Swift类和对象的底层探索分析

目录

• 引言
• 1. 对象
• 1.1 上层代码中查找
• 1.1.1 查找对象调用方法
• 1.1.2 设置符号断点
• 1.2 swift_allocObject
• 1.3 swift_showAlloc
• 1.4 查看HeapObject结构体
• 1.5 对象内存大小计算
• 1.6 总结
• 2. 类
• 2.1 查找HeapMetadata
• 2.2. TargetHeapMetaData
• 2.3. TargetMetaData
• 2.4. TargetClassMetadata
• 2.5. TargetAnyClassMetadata

引言

在上文已经了解了SIL，接下来主要通过Swift源码和SIL剖析底层。本文主要通过底层源码探索类和对象在底层的结构

主要内容：

• 对象
• 类

1. 对象

通过源码中探索Swift对象创建过程以及最终得到的对象结构。

1.1 上层代码中查找

通过符号断点调试来查找底层调用方法

源码：

class WYStudent {
    var age: Int = 18
    var name: String = "WY"
}
var stu = WYStudent();

1.1.1 查找对象调用方法

通过断点查看发现是通过__allocating_init()方法实现对象的创建

添加断点

查看调用方法

1.1.2 设置符号断点

符号断点：

查看：

说明：

• 在上面SIL的认识中已经知道了对象是通过__allocating_init()来创建的，在此处打断点查看
• 在__allocating_init()方法中可以看到会调用swift_allocObject()方法
• 因此接下来就需要在源码中查看该方法
• __allocating_init()方法中做了两件事
  • 调用swift_allocObject创建对象
  • 调用init()初始化对象，这个init方法是类默认提供的，也是默认调用的

1.2 swift_allocObject

说明：

• 通过swift_slowAlloc分配内存，并进行内存字节对齐，传入开辟的内存空间大小和对齐位数
• 通过HeapObject方法构造一个HeapObject对象，并且绑定到object上
• 因此此时的object就是一个heapObject对象
• 函数的返回值是HeapObject类型，所以当前对象的内存结构就是HeapObject的内存结构

1.3 swift_showAlloc

// Apple malloc is always 16-byte aligned.
#  define MALLOC_ALIGN_MASK 15

说明：

• 通过swift_slowAlloc用来分配内存空间
• 这里会通过对齐位数来判断使用哪种方法来分配空间
• 最小的对齐位数是16字节，如果传入的位数小于16字节，那么就是用16字节对齐，也就是使用malloc方法
• 如果大于16字节位数，那么使用AlignedAlloc方法

1.4 查看HeapObject结构体

结构体

refCounts查看：

typedef RefCounts<InlineRefCountBits> InlineRefCounts;
//是一个类，所以它的对象就是8个字节
class RefCounts {
  std::atomic<RefCountBits> refCounts;//引用计数
  ...
}

说明：

• 结构体内包含一个成员，metadata
• HeapObject()初始化器，会初始化metadata和refCounts，因此对象中会有这两种属性
• 其中metadata类型是HeapMetadata，是一个指针类型，占8字节，其实它就是类信息
• refCounts是引用计数，也占有8个字节
• refCounts的类型是InlineRefCounts
• 而InlineRefCounts是一个类RefCounts的别名
• RefCounts是一个类，所以refCounts占8个字节

1.5 对象内存大小计算

说明：

• metadata占8个字节
• refCounts占8个字节
• 再加上age的8个字节
• name占8个字节
• 所以总共是40个字节

1.6 总结

实例对象的底层结构是HeapObject结构体

默认16字节内存大小，metadata 8字节 + refCounts 8字节

metadata是类信息结构，下面会分析

refCounts是引用计数，后面也会详细分析

Swift中对象的内存分配流程是：

__ allocating_init --> swift_allocObject_ --> _swift_allocObject --> swift_slowAlloc --> malloc

2. 类

对象在底层中的结构是HeapObject结构体，其第一个属性为metadata，因此从这个属性出发来查看类的结构

2.1 查找HeapMetadata

代码：

using HeapMetadata = TargetHeapMetaData<Inprocess>;

