Swift底层进阶--013：协议

作者: 帅驼驼 | 来源:发表于2021-01-22 12:10 被阅读0次

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Protocol：所谓协议，就是一组属性和/或方法的定义，而如果某个具体类型想要遵守一个协议，那它需要实现这个协议所定义的所有这些内容。协议实际上做的事情不过是“关于实现的约定”

在Swift中协议被赋予更加强大、灵活的功能。相比Objective-C的协议，Swift的协议不仅可以被用做代理，也可以用作对接口的抽象，对代码的复用。

协议规定了用来实现某一特定功能所必需的方法和属性。任意能够满足协议要求的类型被称为遵循（conform）协议。

类，结构体或枚举类型都可以遵循协议，并提供具体实现来完成协议定义的方法和功能。

基本⽤法

语法格式

protocol MyProtocol {
   // 属性
   // 方法
}

class，struct，enum都可以遵循协议，如果要遵守多个协议，使⽤逗号分隔
struct LGTeacher: Protocol1, Protocol2 {
   // 属性
   // 方法
}

如果class中有superClass，⼀般放在遵循的协议之前
class LGTeacher: NSObject, MyProtocol{
   // 属性
   // 方法
}

协议中属性定义的要求

属性不能设置默认值

属性必须明确是可读或可读可写

属性必须使用var修饰

协议中方法定义的要求

方法不能有方法体

方法参数不能设置默认值

遵循协议并实现协议中的属性、方法

protocol MyProtocol {
    var age: Int { get }
    var name: String { get set }
    
    func doSomething(age: Int) -> Int
    static func teach()
}

class LGTeacher: MyProtocol {
    let age: Int = 18
    var name: String = "Zang"
    
    func doSomething(age: Int = 18) -> Int {
        print("LGTeacher doSomething")
        return age
    }
    
    static func teach() {
        print("teach")
    }
}

LGTeacher遵循MyProtocol协议

实现协议的属性，可以设置默认值。只读属性可以选择let修饰

实现协议的方法，参数可以设置默认值

协议中使用static修饰的类型方法，可以被类或结构体遵循。被类遵循，可以选择将static替换为class修饰

func使用static或者class修饰的区别与联系

static或者class关键字，都可用于指定类方法

class关键字指定的类方法可以被子类重写

static关键字指定的类方法不能被子类重写

required关键字

协议也可以定义初始化⽅法，当类实现初始化器的时候，必须使⽤required关键字

protocol MyProtocol {
    init(age: Int)
}

class LGTeacher: MyProtocol{
    var age: Int
    
    required init(age: Int) {
        self.age = age
    }
}

如果当前类被final修饰，可以忽略required关键字，因为被final修饰的类不能被继承

protocol MyProtocol: AnyObject {
    init(age: Int)
}

final class LGTeacher: MyProtocol{
    var age: Int

    init(age: Int) {
        self.age = age
    }
}

使用final修饰的类被继承，编译报错

编译报错

要求协议只能被类遵循

如果要求协议只能被类遵循，可以添加AnyObject

protocol MyProtocol: AnyObject {
    init(age: Int)
}

class LGTeacher: MyProtocol{
    var age: Int

    required init(age: Int) {
        self.age = age
    }
}

当struct或enum遵循MyProtocol协议，编译报错

编译报错

将协议作为类型

作为函数、⽅法或初始化程序中的参数类型或返回类型

作为常量、变量或属性的类型

作为数组、字典或其他容器中项⽬的类型

案例1：

MyProtocol协议定义teach方法，在MyProtocol扩展和LGTeacher中都实现teach方法，查看案例1的打印结果：

protocol MyProtocol {
    func teach()
}

extension MyProtocol {
    func teach() {
        print("MyProtocol")
    }
}

class LGTeacher: MyProtocol {
    func teach() {
        print("MyClass")
    }
}

let t1: MyProtocol = LGTeacher()
t1.teach()

let t2: LGTeacher = LGTeacher()
t2.teach()

//输出以下内容：
//MyClass
//MyClass

t1声明MyProtocol类型，protocol中定义了teach⽅法，使用witness_method调用，通过PWT协议⽬击表获取对应的函数地址，打印结果MyClass

t2声明LGTeacher类型，使用class_method调用，通过V-table函数表查找函数，打印结果MyClass

将上述代码生成SIL文件：swiftc -emit-sil main.swift | xcrun swift-demangle

main
PWT协议⽬击表，LGTeacher遵循MyProtocol协议，并记录实现的方法

PWT
遵循协议后被实现的协议方法teach，内部使用class_method指令通过类的函数表查找函数

bb0

案例2：

如果MyProtocol是空协议，在MyProtocol扩展和LGTeacher中实现teach方法，查看案例2的打印结果：

protocol MyProtocol {}

extension MyProtocol {
    func teach() {
        print("MyProtocol")
    }
}

class LGTeacher: MyProtocol {
    func teach() {
        print("MyClass")
    }
}

let t1: MyProtocol = LGTeacher()
t1.teach()

let t2: LGTeacher = LGTeacher()
t2.teach()

