iOS开发-Swift进阶之泛型!

swift进阶总汇

本文主要介绍泛型及其底层原理

泛型

泛型主要用于解决代码的抽象能力 + 代码的复用性

例如下面的例子，其中的T就是泛型

func test<T>(_ a: T, _ b: T)->Bool{
    return a == b
}

//经典例子swap，使用泛型，可以满足不同类型参数的调用
func swap<T>(_ a: inout T, _ b: inout T){
    let tmp = a
    a = b
    b = tmp
}

类型约束

在一个类型参数后面放置协议或者是类，例如下面的例子，要求类型参数T遵循Equatable协议

func test<T: Equatable>(_ a: T, _ b: T)->Bool{
    return a == b
}

当传入的参数是没有遵循Equatable协议时，会报错

关联类型

在定义协议时，使用关联类型给协议中用到的类型起一个占位符名称

• 此时的数组中的类型是Int

struct CJLStack {
    private var items = [Int]()

    mutating func push(_ item: Int){
        items.append(item)
    }

    mutating func pop() -> Int?{
        if items.isEmpty {
            return nil
        }
        return items.removeLast()
    }
}

• 如果想使用其他类型呢？可以通过协议来实现

protocol CJLStackProtocol {
    //协议中使用类型的占位符
    associatedtype Item
}
struct CJLStack: CJLStackProtocol{
    //在使用时，需要指定具体的类型
    typealias Item = Int
    private var items = [Item]()

    mutating func push(_ item: Item){
        items.append(item)
    }

    mutating func pop() -> Item?{
        if items.isEmpty {
            return nil
        }
        return items.removeLast()
    }
}

where语句

where语句主要用于 表明泛型需要满足的条件，即限制形式参数的要求，如下所示

//***********3、where语句：表明泛型需要满足的条件
protocol CJLStackProtocol {
    //协议中使用类型的占位符
    associatedtype Item
    var itemCount: Int {get}
    mutating func pop() -> Item?
    func index(of index: Int) -> Item
}
struct CJLStack: CJLStackProtocol{
    //在使用时，需要指定具体的类型
    typealias Item = Int
    private var items = [Item]()

    var itemCount: Int{
        get{
            return items.count
        }
    }

    mutating func push(_ item: Item){
        items.append(item)
    }

    mutating func pop() -> Item?{
        if items.isEmpty {
            return nil
        }
        return items.removeLast()
    }

    func index(of index: Int) -> Item {
        return items[index]
    }
}
/*
 where语句
 - T1.Item == T2.Item 表示T1和T2中的类型必须相等
 - T1.Item: Equatable 表示T1的类型必须遵循Equatable协议，意味着T2也要遵循Equatable协议
 */
func compare<T1: CJLStackProtocol, T2: CJLStackProtocol>(_ stack1: T1, _ stack2: T2) -> Bool where T1.Item == T2.Item, T1.Item: Equatable{
    guard stack1.itemCount == stack2.itemCount else {
        return false
    }

    for i in 0..<stack1.itemCount {
        if stack1.index(of: i) !=  stack2.index(of: i){
            return false
        }
    }
    return true

下面这种写法也是可以的

//写法二
protocol CJLStackProtocol {
    //协议中使用类型的占位符
    associatedtype Item
    var itemCount: Int {get}
    mutating func pop() -> Item?
    func index(of index: Int) -> Item
}
struct CJLStack: CJLStackProtocol{
    //在使用时，需要指定具体的类型
    typealias Item = Int
    private var items = [Item]()

    var itemCount: Int{
        get{
            return items.count
        }
    }

    mutating func push(_ item: Item){
        items.append(item)
    }

    mutating func pop() -> Item?{
        if items.isEmpty {
            return nil
        }
        return items.removeLast()
    }

    func index(of index: Int) -> Item {
        return items[index]
    }
}
extension CJLStackProtocol where Item: Equatable{}

• 当希望泛型指定类型时拥有特定功能，可以像下面这么写(在上述写法二的基础上增加extension)

//当希望泛型指定类型时拥有特定功能，可以像下面这么写
extension CJLStackProtocol where Item == Int{
    func test(){
        print("test")
    }
}
var s = CJLStack()
s.test()

<!--打印结果-->
test

• 如果将where后的Int改成Double类型，是无法找到test函数的

泛型函数

我们在上面介绍了泛型的基本语法，下面来分析下泛型的底层原理

以下面一个简单的泛型函数为例

//简单的泛型函数
func testGenric<T>(_ value: T) -> T{
    let tmp = value
    return tmp
}

class CJLTeacher {
    var age: Int = 18
    var name: String = "Kody"
}

//传入Int类型
testGenric(10)
//传入元组
testGenric((10, 20))
//传入实例对象
testGenric(CJLTeacher())

