Swift进阶 05:内存管理 & Runtime

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、循环引用与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 SunriseTeacher {
    var age: Int = 18
    var name: String = "Sunrise"
}

var t = SunriseTeacher()
var t1 = t
var t2 = t
  • 查看t的内存情况,为什么其中的refCounts是0x0000000600000003
强引用-01

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模板类,真正决定的是传入的类型InlineRefCountBits
typedef RefCounts InlineRefCounts;

template 
class RefCounts {
  std::atomic refCounts;
  ...
}
  • 分析InlineRefCountBits,是RefCountBitsT类的别名
typedef RefCountBitsT InlineRefCountBits;
  • 分析RefCountBitsT,有bits属性
template 
class RefCountBitsT {
    ...
      typedef typename RefCountBitsInt::Type
    BitsType;
    ...
    BitsType bits;
    ...
}

template <>
struct RefCountBitsInt {
  //类型
  typedef uint64_t Type;
  typedef int64_t SignedType;
};

其中bits的实质是将RefCountBitsInt中的type属性取了一个别名,所以bits的真正类型是uint64_t64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);
    ...
}


 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方法中的
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

  • 进入RefCountBits定义,也是一个模板定义
template 
class RefCounts {
  std::atomic 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

强引用-02
  • 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UnownedRefCountStrongExtraRefCount

  • 将t的refCounts用二进制展示,其中强引用计数为3
强引用-03
分析SIL代码
  • 当只有t实例变量时
image
  • 当有t与t1时,查看是否有strong_retain操作
alloc_global @main.t1 : main.SunriseTeacher   // id: %8
%9 = global_addr @main.t1 : main.SunriseTeacher : $*SunriseTeacher // user: %11
%10 = begin_access [read] [dynamic] %3 : $*SunriseTeacher // users: %12, %11
copy_addr %10 to [initialization] %9 : $*SunriseTeacher // id: %11

// 其中copy_addr等价于
- %new = load $* SunriseTeacher
- strong_retain %new
- store %new to %9
image

SIL官方文档中关于copy_addr的解释如下

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  • 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trefCounts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refCounts0x0000000200000003
  • t 与 t1时的refCounts·是 ·0x0000000400000003 = 0x0000000200000003 + 0x200000000
  • t 、 t1 、 t2 时的refCounts0x0000000600000003 = 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

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  • 如果将t、t1、t2放入函数中,还会再次retain一次
image

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。其实际增加引用计数就是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 SunriseTeacher {
    var age: Int = 18
    var name: String = "Sunrise"
    var student:SunriseStudent?
}

class SunriseStudent {
    var age = 20
    var teacher: SunriseTeacher?
}

func test() {
    var t = SunriseTeacher()
    weak var t1 = t
    
    print("end")
}

test()
  • 查看t的引用计数变化
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  • 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
  • t1处加断点,查看汇编
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  • 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::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::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
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所以上面的0xc000000020809a6cHeapObjectSideTableEntry实例对象的内存地址,即散列表的地址(除去63、62位)

  • 查看HeapObjectSideTableEntry定义,其中有object对象、refCounts
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  • 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_tweakBits,即32位的位域信息
    • 64位 用于记录 原有引用计数
    • 32位 用于记录 弱引用计数
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0xc0000000200e9cf8为例,将62、63位清零,变成0x200E9CF8,然后左移3位(即InlineRefCountBits初始化方法),变成0x10074E7C0HeapObjectSideTableEntry对象地址,即散列表地址,然后通过x/8g读取

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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

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  • 源码查看 _swift_retain_ -> increment -> incrementSlow -> incrementStrong
image
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 SunriseTeacher {
    var age = 18
    // 反初始化器(当前实例对象即将被回收)
    deinit {
        print("SunriseTeacher deinit")
    }
}

func test(){
    var t = SunriseTeacher()
}
test()

// ********** 打印结果 **********
SunriseTeacher deinit
  • 修改例子,通过闭包修改其属性值
class SunriseTeacher {
    var age = 18
    // 反初始化器(当前实例对象即将被回收)
    deinit {
        print("SunriseTeacher deinit")
    }
}

var t = SunriseTeacher()
let clourse = {
    t.age += 1
}

clourse()
print(t.age)

// ********** 打印结果 **********
19
  • 【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 SunriseTeacher {
    var age = 18
    // 反初始化器(当前实例对象即将被回收)
    deinit {
        print("SunriseTeacher deinit")
    }
}

func test() {
    var t = SunriseTeacher()
    let clourse = {
        t.age += 1
    }

    clourse()
    print(t.age)
}

test()

// ********** 打印结果 **********
19

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 SunriseTeacher {
    var age = 18
    var completionBlock:(() -> ())?
    // 反初始化器(当前实例对象即将被回收)
    deinit {
        print("SunriseTeacher deinit")
    }
}

func test() {
    var t = SunriseTeacher()
    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SunriseTeacher deinit,所以这里有循环引用

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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 = SunriseTeacher()
    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
var t = SunriseTeacher()
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 SunriseTeacher {
    var age: Int = 18
    func teach(){
        print("teach")
    }
}

let t = SunriseTeacher()

func test(){
    var methodCount: UInt32 = 0
    let methodList = class_copyMethodList(SunriseTeacher.self, &methodCount)
    for i in 0..