//输出以下内容：
//MyProtocol
//MyClass

t1声明MyProtocol类型，protocol中未定义任何⽅法，直接使用extension静态调用。静态调用在编译链接之后方法地址已经确定，对于遵循协议的类来说⽆法重写，打印结果MyProtocol

t2声明LGTeacher类型，使用class_method调用，通过V-table函数表查找函数，打印结果MyClass

将上述代码生成SIL文件：swiftc -emit-sil main.swift | xcrun swift-demangle

main
PWT协议⽬击表，虽然LGTeacher遵循MyProtocol协议，但没有记录任何方法，同时也找不到上面定义的被实现的协议方法

PWT

案例3：

MyProtocol协议定义teach方法，仅MyProtocol扩展实现teach方法，查看案例3的打印结果：

protocol MyProtocol {
    func teach()
}

extension MyProtocol {
    func teach() {
        print("MyProtocol")
    }
}

class LGTeacher: MyProtocol {}

let t1: MyProtocol = LGTeacher()
t1.teach()

let t2: LGTeacher = LGTeacher()
t2.teach()

//输出以下内容：
//MyProtocol
//MyProtocol

t1声明MyProtocol类型，protocol中定义了teach⽅法，使用witness_method调用，通过PWT协议⽬击表获取对应的函数地址，打印结果MyProtocol
t2声明LGTeacher类型，由于类中没有实现teach方法，直接使用extension静态调⽤，打印结果MyProtocol

将上述代码生成SIL文件：swiftc -emit-sil main.swift | xcrun swift-demangle

main
PWT协议⽬击表，LGTeacher遵循MyProtocol协议，并记录实现的方法

PWT
遵循协议后被实现的协议方法teach，内部使用extension静态调用

bb0

PWT

案例1

定义Circle类遵循Shape协议，声明Shape类型和Circle类型实例变量，打印各自的大小和步长

protocol Shape{
    var area: Double{ get }
}

class Circle: Shape {
    var radious: Double
    init(_ radious: Double) {
        self.radious = radious
    }

    var area: Double{
        get{
            return radious * radious * 3.14
        }
    }
}

var shape: Shape = Circle.init(10.0)
print("shape of size：\(MemoryLayout.size(ofValue: shape))")
print("shape of stride：\(MemoryLayout.stride(ofValue: shape))")

var circle: Circle = Circle.init(10.0)
print("circle of size：\(MemoryLayout.size(ofValue: circle))")
print("circle of stride：\(MemoryLayout.stride(ofValue: circle))")

//输出以下内容：
//shape of size：40
//shape of stride：40
//circle of size：8
//circle of stride：8

shape声明为Shape类型，大小和步长占40字节。circle声明为Circle类型，大小和步长只占8字节

使用lldb调式，能看到的内容有限，无法得出结论

lldb

将上述代码生成SIL文件：swiftc -emit-sil main.swift | xcrun swift-demangle

main
通过官方文档，查看init_existential_addr的作用

init_existential_addr
Existential Container是编译器⽣成的⼀种特殊数据类型，⽤于管理遵守了相同协议的协议类型。因为这些数据类型的内存空间尺⼨不同，使⽤Extential Container进⾏管理可以实现存储⼀致性

