分析Swift性能高效的原因

自从2014年Apple发布Swift语言以来,历时六年多,Swift已经发布到5.3版本,在5.0版本已经ABI stability,5.2版本也已经module stability,不管是语言还是基础库都日趋稳定,目前国内外大厂也都积极拥抱Swift阵营。

绝大多数公司选择Swift语言开发iOS应用,主要原因是因为Swift相比Objc有更快的运行效率,更加安全的类型检测,更多现代语言的特性提升开发效率;这一系列的优点使Swift语言的热度越来越高。

大多数人知道Swift语言相比于Objc语言运行效率更高,但是却不知道为什么效率更高,在这里我们Swift编译层探讨一下Swift语言高效的原因。

更加高效的数据类型

在开始讨论Swift数据类型之前,我们先讨论一下Swift的函数派发机制;

静态派发、动态派发、消息派发(static dispatch、dynamic dispatch、message dispatch)
动态派发(dynamic dispatch): 动态派发是指编译期无法确定应该调用哪个方法,需要在运行时才能确定方法的调用。

静态派发(static dispatch):是在编译期就能确定的调用方法的派发方式。

除了上面两种方式之外,在Swift里面还会使用Objc的消息派发(message dispatch))机制;Objc采用了运行时采用obj_msgsend进行消息派发,所以Objc的一些动态特性在Swift里面也可以被限制的使用。

静态派发相比于动态派发更快,而且静态派发还会进行内联等一些优化,减少函数的寻址及内存地址的偏移计算等一系列操作,使函数的执行速度更快,性能更高。

数据类型(struct/class)

我们都知道,内存分配可以分为堆区(Heap)和栈区(Stack)。由于栈区内存是连续的,内存的分配和销毁是通过入栈和出栈操作进行的,速度要高于堆区。堆区存储高级数据类型,在数据初始化时,查找没有使用的内存,销毁时再从内存中清除,所以堆区的数据存储不一定是连续的。

类(class)和结构体(struct)在内存分配上是不同的,基本数据类型和结构体默认分配在栈区,而像类这种高级数据类型存储在堆区,且堆区数据存储不是线程安全的,在频繁的数据读写操作时,要进行加锁操作。

我们在swift文档里面能看到对结构的描述,结构体是值类型(Value Type),当值类型的数据赋值给一个变量或常量,或者传递给一个函数时,是值拷贝;

例如:

struct Resolution {
  var width = 0
  var height = 0
}

let hd = Resolution(width: 1920, height: 1080)
var cinema = hd
cinema.width = 2048

print("cinema is now \(cinema.width) pixels wide")
// Prints "cinema is now 2048 pixels wide"

print("hd is still \(hd.width) pixels wide")
// Prints "hd is still 1920 pixels wide"

通过这个例子我们能清楚的看到,当hd赋值给cinema时,是将hd中存储的值拷贝给cinema,所以当给cinema的width属性赋值的时候,并不会改变hd中的属性值,如下图所示:

结构体除了属性的存储更安全、效率更高之外,其函数的派发也更高效。由于结构体不能被继承,也就是结构体的类型被final修饰,根据我们对于动态派发及静态派发的描述,那么其内部函数应该是属于静态派发,在编译期就确定了函数的执行方式,其函数的调用通过内联(inline)的方式进行优化,其内存连续,减少了函数的寻址及内存地址的偏移计算,其运行相比于动态派发更加高效。

协议类型(protocol type)

多态是面向对象的一大特性,在结构体中不能通过继承或者引用语言的多态,swift就引入了协议(protocol),通过协议来实现了结构体的多态特性,这也是swift面向协议编程的核心所在。

对于类(class)来说,每个类都会创建一个虚拟函数表指针,这个指针则指向一个v-table表,也就是虚函数表,表内存储着该类的函数指针数组,拥有继承关系的子类会在虚函数表内通过继承顺序(C++可以实现多继承)去展示虚函数表指针。类里面方法的派发则是根据v-table表里面函数指针来进行派发。