说明：

• 上文可知对象结构体HeapObject包含有HeapMetadata结构体，对象通过它来查找对应的类信息
• 点击进入HeapMetadata的定义，发现它是TargetHeapMetaData类型的别名
• 并且接收了一个参数Inprocess

2.2. TargetHeapMetaData

代码：

//模板类型
template <typename Runtime>
struct TargetHeapMetadata : TargetMetadata<Runtime> {
  using HeaderType = TargetHeapMetadataHeader<Runtime>;
  TargetHeapMetadata() = default;
  //初始化方法
  constexpr TargetHeapMetadata(MetadataKind kind)
    : TargetMetadata<Runtime>(kind) {}
#if SWIFT_OBJC_INTEROP
  constexpr TargetHeapMetadata(TargetAnyClassMetadata<Runtime> *isa)
    : TargetMetadata<Runtime>(isa) {}
#endif
};

说明：

• TargetHeapMetaData其本质是一个模板类型，其中定义了一些所需的数据结构
• 这个结构体中没有属性，只有初始化方法
• 初始化方法中传入了一个MetadataKind类型的参数，之后就可以返回TargetMetaData对象
• 同时可以看到这里传入的kind也就是上面的inprocess了
• 该初始化方法构造的对象需要通过该参数来确定

2.3. TargetMetaData

代码：

说明：

• 在TargetMetaData中可以看到有一个Kind属性，这是在构建对象时传入的那个参数

查看MetadataKind

说明：

• 可以看到它是uint32_t类型

类型

说明：

• 进入MetadataKind定义，里面有一个#include "MetadataKind.def"
• 点击进入，其中记录了所有类型的元数据

getClassObject方法：

const TargetClassMetadata<Runtime> *getClassObject() const;
//******** 具体实现 ********
template<> inline const ClassMetadata *
  Metadata::getClassObject() const {
    //匹配kind
    switch (getKind()) {
      //如果kind是class
    case MetadataKind::Class: {
      // Native Swift class metadata is also the class object.
      //将当前指针强转为ClassMetadata类型
      return static_cast<const ClassMetadata *>(this);
    }
    case MetadataKind::ObjCClassWrapper: {
      // Objective-C class objects are referenced by their Swift metadata wrapper.
      auto wrapper = static_cast<const ObjCClassWrapperMetadata *>(this);
      return wrapper->Class;
    }
    // Other kinds of types don't have class objects.
    default:
      return nullptr;
    }
  }

说明：

• 在TargetMetaData结构体定义中有一个方法getClassObject，它就可以用来获取类对象，也就是类
• 在方法中的核心逻辑是通过kind来判断当前是哪种类型，之后返回
• 这里我们需要的是类类型，因此判断为MetadataKind::Class，就会返回ClassMetadata类型

验证：

命令：

po metadata->getKind()

得到其kind是Class

po metadata->getClassObject() + x/8g 0x0000000110efdc70

这个地址中存储的是元数据信息!

说明：

• 传递进来的Kind发现可以判断为类
• 通过方法调用最后得到的是一个类对象，也就是类
• 通过x/8g查看类信息，里面就是存储的元数据信息

注意：

• TargetMetadata 和 TargetClassMetadata 本质上是一样的
• 因为在内存结构中，可以直接进行指针的转换，所以可以说，我们认为的结构体，其实就是TargetClassMetadata

2.4. TargetClassMetadata

代码：

template <typename Runtime>
struct TargetClassMetadata : public TargetAnyClassMetadata<Runtime> {
    ...
    //swift特有的标志
    ClassFlags Flags;
    //实力对象内存大小
    uint32_t InstanceSize;
    //实例对象内存对齐方式
    uint16_t InstanceAlignMask;
    //运行时保留字段
    uint16_t Reserved;
    //类的内存大小
    uint32_t ClassSize;
    //类的内存首地址
    uint32_t ClassAddressPoint;
  ...
}

说明：

• 包含了很多属性，这些都属于类结构信息
• 并且它继承自TargetAnyClassMetadata

2.5. TargetAnyClassMetadata

代码：

说明：

• TargetAnyClassMetadata是所有的类结构，不单单是给Swift用的
• 继承自TargetHeapMetadata，这也证明类本身也是对象
• 提供有isa、superclass、cache、data，和OC的底层类结构完全一样

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