Swift 性能相关

为什么说 Swift 性能相比较于 Objective-C 会更加 好 ？
为什么在编译 Swift 的时候这么慢 ？
如何更优雅的去写 Swift ？

Swift中的类型

首先，我们先统一一下关于类型的几个概念。

• 平凡类型

有些类型只需要按照字节表示进行操作，而不需要额外工作，我们将这种类型叫做平凡类型 (trivial)。比如，Int 和 Float 就是平凡类型，那些只包含平凡值的 struct 或者 enum 也是平凡类型。

struct AStruct {
    var a: Int
}
struct BStruct {
    var a: AStruct
}
// AStruct & BStruct 都是平凡类型

• 引用类型

对于引用类型，值实例是一个对某个对象的引用。复制这个值实例意味着创建一个新的引用，这将使引用计数增加。销毁这个值实例意味着销毁一个引用，这会使引用计数减少。不断减少引用计数，最后当然它会变成 0，并导致对象被销毁。但是需要特别注意的是，我们这里谈到的复制和销毁值，只是对引用计数的操作，而不是复制或者销毁对象本身。

struct CStruct {
    var a: Int
}
class AClass {
    var a: CStruct
}
class BClass {
    var a: AClass
}
// AClass & BClass 都是引用类型

• 组合类型

类似 AClass 这类，引用类型包含平凡类型的，其实还是引用类型，但是对于平凡类型包含引用类型，我们暂且称之为组合类型。

struct DStruct {
    var a: AClass
}
// DStruct 是组合类型

影响性能的主要因素

主要原因在下面几个方面:

• 内存分配 (Allocation)：主要在于 堆内存分配 还是 栈内存分配。
• 引用计数 (Reference counting)：主要在于如何 权衡 引用计数。
• 方法调度 (Method dispatch)：主要在于 静态调度 和 动态调度 的问题。

内存分配（Allocation)

内存分区 中的 堆 和 栈。

• 堆(heap)**

堆是用于存放进程运行中被动态分配的内存段,它的大小并不固定,可动态扩张或 缩减。当进程调用malloc等函数分配内存时,新分配的内存就被动态添加到堆上(堆被扩张); 当利用free等函数释放内存时,被释放的内存从堆中被剔除(堆被缩减)

• 栈 (stack heap)**

栈又称堆栈, 是用户存放程序临时创建的局部变量,也就是说我们函数括弧“{}” 中定义的变量(但不包括static声明的变量,static意味着在数据段中存放变量)。除此以外, 在函数被调用时,其参数也会被压入发起调用的进程栈中,并且待到调用结束后,函数的返回值 也会被存放回栈中。由于栈的后进先出特点,所以 栈特别方便用来保存/恢复调用现场。从这个意义上讲,我们可以把堆栈看成一个寄存、交换临时数据的内存区。

在 Swift 中，对于 平凡类型 来说都是存在 栈 中的，而 引用类型 则是存在于 堆 中的，如下图所示：

我们都知道，Swift建议我们多用 平凡类型，那么 平凡类型 比 引用类型 好在哪呢？换句话说「在 栈 中的数据和 堆 中的数据相比有什么优势？」

• 数据结构
  • 存放在栈中的数据结构较为简单，只有一些值相关的东西
  • 存放在堆中的数据较为复杂，如上图所示，会有type、retainCount等。
• 数据的分配与读取
  • 存放在栈中的数据从栈区底部推入 (push)，从栈区顶部弹出 (pop)，类似一个数据结构中的栈。由于我们只能够修改栈的末端，因此我们可以通过维护一个指向栈末端的指针来实现这种数据结构，并且在其中进行内存的分配和释放只需要重新分配该整数即可。所以栈上分配和释放内存的代价是很小。
  • 存放在堆中的数据并不是直接 push/pop，类似数据结构中的链表，需要通过一定的算法找出最优的未使用的内存块，再存放数据。同时销毁内存时也需要重新插值。
• 多线程处理
  • 栈是线程独有的，因此不需要考虑线程安全问题。
  • 堆中的数据是多线程共享的，所以为了防止线程不安全，需同步锁来解决这个问题题。

综上几点，在内存分配的时候，尽可能选择 栈 而不是 堆 会让程序运行起来更加快。

引用计数(Reference counting)

首先 引用计数 是一种 内存管理技术，不需要程序员直接去操作指针来管理内存。

而采用 引用计数 的 内存管理技术，会带来一些性能上的影响。主要以下两个方面：

• 需要通过大量的 release/retain 代码去维护一个对象生命周期。
• 存放在 堆区 的是多线程共享的，所以对于 retainCount 的每一次修改都需要通过同步锁等来保证线程安全。

对于 自动引用计数 来说, 在添加 release/retain 的时候采用的是一个宁可多写也不漏写的原则，所以 release/retain 有一定的冗余。这个冗余量大概在 10% 的左右（如下图，图片来自于iOS可执行文件瘦身方法）。

