一、Swift 編譯簡介

• Swift 的編譯環境配置和編譯流程，請參考我之前的博客：Swift之源碼編譯的環境搭建和編譯流程；
• 新建一個 Swift 工程，在 main.swift 中創建一個 YDWTeacher 類，并通過默認的初始化器，創建一個實例對象并賦值給 t，如下：

class YDWTeacher { var age: Int = 18 var name: String = "YDW" } let t = YDWTeacher()

• 然后在終端中查看抽象語法樹：swiftc -dump-ast main.swift，如下：

• 接下來，要研究的是這個初始化器到底做了一個什么樣的操作？因此引入 SIL (Swift intermediate language)；
• iOS 的開發語言，不管是 OC 還是 Swift，底層都是通過 LLVM 編譯的，生成 .o 可執行文件，如下所示：

• 不難看出：
  • OC 中通過 clang 編譯器，編譯成 IR，然后再生成可執行文件.o（即機器碼）；
  • swift 中通過 swiftc 編譯器，編譯成 IR，然后再生成可執行文件；
• 再來看一下：一個 Swift 文件的編譯過程經歷哪些步驟：

• 下面是 Swift 中的編譯流程，其中 SIL（Swift Intermediate Language），是 Swift 編譯過程中的中間代碼，主要用于進一步分析和優化 Swift 代碼。如下圖所示，SIL 位于在 AST 和 LLVM IR 之間：

• Swift 與 OC 的區別在于 Swift 生成了高級的 SIL；Swift 在編譯的過程中使用的前端編譯器是 Swiftc，和我們之前的 OC 中使用的 clang 是有所區別的。
• 通過 swiftc -h 終端命令，查看 swiftc 能做什么：

• 分析說明：
  • -dump-ast 語法和類型檢查，打印 AST 語法樹
  • -dump-parse 語法檢查，打印 AST 語法樹
  • -dump-pcm 轉儲有關預編譯 Clang 模塊的調試信息
  • -dump-scope-maps expanded-or-list-of-line:column
    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 輸出一個 LLVM 的 BC 文件
  • -emit-executable 輸出一個可執行文件
  • -emit-imported-modules 展示導入的模塊列表
  • -emit-ir 展示 IR 中間代碼
  • -emit-library 輸出一個 dylib 動態庫
  • -emit-object 輸出一個 .o 機器文件
  • -emit-pcm Emit a precompiled Clang module from a module map
  • -emit-sibgen 輸出一個 .sib 的原始 SIL 文件
  • -emit-sib 輸出一個 .sib 的標準 SIL 文件
  • -emit-silgen 展示原始 SIL 文件
  • -emit-sil 展示標準的 SIL 文件
  • -index-file 為源文件生成索引數據
  • -parse 解析文件
  • -print-ast 解析文件并打印（漂亮/簡潔的）語法樹
  • -resolve-imports 解析 import 導入的文件
  • -typecheck 檢查文件類型

二、SIL

① 什么是 SIL 分析？

• SIL 依賴于 swift 的類型系統和聲明，所以 SIL 語法是 swift 的延伸。一個 sil 文件是一個增加了 SIL 定義的 swift 源文件；
• SIL 文件中沒有隱式 import，如果使用 swift 或者 Buildin 標準組件的話必須明確的引入；
• SIL 函數由一個或多個 block 組成，一個 block 是一個指令的線性序列，每個 block 中的最后一條指令將控制轉移到另一個 block，或從函數返回。
• 如果想要對 SIL 的內容進行詳細地探索，請參考：2015 LLVM Developers’ Meeting。

② SIL 分析 mian 函數

• 查看抽象語法樹之后，繼續在終端中調用 swiftc -emit-sil main.swift >> ./main.sil && code main.sil 命令，生成 main.sil 文件；
• 用 VSCode 打開 SIL 文件：