如果想进一步分析，明确init_existential_addr存储的到底是什么，需要将SIL代码再降⼀级，通过IR代码观察

将上述代码生成IR文件：swiftc -emit-ir main.swift | xcrun swift-demangle

IR
%T4main5ShapeP是一个结构体，有一个24 x i8的数组，占24字节。有一个%swift.type*的指针和一个i8**的二级指针
%T4main5ShapeP = type { [24 x i8], %swift.type*, i8** }
%4存储的是metadata
%4 = extractvalue %swift.metadata_response %3, 0
%5存储的是HeapObject，它调用了__allocating_init，传入了一个double类型和一个metadata
%5 = call swiftcc %T4main6CircleC* @"main.Circle.__allocating_init(Swift.Double) -> main.Circle"(double 1.000000e+01, %swift.type* swiftself %4)
图中第一句代码，获取结构体本身，拿到第一个元素，然后将%4也就是metadata，存储到结构体的第一个元素中
store %swift.type* %4, %swift.type** getelementptr inbounds (%T4main5ShapeP, %T4main5ShapeP* @"main.shape : main.Shape", i32 0, i32 1), align 8
图中第二句代码，获取结构体本身，拿到第二个元素，然后将PWT协议目击表，存储到结构体的第二个元素中。代码中@"protocol witness table for main.Circle : main.Shape in main"就是PWT
store i8** getelementptr inbounds ([2 x i8*], [2 x i8*]* @"protocol witness table for main.Circle : main.Shape in main", i32 0, i32 0), i8*** getelementptr inbounds (%T4main5ShapeP, %T4main5ShapeP* @"main.shape : main.Shape", i32 0, i32 2), align 8
图中第三句代码，实例对象main.shape是结构体首地址24 x i8数组类型，
使用bitcast将其强转为%T4main6CircleC二级指针类型，再将%5也就是HeapObject存储到强转后的指针中
store %T4main6CircleC* %5, %T4main6CircleC** bitcast (%T4main5ShapeP* @"main.shape : main.Shape" to %T4main6CircleC**), align 8
最终可以分析出%T4main5ShapeP结构体的元素构成
type { HeapObject, metadata, PWT } 

使用Swift代码还原上述结论

定义HeapObject结构体

struct HeapObject{
    var type: UnsafeRawPointer
    var refCount1: UInt32
    var refCount2: UInt32
}

定义ProtocolData结构体，value1、value2、value3三个属性，各自占8字节，连续内存空间存储，对应IR代码中的24 x i8数组。type对应metadata，pwt对应PWT协议目击表

struct ProtocolData {
    var value1: UnsafeRawPointer
    var value2: UnsafeRawPointer
    var value3: UnsafeRawPointer
    var type: UnsafeRawPointer
    var pwt: UnsafeRawPointer
}

将实例对象shape转换为ProtocolData结构

withUnsafePointer(to: &shape){ ptr in
    ptr.withMemoryRebound(to: ProtocolData.self, capacity: 1){ pointer in
        print(pointer.pointee)
    }
}

//输出以下结果：
//ProtocolData(value1: 0x0000000100705910, value2: 0x0000000000000000, value3: 0x0000000000000000, type: 0x000000010000c3b0, pwt: 0x0000000100008070)

value1存储HeapObject地址，value2、value3未被使用

type存储的metadata，实际上是VWT（Value Witness Table）

pwt存储的PWT协议目击表

进入终端，使用nm命令查看pwt存储的0000000100008070地址：
nm /Users/zang/Library/Developer/Xcode/DerivedData/LGSwiftTest-ezhaqfxldtlovoammsyvcyhxjxoj/Build/Products/Debug/LGSwiftTest | grep 0000000100008070
输出结果：
0000000100008070 S _$s11LGSwiftTest6CircleCAA5ShapeAAWP
使用xcrun还原符号：
xcrun swift-demangle s11LGSwiftTest6CircleCAA5ShapeAAWP
输出结果：
$s11LGSwiftTest6CircleCAA5ShapeAAWP ---> protocol witness table for LGSwiftTest.Circle : LGSwiftTest.Shape in LGSwiftTest
这也解释了为什么上面看到的Shape类型实例对象会占40字节；其中value1、value2、value3三个属性共占24字节，type和pwt共占16字节

案例2

如果定义的是结构体，遵循Shape协议，存储的结构会有哪些变化？

protocol Shape{
    var area: Double{ get }
}

struct Rectangle: Shape {
    var width, height: Double

    init(_ width: Double, _ height: Double) {
        self.width = width
        self.height = height
    }

    var area: Double{
        get{
            return width * height
        }
    }
}

var shape: Shape = Rectangle.init(10.0, 20.0)

将上述代码生成IR文件：swiftc -emit-ir main.swift | xcrun swift-demangle

IR
图中%4、%5发生了变化，直接将结构体的两个double属性取出来，存储到%T4main5ShapeP结构体首地址的24 x i8数组中

将结构体类型的实例对象shape转换为ProtocolData结构

withUnsafePointer(to: &shape){ ptr in
    ptr.withMemoryRebound(to: ProtocolData.self, capacity: 1){ pointer in
        print(pointer.pointee)
    }
}

