Swift-04：指针

作者: 恍然如梦_b700 | 来源:发表于2021-03-31 16:53 被阅读0次

今天我们来看看swift中的指针是如何如何使用的

swift中的指针分为两类

typed pointer 指定数据类型指针，即 UnsafePointer<T>,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<T>	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 *	指针指向未知类型
unsafeMutableRawPointer	void *	指针指向未知类型

原生指针

原生指针：是指未指定数据类型的指针，有以下说明

对于指针的内存管理是需要手动管理的
指针在使用完需要手动释放

有以下一段原生指针的使用代码，请问运行时会发生什么？

//原生指针
//对于指针的内存管理是需要手动管理的
//定义一个未知类型的指针：本质是分配32字节大小的空间，指定对齐方式是8字节对齐
let p = UnsafeMutableRawPointer.allocate(byteCount: 32, alignment: 8)

//存储
for i in 0..<4 {
    p.storeBytes(of: i + 1, as: Int.self)
}
//读取
for i in 0..<4 {
    //p是当前内存的首地址，通过内存平移来获取值
    let value = p.load(fromByteOffset: i * 8, as: Int.self)
    print("index: \(i), value: \(value)")
}

//使用完成需要dealloc，即需要手动释放
p.deallocate()

通过运行发现，在读取数据时有问题，原因是因为读取时指定了每次读取的大小，但是存储是直接在8字节的p中存储了i+1，即可以理解为并没有指定存储时的内存大小
image
修改：通过advanced(by:)指定存储时的步长

//存储
for i in 0..<4 {
    //指定当前移动的步数，即i * 8
    p.advanced(by: i * 8).storeBytes(of: i + 1, as: Int.self)
}

修改后的运行结果如下

image

type pointer

在前几篇文章中，我们获取基本数据类型的地址是通过withUnsafePointer(to:)方法获取的

查看withUnsafePointer(to:的定义中，第二个参数传入的是闭包表达式，然后通过rethrows重新抛出Result（即闭包表达式产生的结果）了，所以可以将闭包表达式进行简写(简写参数、返回值)，其中$0表示第一个参数，$1表示第二个参数，以此类推

<!--定义-->
@inlinable public func withUnsafePointer<T, Result>(to value: inout T, _ body: (UnsafePointer<T>) throws -> Result) rethrows -> Result

<!--使用1-->
var age = 10
let p = withUnsafePointer(to: &age) { $0 }
print(p)

<!--使用2-->
withUnsafePointer(to: &age){print($0)}

<!--使用3-->
//其中p1的类型是 UnsafePointer<Int>
let p1 = withUnsafePointer(to: &age) { ptr in
    return ptr
}

image

由于withUnsafePointer方法中的闭包属于单一表达式，因此可以省略参数、返回值，直接使用$0，$0等价于ptr

访问属性

可以通过指针的pointee属性访问变量值，如下所示

var age = 10
let p = withUnsafePointer(to: &age) { $0 }
print(p.pointee)

<!--打印结果-->
10

如何改变age变量值？

改变变量值的方式有两种，一种是间接修改，一种是直接修改

间接修改：需要在闭包中直接通过ptr.pointee修改并返回。类似于char *p = “CJL” 中的 *p，因为访问CJL通过 *p

var age = 10
age = withUnsafePointer(to: &age) { ptr in
    //返回Int整型值
    return ptr.pointee + 12
}
print(age)

直接修改-方式1：也可以通过withUnsafeMutablePointer方法，即创建方式一

var age = 10
withUnsafeMutablePointer(to: &age) { ptr in
    ptr.pointee += 12
}

直接修改方式2：通过allocate创建UnsafeMutablePointer，需要注意的是
- initialize 与 deinitialize是成对的
- deinitialize中的count与申请时的capacity需要一致
- 需要deallocate

var age = 10
//分配容量大小，为8字节
let ptr = UnsafeMutablePointer<Int>.allocate(capacity: 1)
//初始化
ptr.initialize(to: age)
ptr.deinitialize(count: 1)

ptr.pointee += 12
print(ptr.pointee)