// main //`@main`：標識當前main.swift的`入口函數`，SIL中的標識符名稱以`@`作為前綴 sil @main : $@convention(c) (Int32, UnsafeMutablePointer<Optional<UnsafeMutablePointer<Int8>>>) -> Int32 { //`%0、%1` 在SIL中叫做寄存器，可以理解為開發中的常量，一旦賦值就不可修改，如果還想繼續使用，就需要不斷的累加數字（注意：這里的寄存器，與`register read`中的寄存器是有所區別的，這里是指`虛擬寄存器`，而`register read`中是`真寄存器`） bb0(%0 : $Int32, %1 : $UnsafeMutablePointer<Optional<UnsafeMutablePointer<Int8>>>): //`alloc_global`：創建一個`全局變量`，即代碼中的`t`alloc_global @$s4main1tAA10YDWTeacherCvp // id: %2 //`global_addr`：獲取全局變量地址，并賦值給寄存器%3%3 = global_addr @$s4main1tAA10YDWTeacherCvp : $*YDWTeacher // user: %7 //`metatype`獲取`YDWTeacher`的`MetaData`賦值給%4%4 = metatype $@thick YDWTeacher.Type // user: %6 //將`__allocating_init`的函數地址賦值給 %5// function_ref YDWTeacher.__allocating_init()%5 = function_ref @$s4main10YDWTeacherCACycfC : $@convention(method) (@thick YDWTeacher.Type) -> @owned YDWTeacher // user: %6 //`apply`調用 `__allocating_init` 初始化一個變量，賦值給%6%6 = apply %5(%4) : $@convention(method) (@thick YDWTeacher.Type) -> @owned YDWTeacher // user: %7 //將%6的值存儲到%3，即全局變量的地址(這里與前面的%3形成一個閉環)store %6 to %3 : $*YDWTeacher // id: %7 //構建`Int`，并`return`%8 = integer_literal $Builtin.Int32, 0 // user: %9%9 = struct $Int32 (%8 : $Builtin.Int32) // user: %10return %9 : $Int32 // id: %10 } // end sil function 'main'

• 分析：
  • @main 這?標識當前 main.swift 的??函數，SIL 中的標識符名稱以 @ 作為前綴；
  • %0， %1… 在 SIL 也叫做寄存器，這?可以理解為?常開發中的常量，?旦賦值之后就不可以再修改，如果 SIL 中還要繼續使?，那么就不斷的累加數值。 同時這?所說的寄存器是虛擬的，最終運?到機器上，會使?真的寄存器；
  • alloc_gobal：創建?個全局變量；
  • global_addr: 拿到全局變量的地址，賦值給 %3；
  • metatype 拿到 YDWTeacher 的 Metadata 賦值給 %4 將 __allocating_init 的函數地址賦值給 %5；
  • __apply 調? __allocating_init , 并把返回值給 %6；
  • 將 %6 的值存儲到 %3（也就是剛剛創建的全局變量的地址）；
  • 構建 Int , 并 return；
• 注意：code 命令是在 .zshrc 中做了如下配置，可以在終端中指定軟件打開相應文件：

$ open .zshrc // ****** 添加以下別名 alias subl='/Applications/SublimeText.app/Contents/SharedSupport/bin/subl' alias code='/Applications/Visual\ Studio\ Code.app/Contents/Resources/app/bin/code'// ****** 使用 $ code main.sil// 如果想SIL文件高亮，需要安裝插件：VSCode SIL

• 從 SIL 文件中，可以看出，代碼是經過混淆的，可以通過以下命令還原，以s4main1tAA10YDWTeacherCvp 為例：xcrun swift-demangle s4main1tAA10YDWTeacherCvp，結果如下：

xcrun swift-demangle s4main1tAA10YDWTeacherCvp$s4main1tAA10YDWTeacherCvp ---> main.t : main.YDWTeacher

• 在 SIL 文件中搜索 s4main10YDWTeacherCACycfC，其內部實現主要是分配內存+初始化變量：
  • allocing_ref：創建一個 YDWTeacher 的實例對象，當前實例對象的引用計數為1；
  • 調用init方法；

// ********* main入口函數中代碼 *********%5 = function_ref @$s4main10YDWTeacherCACycfC : $@convention(method) (@thick YDWTeacher.Type) -> @owned YDWTeacher // s4main10YDWTeacherCACycfC 實際就是__allocating_init()// YDWTeacher.__allocating_init()sil hidden [exact_self_class] @$s4main10YDWTeacherCACycfC : $@convention(method) (@thick YDWTeacher.Type) -> @owned YDWTeacher {// %0 "$metatype"bb0(%0 : $@thick YDWTeacher.Type):// 堆上分配內存空間%1 = alloc_ref $YDWTeacher // user: %3// function_ref YDWTeacher.init() 初始化當前變量%2 = function_ref @$s4main10YDWTeacherCACycfc : $@convention(method) (@owned YDWTeacher) -> @owned YDWTeacher // user: %3// 返回%3 = apply %2(%1) : $@convention(method) (@owned YDWTeacher) -> @owned YDWTeacher // user: %4return %3 : $YDWTeacher // id: %4} // end sil function '$s4main10YDWTeacherCACycfC'