//输出以下结果：
//ProtocolData(value1: 0x4024000000000000, value2: 0x4034000000000000, value3: 0x0000000000000000, type: 0x00000001000040e0, pwt: 0x0000000100004070)

value1存储width属性，value2存储height属性，value3未被使用
type存储的metadata，实际上是VWT（Value Witness Table）
pwt存储的PWT协议目击表

案例3

如果结构体大小超过24字节，存储的结构会有哪些变化？

protocol Shape{
    var area: Double{ get }
}

struct Rectangle: Shape {
    var width, height: Double
    var width1: Double = 40.0
    var height1: Double = 50.0

    init(_ width: Double, _ height: Double) {
        self.width = width
        self.height = height
    }

    var area: Double{
        get{
            return width * height
        }
    }
}

var shape: Shape = Rectangle.init(10.0, 20.0)

在案例2的基础上，将结构体增加width1、height1两个属性，这时结构体的大小已超过24字节

withUnsafePointer(to: &shape){ ptr in
    ptr.withMemoryRebound(to: ProtocolData.self, capacity: 1){ pointer in
        print(pointer.pointee)
    }
}

//输出以下结果：
//ProtocolData(value1: 0x0000000103304080, value2: 0x0000000000000000, value3: 0x0000000000000000, type: 0x0000000100004108, pwt: 0x0000000100004098)

只有value1有值，value2、value3未被使用
type和pwt没有变化

通过lldb，查看value1存储的是什么

lldb

结构体首地址24字节，存储的是遵循协议的结构体或类的值

如果是值类型，大小在24字节以内，直接存储值。如果超过24字节，系统将在堆区分配内存空间，将值存储到堆区，然后将堆区的指针地址存储到前面8字节，此时value2、value3未被使用

如果是引用类型，直接存储HeapObject

案例4

声明两个协议类型实例对象，将它们存储到数组。循环打印shape.area属性时，它们可以正确调用到各自的实现方法

protocol Shape{
    var area: Double{ get }
}

class Circle: Shape {
    var radious: Double

    init(_ radious: Double) {
        self.radious = radious
    }

    var area: Double{
        get{
            return radious * radious * 3.14
        }
    }
}

struct Rectangle: Shape {
    var width, height: Double

    init(_ width: Double, _ height: Double) {
        self.width = width
        self.height = height
    }

    var area: Double{
        get{
            return width * height
        }
    }
}

var circle: Shape = Circle.init(10.0)
var rectangle: Shape = Rectangle.init(10.0, 20.0)
var shapes: [Shape] = [circle, rectangle]

for shape in shapes{
    print(shape.area)
}

//输出以下内容：
//314.0
//200.0

理解了前三个案例，对于案例4的打印结果应该不会意外；本质上协议容器里存放了PWT协议目击表和metadata，在协议目击表内依然使用class_method查表方式，通过metadata 找到对应的V-table，最终调用正确的实现方法

案例5

声明Shape类型circle，将circle赋值给circle1，这时打印circle和circle1的value1地址，会是相同地址吗？如果修改circle1.radious属性，他们value1的地址又会发生怎样的变化？

protocol Shape{
    var radious: Double { get set }
    var area: Double { get }
}

struct Circle: Shape {
    var radious: Double
    var radious1: Double = 3
    var radious2: Double = 6
    var radious3: Double = 9

    init(_ radious: Double) {
        self.radious = radious
    }

    var area: Double{
        get{
            return radious * radious * 3.14
        }
    }
}

struct ValueData {
    var type: HeapObject
    var val1: Double
    var val2: Double
    var val3: Double
    var val4: Double
}

var circle: Shape = Circle.init(10.0)
var circle1 = circle

withUnsafePointer(to: &circle){ ptr in
    ptr.withMemoryRebound(to: ProtocolData.self, capacity: 1){ pointer in
        let ptr = pointer.pointee.value1.assumingMemoryBound(to: ValueData.self)
        print("circle.value1 - 修改前地址：\(pointer.pointee.value1)，值：\(ptr.pointee.val1)")
    }
}

withUnsafePointer(to: &circle1){ ptr in
    ptr.withMemoryRebound(to: ProtocolData.self, capacity: 1){ pointer in
        let ptr = pointer.pointee.value1.assumingMemoryBound(to: ValueData.self)
        print("circle1.value1 - 修改前地址：\(pointer.pointee.value1)，值：\(ptr.pointee.val1)")
    }
}

circle1.radious = 20.0
print("\n----------\n")

withUnsafePointer(to: &circle){ ptr in
    ptr.withMemoryRebound(to: ProtocolData.self, capacity: 1){ pointer in
        let ptr = pointer.pointee.value1.assumingMemoryBound(to: ValueData.self)
        print("circle.value1 - 修改后地址：\(pointer.pointee.value1)，值：\(ptr.pointee.val1)")
    }
}

withUnsafePointer(to: &circle1){ ptr in
    ptr.withMemoryRebound(to: ProtocolData.self, capacity: 1){ pointer in
        let ptr = pointer.pointee.value1.assumingMemoryBound(to: ValueData.self)
        print("circle1.value1 - 修改后地址：\(pointer.pointee.value1)，值：\(ptr.pointee.val1)")
    }
}