而这也是为什么虽然 ARC 底层对于内存管理的算法进行了优化，在速度上也并没有比 MRC 写出来的快的原因。这篇文章 详细描述了 ARC 和 MRC 在速度上的比较。

综上，虽然因为自动引用计数的引入，大大减少了内存管理相关的事情，但是对于引用计数来说，过多或者冗余的引用计数是会减慢程序的运行的。

而对于引用计数来说，还有一个权衡问题，具体如何权衡会再后文解释。

方法调度 (Method dispatch)

在 Swift 中, 方法的调度主要分为两种:

• 静态调度: 可以进行inline和其他编译期优化，在执行的时候，会直接跳到方法的实现。

struct Point {
    var x, y: Double
    func draw() {
        // Point.draw implementation
    } 
}
func drawAPoint(_ param: Point) {
    param.draw()
}
let point = Point(x: 0, y: 0)
drawAPoint(point)
// 1.编译后变为下面的inline方式
point.draw()
// 2.运行时，直接跳到实现 Point.draw implementation

• 动态调度: 在执行的时候，会根据运行时，采用 V-Table 的方式，找到方法的执行体，然后执行。无法进行编译期优化。V-Table 不同于 OC 的调度，在 OC 中，是先在运行时的时候先在子类中寻找方法，如果找不到，再去父类寻找方法。而对于 V-Table 来说，它的调度过程如下图:

因此，在性能上「静态调度 > 动态调度」并且「Swift中的V-Table > Objective-C 的动态调度」。

协议类型 (Protocol types)

在 Swift 引入了一个 协议类型 的概念，示例如下：

protocol Drawable {
    func draw()
}
struct Point : Drawable {
    var x, y: Double
    func draw() { ... }
}
struct Line : Drawable {
    var x1, y1, x2, y2: Double
    func draw() { ... }
}
var drawables: [Drawable]
// Drawable 就称为协议类型
for d in drawables {
    d.draw()
}

在上述代码中，Drawable 就称为协议类型，由于 平凡类型 没有继承，所以实现多态上出现了一些棘手的问题，但是 Swift 引入了 协议类型 很好的解决了 平凡类型 多态的问题，但是在设计 协议类型 的时候有两个最主要的问题：

• 对于类似 Drawable 的协议类型来说，如何去调度一个方法？
• 对于不同的类型，具有不同的size，当保存到 drawables 数组时，如何保证内存对齐？

对于第一个问题，如何去调度一个方法？因为对于 平凡类型 来说，并没有什么虚函数指针，所以在 Swift 中并没有 V-Table 的方式，但是还是用到了一个叫做 The Protocol Witness Table (PWT) 的函数表，如下图所示：

对于每一个 Struct:Protocol 都会生成一个 StructProtocol 的 PWT。

对于第二个问题，如何保证内存对齐问题？

有一个简单粗暴的方式就是，取最大的Size作为数组的内存对齐的标准，但是这样一来不但会造成内存浪费的问题，还会有一个更棘手的问题，如何去寻找最大的Size。所以为了解决这个问题，Swift 引入一个叫做 Existential Container 的数据结构。

• Existential Container

这是一个最普通的 Existential Container。

• 前三个word：Value buffer。用来存储Inline的值，如果word数大于3，则采用指针的方式，在堆上分配对应需要大小的内存
• 第四个word：Value Witness Table(VWT)。每个类型都对应这样一个表，用来存储值的创建，释放，拷贝等操作函数。(管理 Existential Container 生命周期)
• 第五个word：Protocol Witness Table(PWT)，用来存储协议的函数。

用伪代码表示如下：

// Swift 伪代码
struct ExistContDrawable {
    var valueBuffer: (Int, Int, Int)
    var vwt: ValueWitnessTable
    var pwt: DrawableProtocolWitnessTable
}

所以，对于上文代码中的 Point 和 Line 最后的数据结构大致如下：

这里需要注意的几个点：

• 在 ABI 稳定之前 value buffer 的 size 可能会变，对于是不是 3个 word 还在 Swift 团队还在权衡.
• Existential Container 的 size 不是只有 5 个 word。示例如下：

对于这个大小差异最主要在于这个 PWT 指针，对于 Any 来说，没有具体的函数实现，所以不需要 PWT 这个指针，但是对于 ProtocolOne&ProtocolTwo 的组合协议，是需要两个 PWT 指针来表示的。

OK，由于 Existential Container 的引入，我们可以将协议作为类型来解决 平凡类型 没有继承的问题，所以 Struct:Protocol 和 抽象类就越来越像了。

回到我们最初的疑问，「在 Swift 中的, Struct:Protocol 比 抽象类 好在哪里？」

• 由于 Swift 只能是单继承，所以 抽象类 很容易造成 「上帝类」,而Protocol可以是一个多这多个则没有这个问题
• 在内存分配上上，Struct是在栈中的，而抽象类是在堆中的，所以简单数据的Struct:Protocol会再性能上比抽象类更加好
• (写起来更加有逼格算不算？)