而结构体(struct)没有继承,也就是说结构体并没有v-table表用于函数的派发。为了实现这一特性,在结构体的协议(protocol)的实现里添加了Protocol Witness Table用于管理协议类型的方法派发。

编译过程

上面介绍了一些swift在数据结构上的一些优化,除了数据结构优化之外,swift在编译过程也进行了大量的优化,其中最核心的优化,是在编译过程中引入SIL。

SIL,Swift Intermediate Language,是为了优化swift编译过程而设计的中间语言,主要包含了以下功能:

  1. 一系列的高级别优化保障,用于对运行时和诊断行为提供可预测的基线;
  2. 对swift语言数据流分析强制要求,对不满足强制要求的问题产生诊断。例如变量和结构体必须明确初始化,代码可达性即方法return的检测,switch的覆盖率;
  3. 确保高级别优化。包含retain/release优化,动态方法的去虚拟化,闭包内联,内存初始化提升和泛型方法实例 化.
  4. 可用于分配"脆弱"内联的稳定分配格式,将Swift库组件的泛型优化为二进制。

Clang编译流程

Clang编译过程有以下几个缺点:

  1. 与代码与LLVM IR之间有巨大的抽象鸿沟(Wide abstraction gap between source and LLVM IR );
  2. IR不适合源码级别的分析(IR isn't suitable for source-level analysis );
  3. CFG(Control Flow Graph)缺少精准度(CFG lacks fidelity );
  4. CFG偏离主道(CFG is off the hot path );
  5. 在CFG和IR降级中会出现重复分析(Duplicated effort in CFG and IR lowering)。

由于以上这些缺点,swift语言开发团队在开发过程中进行了一系列的优化,其中最关键的是引入SIL.

swift编译流程

Swift作为一个高级别和安全的语言具有以下特点:

高级别语言

  • 通过代码充分的展示语言的特性(Move more of the language into code)
  • 支持基于协议的泛型(Protocol-based generics)

安全语言

  • 充分的数据流检查:未初始化变量,函数返回处理检测,这些项在检测不合格时会产生对应的编译错误(Uninitialized vars, unreachable code should be compiler errors)
  • 边界和溢出的检测(Bounds and overflflow checks)

swift编译流程:

Swift 源码到IR之间的流程:

Swift 编译过程引入SIL有几个优点:

  1. 完成的变数程序的语义(Fully represents program semantics );
  2. 既能进行代码的生成,又能进行代码分析(Designed for both code generation and analysis );
  3. 处在编译管线的主通道(Sits on the hot path of the compiler pipeline );
  4. 架起桥梁连接源码与LLVM,减少源码与LLVM之间的抽象鸿沟(Bridges the abstraction gap between source and LLVM)

Swift编译器的流程

Swift编译器作为高级编译器,具有以下严格的传递流程结构。

Swift编译器的流程如下:

  • Parse: 语法分析组件从Swift源码构成AST
  • 语义分析组件对AST进行类型检查,并对其进行类型信息注释。
  • SILGen组件从AST形成"原始(raw)"SIL
  • 一系列在 生 SIL上运行的,用于确定优化和诊断合格,对不合格的代码嵌入特定的语言诊断。这些操作一定会执行,即使在-Onone选项下也不例外。之后产生 正式(canonical) SIL.
  • 一般情况下,是否在正式SIL上运行SIL优化是可选的,这个检测可以提升结果可执行文件的性能.可以通过优化级别来控制,在-Onone模式下不会执行.
  • IRGen会将正式SIL降级为LLVM IR.
  • LLVM后端提供LLVM优化,执行LLVM代码生成器并产生二进制码.

在上面的流程中,SIL对Swift的编译过程进行了一系列的优化,即保证的代码执行的安全性,又提升了代码执行的效率.

结尾

上面从Swift语言设计的数据结构及编译流程等方面进行了简单的分析,中间有很多细节没有在文章里阐述特别清晰,如果有兴趣了解更多,可以参考以下资料。

以上就是分析Swift性能高效的原因的详细内容,更多关于Swift性能的资料请关注我们其它相关文章!

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