//输出一下结果：
//circle.value1 - 修改前地址：0x0000000100406ae0，值：10.0
//circle1.value1 - 修改前地址：0x0000000100406ae0，值：10.0
//
//----------
//
//circle.value1 - 修改后地址：0x0000000100406ae0，值：10.0
//circle1.value1 - 修改后地址：0x000000010052ed30，值：20.0

在circle1.radious修改前，circle和circle1的value1地址是相同的。当circle1.radious发生改变后，circle1.value1的地址也发生了改变，这种现象称之为“写时复制”（copy-on-write）

上述代码为什么会触发的“写时复制”？

Circle是结构体类型，也就是值类型，所以circle和circle1并不共享状态

当circle1.radious发生改变，相当于修改副本，对circle没有任何影响

protocol结构体中24字节官方叫法是Value Buffer，Value Buffer用来存储当前的值，如果超过Value Buffer的最大存储容量，系统会开辟堆空间存储值，Value Buffer存储堆区指针地址

修改堆空间里的值类型，在修改前会先检测引用计数，如果引用计数大于1，此时系统会开辟新的堆空间，把要修改的内容拷贝到新空间内，目的是提升性能

如果是引用类型Class，则不会触发写时复制

案例6

将案例5的结构体修改为Class，查看输出结果的变化

class Circle: Shape {
    var radious: Double

    init(_ radious: Double) {
        self.radious = radious
    }

    var area: Double{
        get{
            return radious * radious * 3.14
        }
    }
}

var circle: Shape = Circle.init(10.0)
var circle1 = circle

withUnsafePointer(to: &circle){ ptr in
    ptr.withMemoryRebound(to: ProtocolData.self, capacity: 1){ pointer in
        let ptr = pointer.pointee.value1.assumingMemoryBound(to: ValueData.self)
        print("circle.value1 - 修改前地址：\(pointer.pointee.value1)，值：\(ptr.pointee.val1)")
    }
}

withUnsafePointer(to: &circle1){ ptr in
    ptr.withMemoryRebound(to: ProtocolData.self, capacity: 1){ pointer in
        let ptr = pointer.pointee.value1.assumingMemoryBound(to: ValueData.self)
        print("circle1.value1 - 修改前地址：\(pointer.pointee.value1)，值：\(ptr.pointee.val1)")
    }
}

circle1.radious = 20.0
print("\n----------\n")

withUnsafePointer(to: &circle){ ptr in
    ptr.withMemoryRebound(to: ProtocolData.self, capacity: 1){ pointer in
        let ptr = pointer.pointee.value1.assumingMemoryBound(to: ValueData.self)
        print("circle.value1 - 修改后地址：\(pointer.pointee.value1)，值：\(ptr.pointee.val1)")
    }
}

withUnsafePointer(to: &circle1){ ptr in
    ptr.withMemoryRebound(to: ProtocolData.self, capacity: 1){ pointer in
        let ptr = pointer.pointee.value1.assumingMemoryBound(to: ValueData.self)
        print("circle1.value1 - 修改后地址：\(pointer.pointee.value1)，值：\(ptr.pointee.val1)")
    }
}

//输出一下结果：
//circle.value1 - 修改前地址：0x0000000103204a20，值：10.0
//circle1.value1 - 修改前地址：0x0000000103204a20，值：10.0
//
//----------
//
//circle.value1 - 修改后地址：0x0000000103204a20，值：20.0
//circle1.value1 - 修改后地址：0x0000000103204a20，值：20.0

Circle修改为Class类型，也就是引用类型，所以circle和circle1共享状态。当circle1.radious发生改变，circle也会随之改变

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Swift底层进阶--013：协议

基本⽤法

语法格式

协议中属性定义的要求

协议中方法定义的要求

遵循协议并实现协议中的属性、方法

required关键字

要求协议只能被类遵循

将协议作为类型

案例1：

案例2：

案例3：

PWT

案例1

案例2

案例3

案例4

案例5

上述代码为什么会触发的“写时复制”？

案例6

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