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swift進(jìn)階學(xué)習(xí)大綱

上一節(jié)，我們完成了源碼編譯。本節(jié)，我們探索Swift的編譯流程和類結(jié)構(gòu)

swift編譯流程
類結(jié)構(gòu)

強(qiáng)烈建議先閱讀LLVM入門，再開始本節(jié)的閱讀

1. swift編譯流程

在了解swift編譯流程前，我們需要知道LLVM是什么（?? LLVM入門）。

LLVM是架構(gòu)編譯器。可以為任何編程語言獨立編寫前端，也可以為任何硬件架構(gòu)獨立編寫后端。

image.png

比如： swift語言使用的前端編譯器是swiftc，而oc語言使用的前端編譯器是Clang，但它們都會將源代碼編譯為IR中間代碼，交給LLVM，而LLVM會輸出指定硬件架構(gòu)（如手機(jī)arm64、電腦x86_64）的.O 機(jī)器可執(zhí)行文件。

oc的clang編譯流程，我們在LLVM入門中分析得十分清楚。

現(xiàn)在，我們開始swift的編譯全流程分析。

可參考WWDC - 2015 LLVM視頻

1.1 語法命令

打開終端，輸入swiftc -h，查看語法命令:

  -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(zhuǎn)儲有關(guān)預(yù)編譯Clang模塊的調(diào)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(zhí)行文件
  -emit-imported-modules 展示導(dǎo)入的模塊列表
  -emit-ir               展示IR中間代碼
  -emit-library          輸出一個dylib動態(tài)庫
  -emit-object           輸出一個.o機(jī)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(biāo)準(zhǔn)SIL文件
  -emit-silgen           展示原始SIL文件
  -emit-sil              展示標(biāo)準(zhǔn)的SIL文件
  -index-file            為源文件生成索引數(shù)據(jù)
  -parse                 解析文件
  -print-ast             解析文件并打?。ㄆ?簡潔的）語法樹
  -resolve-imports       解析import導(dǎo)入的文件
  -typecheck             檢查文件類型

新建一個HTDemo的swift項目，新建HTPerson.swift文件，測試代碼：

class HTPerson {
    var age: Int = 18
    var name: String = "ht"
}

let t = HTPerson()

拓展命令：

將打印結(jié)果，輸出為文檔的命令：

命令語句后 +  `>> ./XXX && open XXX`

// 命令語句： swiftc -emit-sil HTPerson.swift
// 輸出文件： >> ./HTPerson.sil
// 打開文件： open HTPerson.sil
例如: swiftc -emit-sil HTPerson.swift >> ./HTPerson.sil && open HTPerson.sil

另一個相同命令：

命令語句后 + ` | col -b > XXX`

// 命令語句為：`swiftc -print-ast HTPerson.swift`
// 輸出文檔為`ast.swift`
例如: swiftc -dump-ast HTPerson.swift | col -b > ast.swift

1.2 Swift編譯流程

image.png

Swift編譯流程

將swift源碼編譯為AST語法樹
swiftc -dump-ast HTPerson.swift >> ast.swift

生成SIL源碼
swiftc -emit-sil HTPerson.swift >> ./HTPerson.sil

生成IR中間代碼
swiftc -emit-ir HTPerson.swift >> ir.swift

輸出.o機(jī)器文件
swiftc -emit-object HTPerson.swift

（ps：以上是各環(huán)節(jié)關(guān)鍵命令，其他命令可自行嘗試和查看）

1.3 SIL分析

SIL(Swift intermediate language)：swift中間語言

調(diào)用swiftc -emit-sil HTPerson.swift >> ./HTPerson.sil命令，生成HTPerson.sil文件。用VSCode打開SIL文件

1.3.1 `main`函數(shù)分析

// main 
sil @main : $@convention(c) (Int32, UnsafeMutablePointer<Optional<UnsafeMutablePointer<Int8>>>) -> Int32 {
bb0(%0 : $Int32, %1 : $UnsafeMutablePointer<Optional<UnsafeMutablePointer<Int8>>>):
  // 創(chuàng)建全局變量HTPerson
  alloc_global @$s8HTPerson1tA2ACvp               // id: %2    
  // 讀取全局變量HTPerson地址，賦值給%3
  %3 = global_addr @$s8HTPerson1tA2ACvp : $*HTPerson // user: %7  
  // metatype讀取HTPerson的Type(Metadata)，賦值給%4
  %4 = metatype $@thick HTPerson.Type             // user: %6
  // 將HTPerson.__allocating_init() 函數(shù)地址給%5
  %5 = function_ref @$s8HTPersonAACABycfC : $@convention(method) (@thick HTPerson.Type) -> @owned HTPerson // user: %6
  //  調(diào)用%5函數(shù)，將返回值給%6
  %6 = apply %5(%4) : $@convention(method) (@thick HTPerson.Type) -> @owned HTPerson // user: %7
  // 將%6存儲到%3 (%3是HTPerson類型)
  store %6 to %3 : $*HTPerson                     // id: %7
  // 構(gòu)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標(biāo)識當(dāng)前HTPerson.swift文件的入口函數(shù)，SIL標(biāo)識符號名稱以@作為前綴