从上面的代码中可以看出，泛型函数可以接受任何类型

疑问：那么泛型是如何区分不同的参数，来管理不同类型的内存呢？

• 查看SIL代码，并没有什么内存相关的信息

• 查看IR代码，从中可以得出VWT中存放的是 size（大小）、alignment（对齐方式）、stride（步长）、destory、copy（函数）

  所以VWT+PWT的存储结构图示如下所示

源码分析

• 在swift-source中搜索valueWitnesses（在Metadata.h中）
  对于每一个类型（Int或者自定义），都在metadata中存储了一个VWT（用来管理当前类型的值）

• 继续来到Metadataimpl.h文件，查看其中的元组的源码

然后回到刚开始的泛型函数testGenric

func testGenric<T>(_ value: T) -> T{
    //tmp在栈上申请空间，如何知道申请多大呢?可以通过metadata中存储的vwt得知
    //copy
    let tmp = value
    //destory
    return tmp
}

其IR代码的详细分析如下

; Function Attrs: argmemonly nounwind willreturn 泛型函数
declare void @llvm.lifetime.start.p0i8(i64 immarg, i8* nocapture) #1
; %swift.type* %T 表示 传入类型的matadata
define hidden swiftcc void @"$s4main10testGenricyxxlF"(%swift.opaque* noalias nocapture sret %0, %swift.opaque* noalias nocapture %1, %swift.type* %T) #0 {
entry:
  %T1 = alloca %swift.type*, align 8
  %tmp.debug = alloca i8*, align 8
  %2 = bitcast i8** %tmp.debug to i8*
  call void @llvm.memset.p0i8.i64(i8* align 8 %2, i8 0, i64 8, i1 false)
  store %swift.type* %T, %swift.type** %T1, align 8
  %3 = bitcast %swift.type* %T to i8***
  %4 = getelementptr inbounds i8**, i8*** %3, i64 -1
  ; valueWitnesses 值目录表，将其存入了 %swift.vwtable* 中
  %T.valueWitnesses = load i8**, i8*** %4, align 8, !invariant.load !46, !dereferenceable !47
  ; 做了一个类型转换
  %5 = bitcast i8** %T.valueWitnesses to %swift.vwtable*
  ; 在valueWitnesses中获取当前这个类型的size大小
  %6 = getelementptr inbounds %swift.vwtable, %swift.vwtable* %5, i32 0, i32 8
  %size = load i64, i64* %6, align 8, !invariant.load !46
  ; 然后根据获取的size，分配内存空间
  %7 = alloca i8, i64 %size, align 16
  call void @llvm.lifetime.start.p0i8(i64 -1, i8* %7)
  %8 = bitcast i8* %7 to %swift.opaque*
  ; 初始化tmp的内存空间
  store i8* %7, i8** %tmp.debug, align 8
  %9 = getelementptr inbounds i8*, i8** %T.valueWitnesses, i32 2
  %10 = load i8*, i8** %9, align 8, !invariant.load !46
  ; copy 拷贝
  %initializeWithCopy = bitcast i8* %10 to %swift.opaque* (%swift.opaque*, %swift.opaque*, %swift.type*)*
  %11 = call %swift.opaque* %initializeWithCopy(%swift.opaque* noalias %8, %swift.opaque* noalias %1, %swift.type* %T) #6
  %12 = call %swift.opaque* %initializeWithCopy(%swift.opaque* noalias %0, %swift.opaque* noalias %8, %swift.type* %T) #6
  %13 = getelementptr inbounds i8*, i8** %T.valueWitnesses, i32 1
  %14 = load i8*, i8** %13, align 8, !invariant.load !46
  ; destory 销毁
  %destroy = bitcast i8* %14 to void (%swift.opaque*, %swift.type*)*
  call void %destroy(%swift.opaque* noalias %8, %swift.type* %T) #6
  %15 = bitcast %swift.opaque* %8 to i8*
  call void @llvm.lifetime.end.p0i8(i64 -1, i8* %15)
  ret void
}