• SIL語言對于Swift源碼的分析是非常重要的，關于其更多的語法信息，可以參考：Swift Intermediate Language (SIL)。

三、符號斷點調試

• 在我們的 TestSwift 工程中設置“__allocating_init”符號斷點；

• 然后執行，可以看到：內部調用的是swift_allocObject；

四、源碼分析

• 在 VSCode 中的REPL（命令交互行，類似于python的，可以在這里編寫代碼）中編寫如下代碼（也可以拷貝），并搜索 *_swift_allocObject 函數加一個斷點，如下所示：

• 然后初始化一個實例對象t，回車：

• 這里的 Local 中可以看出：requiredSize 是內存大小，requiredAlignmentMask 是內存對齊方式；requiredAlignmentMask 是 swift 中的字節對齊方式，這個和 OC 中是一樣的，必須是8的倍數，不足的會自動補齊，目的是以空間換時間，來提高內存操作效率；

static HeapObject *_swift_allocObject_(HeapMetadata const *metadata,size_t requiredSize,size_t requiredAlignmentMask) {assert(isAlignmentMask(requiredAlignmentMask));auto object = reinterpret_cast<HeapObject *>(swift_slowAlloc(requiredSize, requiredAlignmentMask));// NOTE: this relies on the C++17 guaranteed semantics of no null-pointer// check on the placement new allocator which we have observed on Windows,// Linux, and macOS.new (object) HeapObject(metadata);// If leak tracking is enabled, start tracking this object.SWIFT_LEAKS_START_TRACKING_OBJECT(object);SWIFT_RT_TRACK_INVOCATION(object, swift_allocObject);return object; }

• swift_allocObject 的源碼如下，主要分為：
  • 通過 swift_slowAlloc 分配內存，并進行內存字節對齊；
  • 通過 new + HeapObject + metadata 初始化一個實例對象；
  • 函數的返回值是 HeapObject 類型，所以當前對象的內存結構就是 HeapObject 的內存結構；
• 進入 swift_slowAlloc 函數，其內部主要是通過 malloc 在堆中分配 size 大小的內存空間，并返回內存地址，主要是用于存儲實例變量：

void *swift::swift_slowAlloc(size_t size, size_t alignMask) {void *p;// This check also forces "default" alignment to use AlignedAlloc.if (alignMask <= MALLOC_ALIGN_MASK) { #if defined(__APPLE__)p = malloc_zone_malloc(DEFAULT_ZONE(), size); #else// 堆中創建size大小的內存空間，用于存儲實例變量p = malloc(size); #endif} else {size_t alignment = (alignMask == ~(size_t(0)))? _swift_MinAllocationAlignment: alignMask + 1;p = AlignedAlloc(size, alignment);}if (!p) swift::crash("Could not allocate memory.");return p; }

• 進入 HeapObject 初始化方法，需要兩個參數：metadata、refCounts：

struct HeapObject {/// This is always a valid pointer to a metadata object.HeapMetadata const *metadata;SWIFT_HEAPOBJECT_NON_OBJC_MEMBERS;#ifndef __swift__HeapObject() = default;// Initialize a HeapObject header as appropriate for a newly-allocated object.constexpr HeapObject(HeapMetadata const *newMetadata) : metadata(newMetadata), refCounts(InlineRefCounts::Initialized){ }// Initialize a HeapObject header for an immortal objectconstexpr HeapObject(HeapMetadata const *newMetadata,InlineRefCounts::Immortal_t immortal): metadata(newMetadata), refCounts(InlineRefCounts::Immortal){ }

• 分析：
  • 其中 metadata 類型是 HeapMetadata，是一個指針類型，占8字節；
  • refCounts（引用計數，類型是 InlineRefCounts，而 InlineRefCounts 是一個類 RefCounts 的別名，占8個字節），swift 采用 arc 引用計數；

五、總結

• 對于實例對象 t 來說，其本質是一個 HeapObject 結構體，默認 16 字節內存大小（metadata 8字節 + refCounts 8字節），與 OC 的對比如下：
  • OC 中實例對象的本質是結構體，是以 objc_object 為模板繼承的，其中有一個 isa 指針，占 8 字節；
  • Swift 中實例對象，默認的比 OC 中多了一個。refCounted 引用計數大小，默認屬性占 16 字節；
• Swift 中對象的內存分配流程是：_allocating_init --> swift_allocObject --> _swift_allocObject --> swift_slowAlloc --> malloc；
• init 在其中的職責就是初始化變量，這點與 OC 中是一致的。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Swift之深入解析“对象”的底层原理的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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