) { ptr in
    return ptr
}
print(p1)
//0x00007ff7ba577d18
//0x00007ff7ba577d18
//0x00007ff7ba577d18

以上三种用法是我们最常用的三种方法，都能够打印出变量的指针。那么是否可以通过指针修改变量的值呢？下面我们就来研究一下：

通过指针获取变量值

要想改变值，首先就要能够访问到变量的值：

let p = withUnsafePointer(to: &a) { $0 }
print(p.pointee)

withUnsafePointer(to: &a) {
    print($0.pointee)
}

let p1 = withUnsafePointer(to: &a) { ptr in
    return ptr
}
print(p1.pointee)

let p2 = withUnsafePointer(to: &a) { ptr in
    return ptr.pointee
}
print(p2)
//10
//10
//10
//10

通过指针修改变量值

如果使用的是withUnsafePointer是不能直接在闭包中修改指针的，但是我们可以通过间接的方式，通过返回值修改，给原来变量赋值的方式修改（其实这种方式很low）

a = withUnsafePointer(to: &a){ ptr in
    return ptr.pointee + 2
}
print(a)

我们可以使用withUnsafeMutablePointer，直接修改变量的值。

withUnsafeMutablePointer(to: &a){ ptr in
    ptr.pointee += 2
}

还有另一种方式，就是通过创建指针的方式，这也是一种创建Type Pointer的方式：

// 创建一个指针，指针内存存储的是Int类型数据，开辟一个8*1字节大小的区域
let ptr = UnsafeMutablePointer.allocate(capacity: 1)

//初始化指针
ptr.initialize(to: a)
// 修改
ptr.pointee += 2

print(a)
print(ptr.pointee)

// 反初始化，与下面的代码成对调用，管理内存
ptr.deinitialize(count: 1)
// 释放内存
ptr.deallocate()

//10
//12

从这里我们可以看到，指针的值在修改后是变了的，但是原变量的值并没有改变。所以不能用于直接修改原变量。

3.实例

demo1

本案例是初始化一个指针，能够访问两个结构体实例对象。

首先定义一个结构体

struct Teacher {
    var age = 18
    var height = 1.65
}

下面我们通过三种方式访问指针中的结构体对象

通过下标访问
通过内存平移访问
通过successor()函数访问

// 分配两个Teacher大小空间的指针
let ptr = UnsafeMutablePointer.allocate(capacity: 2)

// 初始化第一个Teacher
ptr.initialize(to: Teacher())
// 初始化第二个Teacher
ptr.successor().initialize(to: Teacher(age: 20, height: 1.85))
// 错误的初始化方式，因为这是确定类型的指针，只需移动一步即移动整个类型大小的内存
//ptr.advanced(by: MemoryLayout.stride).initialize(to: Teacher(age: 20, height: 1.85))

// 通过下标访问
print(ptr[0])
print(ptr[1])

// 内存偏移
print(ptr.pointee)
print((ptr+1).pointee)

// successor
print(ptr.pointee)
print(ptr.successor().pointee)

// 反初始化，释放内存
ptr.deinitialize(count: 2)
ptr.deallocate()

//Teacher(age: 18, height: 1.65)
//Teacher(age: 20, height: 1.85)
//Teacher(age: 18, height: 1.65)
//Teacher(age: 20, height: 1.85)
//Teacher(age: 18, height: 1.65)
//Teacher(age: 20, height: 1.85)

demo2

下面我们就通过内存的方式，将实例对象绑定到我们自定义的HHObject上。

struct HHObject{
    var kind: UnsafeRawPointer
}

class Teachers {
    var age: Int = 18
}

指针绑定：

/**
         使用withUnsafeMutablePointer获取到的指针是UnsafeMutablePointer类型
         UnsafeMutablePointer没有bindMemory方法
         所以此处引入Unmanaged
         */
        //let ptr = withUnsafeMutablePointer(to: &t) { $0 }

        /**
         Unmanaged 指定内存管理，类似于OC与CF交互时的所有权转换__bridge
         Unmanaged 有两个函数：
         - passUnretained：不增加引用计数，也就是不获得所有权
         - passRetained：   增加引用计数，也就是可以获得所有权
         以上两个函数，可以通过toOpaque函数返回一个
         UnsafeMutableRawPointer 指针
        */
        let ptr4 = Unmanaged.passUnretained(Teachers()).toOpaque()
        //let ptr = Unmanaged.passRetained(t).toOpaque()