所以，从IR代码中可以得知，当前泛型是通过ValueWitnessTable来进行内存操作的

源码调试

调试分为两种，值类型和引用类型

引用类型调试

• 源码调试如下

• 在retain函数中加断点调试

• 通过lldb调试如下：obj中存储CJLTeacher变量

结论：对于引用类型，会调用retain进行引用计数+1，对于destory来说，就会调用release进行引用计数-1

• 泛型类型使用VWT进行内存管理，VWT由编译器生成，其存储了该类型的size、alignment以及针对该类型的基本内存操作

• 当对泛型类型进行内存操作时（例如：内存拷贝）时，最终会调用对应泛型的VWT中的基本内存操作

• 泛型类型不同，其对应的VWT也不同

值类型调试

• 在initializeWithTake方法中加断点

结论：值类型是通过当前内存的copy、move来进行内存拷贝。对于destory，内部调用析构函数

总结

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• 对于一个值类型，例如Integer，

• 1、该类型的copy和move操作会进行内存拷贝，

• 2、destory操作则不进行任何操作

• 对于一个引用类型，如class，

• 1、该类型的copy操作会对引用计数+1，

• 2、move操作会拷贝指针，而不会更新引用计数；

• 3、destory操作会对引用计数-1

泛型函数传入函数的分析

上面都是对变量进行的分析，那么一问来了

如果泛型函数中传的是一个函数呢？

代码如下所示，此时传入的m，是传入的整个结构体吗？

//如果此时传入的是一个函数呢？
func makeIncrement() -> (Int) -> Int{
    var runningTotal = 10
    return {
        runningTotal += $0
        return runningTotal
    }
}

func testGenric<T>(_ value: T){}

//m中存储的是一个结构体：{i8*, swift type *}
let m = makeIncrement()
testGenric(m)

• 分析IR代码

define i32 @main(i32 %0, i8** %1) #0 {
entry:
  %2 = alloca %swift.function, align 8
  %3 = bitcast i8** %1 to i8*
  ; s4main13makeIncrementS2icyF 调用makeIncrement函数，返回一个结构体 {函数调用地址， 捕获值的内存地址}
  %4 = call swiftcc { i8*, %swift.refcounted* } @"$s4main13makeIncrementS2icyF"()
     ; 闭包表达式的地址
  %5 = extractvalue { i8*, %swift.refcounted* } %4, 0
     ; 捕获值的引用类型
  %6 = extractvalue { i8*, %swift.refcounted* } %4, 1

  ; 往m变量地址中存值
    ; 将 %5 存入 swift.function*结构体中（%swift.function = type { i8*, %swift.refcounted* }）
    ; s4main1myS2icvp ==>  main.m : (Swift.Int) -> Swift.Int，即全局变量 m
  store i8* %5, i8** getelementptr inbounds (%swift.function, %swift.function* @"$s4main1myS2icvp", i32 0, i32 0), align 8

  ; 将值放入 f 这个变量中，并强转为指针
  store %swift.refcounted* %6, %swift.refcounted** getelementptr inbounds (%swift.function, %swift.function* @"$s4main1myS2icvp", i32 0, i32 1), align 8
    ; 将%2 强转为 i8*（即 void*）
  %7 = bitcast %swift.function* %2 to i8*
  call void @llvm.lifetime.start.p0i8(i64 16, i8* %7)

  ; 取出 function中 闭包表达式的地址
  %8 = load i8*, i8** getelementptr inbounds (%swift.function, %swift.function* @"$s4main1myS2icvp", i32 0, i32 0), align 8
  %9 = load %swift.refcounted*, %swift.refcounted** getelementptr inbounds (%swift.function, %swift.function* @"$s4main1myS2icvp", i32 0, i32 1), align 8

  ; 将返回的闭包表达式 当做一个参数传入 方法，所以 retainCount+1
  %10 = call %swift.refcounted* @swift_retain(%swift.refcounted* returned %9) #2

  ; 创建了一个对象，存储了 <{ %swift.refcounted, %swift.function }>*
  %11 = call noalias %swift.refcounted* @swift_allocObject(%swift.type* getelementptr inbounds (%swift.full_boxmetadata, %swift.full_boxmetadata* @metadata, i32 0, i32 2), i64 32, i64 7) #2
  ; 将 %swift.refcounted* %11 强转成了一个结构体类型
  %12 = bitcast %swift.refcounted* %11 to <{ %swift.refcounted, %swift.function }>*

  ; 取出 %swift.function （最终的结果就是往 <{ %swift.refcounted, %swift.function }> 的%swift.function 中存值 ==> 做了间接的转换与传递） 
  %13 = getelementptr inbounds <{ %swift.refcounted, %swift.function }>, <{ %swift.refcounted, %swift.function }>* %12, i32 0, i32 1
  ; 取出 <i8*, %swift.function>的首地址
  %.fn = getelementptr inbounds %swift.function, %swift.function* %13, i32 0, i32 0
  ; 将 i8* 放入 i8** %.fn 中（即创建的数据结构 <{ %swift.refcounted, %swift.function }> 的 %swift.function 中）
  store i8* %8, i8** %.fn, align 8
  %.data = getelementptr inbounds %swift.function, %swift.function* %13, i32 0, i32 1
  store %swift.refcounted* %9, %swift.refcounted** %.data, align 8
  %.fn1 = getelementptr inbounds %swift.function, %swift.function* %2, i32 0, i32 0
  ; 将 %swift.refcounted 存入 %swift.function 中
  store i8* bitcast (void (%TSi*, %TSi*, %swift.refcounted*)* @"$sS2iIegyd_S2iIegnr_TRTA" to i8*), i8** %.fn1, align 8
  %.data2 = getelementptr inbounds %swift.function, %swift.function* %2, i32 0, i32 1
  store %swift.refcounted* %11, %swift.refcounted** %.data2, align 8