%0,%1...在SIL中也叫寄存器，類似代碼中的常量,一旦賦值后不可修改。如果SIL中還要繼續(xù)使用，就需要使用新的寄存器

（此寄存器是虛擬的，只作為臨時標(biāo)識，最終運行到機(jī)器，會使用真的寄存器）

1.3.2 `實例化`分析

HTPerson()實際調(diào)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):
  // 讀取HTPerson的`alloc_ref`方法地址，給%1
  %1 = alloc_ref $HTPerson                        // user: %3
  // 讀取HTPerson.init()函數(shù)地址，給%2
  %2 = function_ref @$s8HTPersonAACABycfc : $@convention(method) (@owned HTPerson) -> @owned HTPerson // user: %3
  // 調(diào)用`alloc_ref`創(chuàng)建一個HTPerson實例對象，給%3
  %3 = apply %2(%1) : $@convention(method) (@owned HTPerson) -> @owned HTPerson // user: %4
  // 返回%3(HTPerosn類型)
  return %3 : $HTPerson                           // id: %4
} // end sil function '$s8HTPersonAACABycfC'

類似的SIL分析，可以多看幾個實例，慢慢找感覺。

2. 類結(jié)構(gòu)

對象初始化

OC: [[HTPerosn alloc] init]
一般alloc申請內(nèi)存空間并創(chuàng)建對象，init對象進(jìn)行統(tǒng)一初始化處理。

Swift：HTPerson()
直接()就完成了對象的創(chuàng)建。

我們一起去探索Swift的對象創(chuàng)建流程：

2.1 對象的創(chuàng)建（alloc）

創(chuàng)建測試代碼，實例化處加斷點：

image.png

頂部Debug->Debug workflow -> Always Show Disassembly，勾選匯編模式:

image.png

運行代碼，可以看到是調(diào)用了__allocating_init()進(jìn)行的實例化。

image.png

添加__allocating_init符號斷點，繼續(xù)運行，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部調(diào)用了swift_allocObject：

image.png

添加swift_allocObject符號斷點，繼續(xù)運行，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部調(diào)用了_swift_allocObject_后，繼續(xù)調(diào)用swift_slowAlloc：

image.png

添加swift_slowAlloc符號斷點，繼續(xù)運行，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部調(diào)用了malloc_zone_malloc進(jìn)行內(nèi)存申請：

image.png

swift對象創(chuàng)建流程：
__allocating_init -> swift_allocObject -> _swift_allocObject_ -> swift_slowAlloc -> malloc_zone_malloc

VSCode調(diào)試驗證：

VSCode打開Swift源碼，搜索_swift_allocObject_，加入斷點。

image.png

run起來后，在底部編輯區(qū)，逐行輸入:
（ps: 編輯器會判斷語法是否結(jié)束(花括號對稱)，來判斷你輸入是否完成）
class HTPerson {
       var age: Int = 18
       var name: String = "ht"
}
再輸入var p = HTPerson()創(chuàng)建變量,按回車，會進(jìn)入斷點:

image.png

進(jìn)入swift_slowAlloc內(nèi)部，可以看到是申請了size大小的堆空間,并返回了空間的指針地址

image.png

這就是swift的alloc，申請內(nèi)存空間并返回一個object指針。
返回后，使用reinterpret_cast強(qiáng)轉(zhuǎn)為HeapObject類型。

// 堆中申請內(nèi)存空間，地址返回給object
 auto object = reinterpret_cast<HeapObject *>( swift_slowAlloc(requiredSize, requiredAlignmentMask));

reinterpret_cast：強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換符

【用法】
new_type a = reinterpret_cast <new_type> (value)

將value的值轉(zhuǎn)成new_type類型的值，a和value的值一模一樣，比特位不變。

reinterpret_cast用在任意指針（或引用）類型之間的轉(zhuǎn)換，以及指針與足夠大的整數(shù)類型之間的轉(zhuǎn)換；從整數(shù)類型（包括枚舉類型）到指針類型，無視大小。