但是，虽然表面上协议类型确实比抽象类更加的“好”，但是我还是想说，不要随随便便把协议当做类型来使用。

为什么这么说？先来看一段代码：

struct Pair {
    init(_ f: Drawable, _ s: Drawable) {
        first = f ; second = s
    }
    var first: Drawable
    var second: Drawable
}

首先，我们把 Drawable 协议当做一个类型，作为 Pair 的属性，由于协议类型的 value buffer 只有三个 word，所以如果一个 struct(比如上文的Line) 超过三个 word,那么会将值保存到堆中，因此会造成下图的现象：

一个简单的复制，导致属性的copy，从而引起 大量的堆内存分配。

所以，不要随随便便把协议当做类型来使用。上面的情况发生于无形之中，你却没有发现。

当然，如果你非要将协议当做类型也是可以解决的，首先需要把Line改为class而不是struct，目的就是引入引用计数。所以，将Line改为class之后，就变成了如下图所示：

至于修改了 line 的 x1 导致所有 pair 下的 line 的 x1 的值都变了，我们可以引入 Copy On Write 来解决。

当我们 Line 使用平凡类型时，由于line占用了4个word，当把协议作为类型时，无法将line存在 value buffer 中，导致了堆内存分配，同时每一次复制都会引发堆内存分配，所以我们采用了引用类型来替代平凡类型，增加了引用计数而降低了堆内存分配，这就是一个很好的引用计数权衡的问题。

泛型（Generic code）

首先，如果我们把协议当做类型来处理，我们称之为 「动态多态」，代码如下：

protocol Drawable {
    func draw()
}
func drawACopy(local : Drawable) {
    local.draw()
}
let line = Line()
drawACopy(line)
// ...
let point = Point()
drawACopy(point)

而如果我们使用泛型来改写的话，我们称之为 「静态多态」，代码如下：

// Drawing a copy using a generic method
protocol Drawable {
    func draw()
}
func drawACopy<T: Drawable>(local : T) {
    local.draw()
}
let line = Line()
drawACopy(line)
// ...
let point = Point()
drawACopy(point)

而这里所谓的 动态 和 静态 的区别在哪里呢？

在 Xcode 8 之前，唯一的区别就是由于使用了泛型，所以在调度方法是，我们已经可以根据上下文确定了这个 T 到底是什么类型，所以并不需要 Existential Container，所以泛型没有使用 Existential Container，但是因为还是多态，所以还是需要VWT和PWT作为隐形参数传递，对于临时变量仍然按照ValueBuffer的逻辑存储 - 分配3个word，如果存储数据大小超过3个word，则在堆上开辟内存存储。如图所示：

这样的形式其实和把协议作为类型并没有什么区别。唯一的就是没有 Existential Container 的中间层了。

但是，在 Xcode 8 之后，引入了 Whole-Module Optimization 使泛型的写法更加静态化。

首先，由于可以根据上下文知道确定的类型，所以编译器会为每一个类型都生成一个drawACopy的方法，示例如下：

func drawACopy<T : Drawable>(local : T) {
    local.draw()
}
// 编译后 
func drawACopyOfALine(local : Line) {
    local.draw()
}
func drawACopyOfAPoint(local : Point) {
    local.draw()
}

//比如：
drawACopy(local: Point(x: 1.0, y: 1.0))
//变为
drawACopyOfAPoint(local : Point(x: 1.0, y: 1.0))

由于每个类型都生成了一个drawACopy的方法，drawACopyOfAPoint的调用就吧编程了一个静态调度，再根据前文静态调度的时候，编译器会做 inline 处理，所以上面的代码经过编译器处理之后代码如下：

drawACopy(local: Point(x: 1.0, y: 1.0))
//会变为
Point(x: 1.0, y: 1.0).draw()

由于编译器一步步的处理，再也不需要 vwt、pwt及value buffer了。所以对于泛型来做多态来说，就叫做静态多态。

几点总结

• 为什么在编译 Swift 的时候这么慢
  • 因为编译做了很多事情，例如 静态调度的inline处理，静态多态的分析处理等
• 为什么说 Swift 相比较于 Objective-C 会更加快
  • 对于Swift来说，更多的静态的，比如静态调度、静态多态等。
  • 更多的栈内存分配
  • 更少的引用计数
• 如何更优雅的去写 Swift
  • 不要把协议当做类型来处理
  • 如果需要把协议当做类型来处理的时候，需要注意 big Value 的复制就引起堆内存分配的问题。可以用 Indirect Storage + Copy On Write 来处理。
  • 对于一些抽象，可以采用 Struct:Protocol 来代替抽象类。至少不会有上帝类出现，而且处理的好的话性能是比抽象类更好的。

参考资料

• Understanding Swift Performance
• 真实世界中的 Swift 性能优化
• Exploring Swift Memory Layout
• 水平有限，若有错误，希望多多指正！coderonevv#gmail.com

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工作之余，写了点笔记，如果需要可以在我的 GitHub 看。