//释放
ptr.deallocate()

指针实例应用

实战1：访问结构体实例对象

定义一个结构体

struct CJLTeacher {
    var age = 10
    var height = 1.85
}
var t = CJLTeacher()

使用UnsafeMutablePointer创建指针，并通过指针访问CJLTeacher实例对象，有以下三种方式：
- 方式一：下标访问
- 方式二：内存平移
- 方式三：successor

//分配两个CJLTeacher大小的空间
let ptr = UnsafeMutablePointer<CJLTeacher>.allocate(capacity: 2)
//初始化第一个空间
ptr.initialize(to: CJLTeacher())
//移动，初始化第2个空间
ptr.successor().initialize(to: CJLTeacher(age: 20, height: 1.75))

//访问方式一
print(ptr[0])
print(ptr[1])

//访问方式二
print(ptr.pointee)
print((ptr+1).pointee)

//访问方式三
print(ptr.pointee)
//successor 往前移动
print(ptr.successor().pointee)

//必须和分配是一致的
ptr.deinitialize(count: 2)
//释放
ptr.deallocate()

需要注意的是，第二个空间的初始化不能通过advanced(by: MemoryLayout<CJLTeacher>.stride)去访问，否则取出结果是有问题

image

可以通过ptr + 1或者successor() 或者advanced(by: 1)

<!--第2个初始化 方式一-->
(ptr + 1).initialize(to: CJLTeacher(age: 20, height: 1.75))

<!--第2个初始化 方式二-->
ptr.successor().initialize(to: CJLTeacher(age: 20, height: 1.75))

<!--第2个初始化 方式三-->
ptr.advanced(by: 1).initialize(to:  CJLTeacher(age: 20, height: 1.75))

对比

这里p使用advanced(by: i * 8)，是因为此时并不知道 p 的具体类型，必须指定每次移动的步长

let p = UnsafeMutableRawPointer.allocate(byteCount: 32, alignment: 8)

//存储
for i in 0..<4 {
    //指定当前移动的步数，即i * 8
    p.advanced(by: i * 8).storeBytes(of: i + 1, as: Int.self)
}

这里的ptr如果使用advanced(by: MemoryLayout<CJLTeacher>.stride)即16*16字节大小，此时获取的结果是有问题的，由于这里知道具体的类型，所以只需要标识指针前进几步即可，即advanced(by: 1)

let ptr = UnsafeMutablePointer<CJLTeacher>.allocate(capacity: 2)
//初始化第一个空间
ptr.initialize(to: CJLTeacher())
//移动，初始化第2个空间
ptr.advanced(by: 1).initialize(to:  CJLTeacher(age: 20, height: 1.75))

实战2：实例对象绑定到struct内存

定义如下代码

struct HeapObject {
    var kind: Int
    var strongRef: UInt32
    var unownedRef: UInt32
}

class CJLTeacher{
    var age = 18
}

var t = CJLTeacher()

demo1：类的实例对象如何绑定到结构体内存中？

1、获取实例变量的内存地址
2、绑定到结构体内存,返回值是UnsafeMutablePointer<T>
3、访问成员变量 pointee.kind

//将t绑定到结构体内存中
//1、获取实例变量的内存地址，声明成了非托管对象
/*
 通过Unmanaged指定内存管理，类似于OC与CF的交互方式（所有权的转换 __bridge）
 - passUnretained 不增加引用计数，即不需要获取所有权
 - passRetained 增加引用计数，即需要获取所有权
 - toOpaque 不透明的指针
 */

let ptr = Unmanaged.passUnretained(t as AnyObject).toOpaque()
//2、绑定到结构体内存,返回值是UnsafeMutablePointer<T>
/*
 - bindMemory 更改当前 UnsafeMutableRawPointer 的指针类型，绑定到具体的类型值
    - 如果没有绑定，则绑定
    - 如果已经绑定，则重定向到 HeapObject类型上
 */
let heapObject = ptr.bindMemory(to: HeapObject.self, capacity: 1)
//3、访问成员变量
print(heapObject.pointee.kind)
print(heapObject.pointee.strongRef)
print(heapObject.pointee.unownedRef)