        /**
         bindMemory ：将指针绑定到指定类型数据上
         如果没有绑定则绑定
         已绑定则重定向到指定类型上
        */
        let h = ptr4.bindMemory(to: HHObject.self, capacity: 1)

        print(h.pointee)


//HHObject(kind: 0x00007efc5e4d0e60)

demo3

在实际开发中，我们往往会调用其他人的api完成一些代码，在指针操作过程中，往往会因为类型不匹配造成传参问题，下面我们就来看一个例子：

首先我们定义一个打印指针的函数：

func printPointer(p: UnsafePointer) {
    print(p)
    print("end")
}

示例代码：

var tul = (10,20)
withUnsafeMutablePointer(to: &tul) { tulPtr in
    printPointer(p: UnsafeRawPointer(tulPtr).assumingMemoryBound(to: Int.self))
}

//0x00007ff7b564cc60
//end

assumingMemoryBound是假定内存绑定，目的是告诉编译器已经绑定过Int类型了，不需要在检查内存绑定。

那么我们将元组换成结构体呢？我们此时想要获取结构体中的属性。

struct Test {
    var a: Int = 10
    var b: Int = 20
}

var t = Test()

withUnsafeMutablePointer(to: &t) { ptr in
    printPointer(p: UnsafeRawPointer(ptr).assumingMemoryBound(to: Int.self))
}
//0x00007ff7b77b8c50
//end

那么如果我想想获取结构体中的属性呢？

withUnsafeMutablePointer(to: &t) { ptr in
//    let strongRefPtr = withUnsafePointer(to: &ptr.pointee.b) { $0 }
//    printPointer(p: strongRefPtr)
//    let strongRefPtr = UnsafeRawPointer(ptr).advanced(by: MemoryLayout.stride)
    let strongRefPtr = UnsafeRawPointer(ptr) - MemoryLayout.offset(of: \Test.b)!
    printPointer(p: strongRefPtr.assumingMemoryBound(to: Int.self))
}

以上提供了三种方式实现访问结构体中的属性。

demo 4

使用withMemoryRebound临时更改内存绑定类型，withMemoryRebound的主要应用场景还是处理一些类型不匹配的场景，将内存绑定类型临时修改成想要的类型，在闭包里生效，不会修改原指针的内存绑定类型。

var age: UInt64 = 18

let ptr = withUnsafePointer(to: &age) { $0 }
// 临时更改内存绑定类型
ptr.withMemoryRebound(to: Int.self, capacity: 1) { (ptr) in
    printPointer(p: ptr)
}

func printPointer(p: UnsafePointer) {
    print(p)
    print("end")
}

4.总结

至此我们对Swift中指针的分析基本就完事了，现在总结如下：

Swift中的指针分为两种：

raw pointer：未指定类型（原生）指针，即：UnsafeRawPointer和unsafeMutableRawPointer
type pointer：指定类型的指针，即：UnsafePointer和UnsafeMutablePointer

指针的绑定主要有三种方式：

withMemoryRebound：临时更改内存绑定类型
bingMemory(to: capacity:)：更改内存绑定的类型，如果之前没有绑定，那么就是首次绑定，如果绑定过了，会被重新绑定为该类型
assumingMemoryBound：假定内存绑定，这里就是告诉编译器，我就是这种类型，不要检查了（控制权由我们决定）

内存指针的操作都是危险的，使用时要慎重

二、内存管理

跟OC一样，Swift也是采取基于引用计数的ARC内存管理方案（针对堆空间），Swift的ARC中有3种引用。

1.弱引用

protocol Livable : AnyObject {}
class Person {}

weak var p0: Person?
weak var p1: AnyObject?
weak var p2: Livable?

unowned var p10: Person?
unowned var p11: AnyObject?
unowned var p12: Livable?

说明：

weak、unowned只能用在类实例上面
因为weak可以设置为nil，所以必须用可选项
会发生改变，所以需要用var

2.循环引用

循环引用就是两个对象相互持有，无法释放会导致内存泄漏，和OC一样，所以重点看一下闭包的循环引用，其实也就和block一样
循环引用的解决：weak、unowned 都能解决循环引用的问题，unowned 要比 weak 少一些性能消耗，在生命周期中可能会变为 nil 的使用 weak，初始化赋值后再也不会变为 nil 的使用unowned