  ; 将%2强转成了 %swift.opaque* 类型，其中 %2 就是  %swift.function内存空间，即存储的东西（函数地址 + 捕获值地址）
  %14 = bitcast %swift.function* %2 to %swift.opaque*
  ; sS2icMD ==> demangling cache variable for type metadata for (Swift.Int) -> Swift.Int 即函数的metadata
  %15 = call %swift.type* @__swift_instantiateConcreteTypeFromMangledName({ i32, i32 }* @"$sS2icMD") #9

  ; 调用 testGenric 函数
  call swiftcc void @"$s4main10testGenricyyxlF"(%swift.opaque* noalias nocapture %14, %swift.type* %15)
  ......

仿写泛型函数传入函数时的底层结构

仿写上述逻辑的结构

//如果此时传入的是一个函数呢？
struct HeapObject {
    var type: UnsafeRawPointer
    var refCount1: UInt32
    var refCount2: UInt32
}
struct FunctionData<T> {
    var ptr: UnsafeRawPointer
    var captureValue: UnsafePointer<T>
}
struct Box<T> {
    var refCounted: HeapObject
    var value: T
}
struct GenData<T> {
    var ref: HeapObject
    var function: FunctionData<T>
}

func makeIncrement() -> (Int) -> Int{
    var runningTotal = 10
    return {
        runningTotal += $0
        return runningTotal
    }
}

func testGenric<T>(_ value: T){
    //查看T的存储
    let ptr = UnsafeMutablePointer<T>.allocate(capacity: 1)
    ptr.initialize(to: value)
    /*
     - 将 %13的值给了 %2即 %swift.function*
     %13 = getelementptr inbounds <{ %swift.refcounted, %swift.function }>, <{ %swift.refcounted, %swift.function }>* %12, i32 0, i32 1

     - 调用方法 %14 -> %2
     %14 = bitcast %swift.function* %2 to %swift.opaque*
     call swiftcc void @"$s4main10testGenricyyxlF"(%swift.opaque* noalias nocapture %14, %swift.type* %15)
     */
    let ctx = ptr.withMemoryRebound(to: FunctionData<GenData<Box<Int>>>.self, capacity: 1) {
        $0.pointee.captureValue.pointee.function.captureValue
    }
    print(ctx.pointee.value)//捕获的值是10
}

//m中存储的是一个结构体：{i8*, swift type *}
let m = makeIncrement()
testGenric(m)

<!--打印结果-->
10

所以当是一个泛型函数传递过程中，会做一层包装，意味着并不会直接的将m中的函数值、type给testGenric函数，而是做了一层抽象，目的是解决不同类型在传递过程中的问题

总结

作为一个开发者，有一个学习的氛围跟一个交流圈子特别重要，这是一个我的iOS开发交流群：130 595 548，不管你是小白还是大牛都欢迎入驻 ，让我们一起进步，共同发展！（群内会免费提供一些群主收藏的免费学习书籍资料以及整理好的几百道面试题和答案文档！）

• 泛型主要用于解决代码的抽象能力，以及提升代码的复用性

• 如果一个泛型遵循了某个协议，则在使用时，要求具体的类型也是必须遵循某个协议的

• 在定义协议时，可以使用关联类型给协议中用到的类型起一个占位符名称

• where语句主要用于表明泛型需要满足的条件，即限制形式参数的要求

• 泛型类型使用VWT进行内存管理（即通过VWT区分不同类型），VWT由编译器生成，其存储了该类型的size、alignment以及针对该类型的基本内存操作

• 1、当对泛型类型进行内存操作时（例如：内存拷贝）时，最终会调用对应泛型的VWT中的基本内存操作

• 2、泛型类型不同，其对应的VWT也不同

• 当希望泛型指定类型时拥有特定功能，可以通过extension实现

• 对于泛型函数来说，有以下几种情况：

• 1、该类型的copy操作会对引用计数+1，

• 2、move操作会拷贝指针，而不会更新引用计数；

• 3、destory操作会对引用计数-1

• 1、该类型的copy和move操作会进行内存拷贝，

• 2、destory操作则不进行任何操作

• 传入的是一个值类型，例如Integer，

• 传入的是一个引用类型，如class，

• 如果泛型函数传入的是一个函数，在传递过程中，会做一层包装，简单来说，就是不会直接将函数的函数值+type给泛型函数，而是做了一层抽象，主要是用于解决不同类型的传递问题