注意：此時object是強(qiáng)轉(zhuǎn)的HeapObject類型，實際是一個指向內(nèi)存空間的對象指針，而HeapObject需要使用metadata進(jìn)行初始化

// object對象類型為HeapObject，通過metadata（元數(shù)據(jù)）初始化
  new (object) HeapObject(metadata);

image.png

2.2 類的大小

在探索init的初始化操作之前，我們先了解一下類的大小。

首先，通過Xcode工程打印類的大?。?/li>

【總大小】40字節(jié) (分別使用MemoryLayout和class_getInstanceSize打印大小)

image.png

【age】：是struct類型，64位系統(tǒng)下與Int64大小一樣。占8字節(jié)

image.png

【name】: 是struct類型，打印發(fā)現(xiàn)，占16字節(jié)

其次，通過VSCode編譯，查看大小：

image.png

Q：OC類的大小，就是isa指針大小，8字節(jié)，為什么Swift類是16字節(jié)？

最后，探索Swift類的組成（16字節(jié)）：

VSCode點擊進(jìn)入HeapObject結(jié)構(gòu)：

image.png

【metadata】：是 HeapMetedata類型，進(jìn)入探究：TargetHeapMetadata->TargetMetadata，是struct結(jié)構(gòu)體。

結(jié)構(gòu)體的大小，由內(nèi)部屬性決定，當(dāng)前TargetMetadata結(jié)構(gòu)體只有Kind一個屬性，類型為StoredPointer(本質(zhì)是 unsigned long類型，8字節(jié))

image.png

【refCounts】：是InlineRefCounts類型，進(jìn)入探究：InlineRefCounts->RefCounts，是class類型,占8字節(jié)。swift也使用ARC進(jìn)行內(nèi)存管理。

image.png

HeapObject結(jié)構(gòu)：

struct HeapObject {
   let metadata: UnsafeRawPointer   // 8字節(jié)
   let strongRef: UInt32            // 4字節(jié)
   let weakRef: UInt32              // 4字節(jié)
   【... 自定義屬性 ...】             // ...
}

總結(jié)：

swift類本質(zhì)是HeapObject

HeapObject默認(rèn)大小為16字節(jié)： metadata(struct)8字節(jié)和refCounts(class)8字節(jié)

HTPerson的age(Int)占8字節(jié)，name(String)占16字節(jié)

所以HTPerson的size為40字節(jié)

2.3 對象的初始化（init）

alloc申請內(nèi)存空間并拿到空間地址后，通過metadata（元數(shù)據(jù)）初始化HeapObject對象。

image.png

簡版流程圖：

image.png

swift類結(jié)構(gòu)：

struct swift_class_t {
    unsigned long Kind;             // 8字節(jié) （swift中是Kind,OC中是isa）
    void *   Superclass;            // 8字節(jié) 父類
    void *   CacheData[2];          // 16字節(jié) 緩存數(shù)據(jù)（2個元素）
    void *   Data ;                 // 8字節(jié) 自定義數(shù)據(jù)
    uint32_t Flags;                 // 4字節(jié)
    uint32_t InstanceAddressPoint;  // 4字節(jié)
    uint32_t InstanceSize;          // 4字節(jié)
    uint16_t InstanceAlignMask;     // 2字節(jié)
    uint16_t Reserved;              // 2字節(jié)
    uint32_t ClassSize;             // 4字節(jié)
    uint32_t ClassAddressPoint;     // 4字節(jié)
    void *   Description;           // 8字節(jié) 描述
}

附上完整流程圖。（大圖，放大觀看）

image.png

本節(jié)，熟悉了swift編譯流程和swift類結(jié)構(gòu)，關(guān)于swift的探索，才剛剛起步 ??

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swift進(jìn)階二：編譯流程 & 類結(jié)構(gòu)探索

swift進(jìn)階二：編譯流程 & 類結(jié)構(gòu)探索

1. swift編譯流程

1.1 語法命令

1.2 Swift編譯流程

1.3 SIL分析

1.3.1 `main`函數(shù)分析

1.3.2 `實例化`分析

2. 類結(jié)構(gòu)

2.1 對象的創(chuàng)建（alloc）

2.2 類的大小

2.3 對象的初始化（init）

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swift進(jìn)階二：編譯流程 & 類結(jié)構(gòu)探索

1. swift編譯流程

1.1 語法命令

1.2 Swift編譯流程

1.3 SIL分析

1.3.1 main函數(shù)分析

1.3.2 實例化分析

2. 類結(jié)構(gòu)

2.1 對象的創(chuàng)建（alloc）

2.2 類的大小

2.3 對象的初始化（init）

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1.3.1 `main`函數(shù)分析

1.3.2 `實例化`分析