运行结果如下,发现并没有打印方法和属性

image
  • 【尝试1】如果给属性 和 方法 都加上 @objc,可以打印吗?
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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?
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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
image
  • 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?
image

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

image
结论
  • 对于纯Swift类来说,没有动态特性dynamic(因为Swift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的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
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  • 进入data,打印bits、superclass
image

从这里可以得出Swift中有默认基类,即_SwiftObject

  • 打印methods
image
  • 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 {
 @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
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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 SunriseTeacher: NSObject {
    var age: Int = 18
}

var t = SunriseTeacher()

// 此时代表的就是当前SunriseTeacher的实例对象
var t1: AnyObject = t

// 此时代表的是SunriseTeacher这个类的类型
var t2: AnyObject = SunriseTeacher.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

image

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 SunriseJSONMap: JSONMap {
    
}
Any
  • Any:代表任意类型,包括function类型或者Optional类型,可以理解为AnyObjectAny的子集
// 如果使用AnyObject会报错,而Any不会
var array: [Any] = [1, "wrs", "", 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,那么返回的是MetaData
  • T.Type:一种类型
  • T.selfT.Type类型
// 此时的self类型是  SunriseTeacher.Type
var t = SunriseTeacher.self

打印结果如下:

image
  • 查看t1、t2存储的是什么?
class SunriseTeacher {
    var age: Int = 18
}

var t = SunriseTeacher()
// 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 = SunriseTeacher.self

print("end")
image
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 SunriseTeacher {
    var age = 18
    var double = 1.85
    func teach(){
        print("SunriseTeacher teach")
    }
}
class SunrisePartTimeTeacher: SunriseTeacher {
    override func teach() {
        print("SunrisePartTimeTeacher teach")
    }
}

func test(_ value: SunriseTeacher){
    let valueType = type(of: value)
    value.teach()
    print(value)
}
var t = SunrisePartTimeTeacher()
test(t)

// ********** 打印结果 **********
SunrisePartTimeTeacher teach
_5_Runtime.SunrisePartTimeTeacher
demo2

请问下面代码的打印结果是什么?

protocol TestProtocol {}

class SunriseTeacher: 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 = SunriseTeacher()
let t1: TestProtocol = SunriseTeacher()
test(t)
test(t1)

// ********** 打印结果 **********
SunriseTeacher
SunriseTeacher
  • 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(_ value: T){
    let valueType = type(of: value)
    print(valueType)
}

// ********** 打印结果 **********
SunriseTeacher
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(_ value: T){
    let valueType = type(of: value as Any)
    print(valueType)
}

// ********** 打印结果 **********
SunriseTeacher
SunriseTeacher
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?

protocol TestProtocol {}

class SunriseTeacher: TestProtocol{
    var age = 18
    var double = 1.85
    func teach(){
        print("LGTeacher teach")
    }
}

var t = SunriseTeacher()

func test(){
    var methodCount: UInt32 = 0
    let methodList = class_copyMethodList(t.self, &methodCount)
    for i in 0..

从结果运行看,并不能,因为t.self实例对象本身,即SunriseTeacher,并不是SunriseTeacher.Type类型

总结

  • 无弱引用时,HeapObject中的refCounts等于strongCount + unownedCount
  • 有弱引用时,HeapObject中refCounts等于object + xxx + (strongCount + unownedCount) + weakCount
  • 循环应用可以通过weak / unowned修饰参数来解决
  • Swift中闭包的捕获列表是值拷贝,即深拷贝,是一个只读的常量
  • Swift由于是静态语言,所以属性、方法在不加任何修饰符的情况下时是不具备动态性即Runtime特性的,此时的方法调度是V-Table函数表调度
  • 如果想要OC使用Swift类中的方法、属性,需要class继承NSObject,并使用@objc修饰
  • 如果想要使用方法交换,除了继承NSObject+@objc修饰,还必须使用dynamic修饰
  • Any任意类型,包括function类型、optional类型
  • AnyObject:任意类的instance、类的类型、仅类遵守的协议,可以看作是Any的子类
  • AnyClass任意实例类型,类型是AnyObject.Type
  • T.self:如果T是实例对象,则表示它本身,如果是类,则表示metadata.T.self的类型是T.Type

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