其运行结果如下，有点类似于CF与OC交互的时的所有权的转换

image

create\copy 需要使用retain
不需要获取所有权使用unretain
将kind的类型改成UnsafeRawPointer，kind的输出就是地址了
image

demo2：绑定到类结构

将swift中的类结构定义成一个结构体

struct cjl_swift_class {
    var kind: UnsafeRawPointer
    var superClass: UnsafeRawPointer
    var cachedata1: UnsafeRawPointer
    var cachedata2: UnsafeRawPointer
    var data: UnsafeRawPointer
    var flags: UInt32
    var instanceAddressOffset: UInt32
    var instanceSize: UInt32
    var flinstanceAlignMask: UInt16
    var reserved: UInt16
    var classSize: UInt32
    var classAddressOffset: UInt32
    var description: UnsafeRawPointer
}

将t改成绑定到cjl_swift_class

//1、绑定到cjl_swift_class
let metaPtr = heapObject.pointee.kind.bindMemory(to: cjl_swift_class.self, capacity: 1)
//2、访问
print(metaPtr.pointee)

运行结果如下，其本质原因是因为 metaPtr 和 cjl_swift_class的类结构是一样的

image

实战3：元组指针类型转换

如果将元组传给函数testPointer，使用方式如下

var tul = (10, 20)

//UnsafePointer<T>
func testPointer(_ p : UnsafePointer<Int>){
    print(p)
}

withUnsafePointer(to: &tul) { (tulPtr: UnsafePointer<(Int, Int)>) in
    //不能使用bindMemory，因为已经绑定到具体的内存中了
    //使用assumingMemoryBound，假定内存绑定，目的是告诉编译器ptr已经绑定过Int类型了，不需要再检查memory绑定
    testPointer(UnsafeRawPointer(tulPtr).assumingMemoryBound(to: Int.self))
}

或者告诉编译器转换成具体的类型

func testPointer(_ p: UnsafeRawPointer){
    p.assumingMemoryBound(to: Int.self)
}

实战4：如何获取结构体的属性的指针

1、定义实例变量
2、获取实例变量的地址，并将strongRef的属性值传递给函数

代码如下：

struct HeapObject {
    var strongRef: UInt32 = 10
    var unownedRef: UInt32 = 20
}

func testPointer(_ p: UnsafePointer<Int>){
   print(p)
}
//实例化
var  t = HeapObject()
//获取结构体属性的指针传入函数
withUnsafePointer(to: &t) { (ptr: UnsafePointer<HeapObject>) in
    //获取变量
    let strongRef = UnsafeRawPointer(ptr) + MemoryLayout<HeapObject>.offset(of: \HeapObject.strongRef)!
    //传递strongRef属性的值
    testPointer(strongRef.assumingMemoryBound(to: Int.self))
}

实战5：通过 withMemoryRebound 临时绑定内存类型

如果方法的类型与传入参数的类型不一致，会报错
image

解决办法：通过withMemoryRebound临时绑定内存类型

var age = 10
func testPointer(_ p: UnsafePointer<Int64>){
   print(p)
}
let ptr = withUnsafePointer(to: &age) {$0}
ptr.withMemoryRebound(to: Int64.self, capacity: 1) { (ptr: UnsafePointer<Int64>)  in
    testPointer(ptr)
}

总结

指针类型分两种
- typed pointer 指定数据类型指针，即 UnsafePointer<T> + unsafeMutablePointer
- raw pointer 未指定数据类型的指针（原生指针），即UnsafeRawPointer + unsafeMutableRawPointer
withMemoryRebound: 临时更改内存绑定类型
bindMemory(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：我的类型就是这个，你不要检查我了,其实际类型还是原来的类型

Swift-04：指针

原生指针

type pointer

指针实例应用

实战1：访问结构体实例对象

实战2：实例对象绑定到struct内存

实战3：元组指针类型转换

实战4：如何获取结构体的属性的指针

实战5：通过 withMemoryRebound 临时绑定内存类型

总结

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