前言
Apple今年推出了Swift3.0，较2.3来说，3.0是一次重大的升级。关于这次更新，在这里都可以找到，最主要的还是提高了Swift的性能，优化了Swift API的设计（命名）规范。
前段时间对之前写的一个项目ImageMaskTransition做了简单迁移，先保证能在3.0下正常运行，只用了不到30分钟。总的来说，这次迁移还是非常轻松的。但是，有一点要注意：3.0的API设计规范较2.3有了质变，建议做迁移的开发者先看下WWDC的Swift API Design Guidelines。后面有时间了，我有可能也会总结下。
内存分配
通过查看Github上Swift的源代码语言分布
可以看到
- Swift语言是用C++写的
- Swift的核心Library是用Swift自身写的。
对于C++来说，内存区间如下
- 堆区
- 栈区
- 代码区
- 全局静态区
Swift的内存区间和C++类似。也有存储代码和全局变量的区间，这两种区间比较简单，本文更多专注于以下两个内存区间。
- Stack（栈），存储值类型的临时变量，函数调用栈，引用类型的临时变量指针
- Heap（堆），存储引用类型的实例
栈
在栈上分配和释放内存的代价是很小的，因为栈是一个简单的数据结构。通过移动栈顶的指针，就可以进行内存的创建和释放。但是，栈上创建的内存是有限的，并且往往在编译期就可以确定的。
举个很简单的例子：当一个递归函数，陷入死循环，那么最后函数调用栈会溢出。
例如，一个没有引用类型Struct的临时变量都是在栈上存储的
struct Point{
var x:Double // 8 Bytes
var y:Double // 8 bytes
}
let size = MemoryLayout<Point>.size
print(size) // 16
let point1 = Point(x:5.0,y:5.0)
let instanceSize = MemoryLayout<Point>.size(ofValue: point1)
print(instanceSize) //16
- 9
那么，这个内存结构如图
Tips: 图中的每一格都是一个Word大小，在64位处理器上，是8个字节
堆
在堆上可以动态的按需分配内存，每次在堆上分配内存的时候，需要查找堆上能提供相应大小的位置，然后返回对应位置，标记指定位置大小内存被占用。
在堆上能够动态的分配所需大小的内存，但是由于每次要查找，并且要考虑到多线程之间的线程安全问题，所以性能较栈来说低很多。
比如，我们把上文的改成class PointClass{
var x:Double = 0.0
var y:Double = 0.0
}
let size2 = MemoryLayout<PointClass>.size
print(size2) //8
let point2 = Point(x:5.0,y:5.0)
let instanceSize = MemoryLayout<Point>.size(ofValue: point2)
print(instanceSize) //8
这时候的内存结构如图
Tips: 图中的每一格都是一个Word大小，在64位处理器上，是8个字节
Memory Alignment（内存对齐）
和C/C++/OC类似，Swift也有Memory Alignment的概念。举个直观的例子
我们定义这样两个Struct
struct S{
var x:Int64
var y:Int32
}
struct SReverse{
var y:Int32
var x:Int64
}
然后，用MemoryLayout来获取两个结构体的大小
let sSize = MemoryLayout<S>.size //12
let sReverseSize = MemoryLayout<SReverse>.size //16
可以看到，只不过调整了结构体中的声明顺序，其占用的内存大小就改变了，这就是内存对齐。
我们来看看，内存对齐后的内存空间分布：
内存对齐的原因是，
CPUword324648内存对齐的优点很多
- 保证对一个成员的访问在一个Transition中，提高了访问速度，同时还能保证一次操作的原子性。除了这些，内存对齐还有很多优点，可以看看这个SO答案
自动引用计数(ARC)
提到ARC，不得不先讲讲Swift的两种基本类型：
- 值类型，在赋值的时候，会进行值拷贝
- 引用类型，在赋值的时候，只会进行引用（指针）拷贝
比如，如下代码
struct Point{ //Swift中，struct是值类型
var x,y:Double
}
class Person{//Swift中，class是引用类型
var name:String
var age:Int
init(name:String,age:Int){
self.name = name
self.age = age
}
}
var point1 = Point(x: 10.0, y: 10.0)
var point2 = point1
point2.x = 9.0
print(point1.x) //10.0
var person1 = Person(name: "Leo", age: 24)
var person2 = person1
person2.age = 25
print(person1.age)//9.0
- 我们先看看对应内存的使用 值类型有很多优点，其中主要的优点有两个 - 线程安全，每次都是获得一个copy，不存在同时修改一块内存 - 不可变状态，使用值类型，不需要考虑别处的代码可能会对当前代码有影响。也就没有side effect。 ARC是相对于引用类型的。 > ARC是一个内存管理机制。当一个引用类型的对象的reference count(引用计数)为0的时候，那么这个对象会被释放掉。 我们利用XCode 8和iOS开发，来直观的查看下一个值类型变量的引用计数变化。 新建一个iOS单页面工程，语言选择Swift，然后编写如下代码  然后，当断点停在24行处的时候，Person的引用计数如下
这里，底部的`thread_2673`是主线程堆Person对象的持有，是iOS系统默认添加。所以,` var leo = Person(name: “Leo”, age: 25)`这一行后，准确的说是引用计数加一，并不是引用计数为一。当然，这些系统自动创建的也会自动销毁，我们无须考虑。 可以看到，person唯一的引用就是来自`VM:Stack thread`，也就是栈上。 因为引用计数的存在，Class在堆上需要额外多分配一个Word来存储引用计数：
当栈上代码执行完毕，栈会断掉对Person的引用，引用计数也就减一，系统会断掉自动创建的引用。这时候，person的引用计数位0，内存释放。
方法调度(method dispatch)
Swift的方法调度分为两种
- 静态调度 static dispatch. 静态调度在执行的时候，会直接跳到方法的实现，静态调度可以进行inline和其他编译期优化。
- 动态调度 dynamic dispatch. 动态调度在执行的时候，会根据运行时(Runtime)，采用table的方式，找到方法的执行体，然后执行。动态调度也就没有办法像静态那样，进行编译期优化。
Struct
对于Struct来说，方法调度是静态的。
struct Point{
var x:Double // 8 Bytes
var y:Double // 8 bytes
func draw(){
print("Draw point at(x,y)")
}
}
let point1 = Point(x: 5.0, y: 5.0)
point1.draw()
print(MemoryLayout<Point>.size) //16
- 1
可以看到，由于是Static Dispatch，在编译期就能够知道方法的执行体。所以，在Runtime也就不需要额外的空间来存储方法信息。编译后，方法的调用，直接就是变量地址的传入，存在了代码区中。
如果开启了编译器优化，那么上述代码被优化成Inline后，
let point1 = Point(x: 5.0, y: 5.0)
print("Draw point at(point1.x,point1.y)")
print(MemoryLayout<Point>.size) //16
- 1
- 2
- 3
Class
Class是Dynamic Dispatch的，所以在添加方法之后，Class本身在栈上分配的仍然是一个word。堆上，需要额外的一个word来存储Class的Type信息，在Class的Type信息中，存储着virtual table(V-Table)。根据V-Table就可以找到对应的方法执行体。
class Point{
var x:Double // 8 Bytes
var y:Double // 8 bytes
init(x:Double,y:Double) {
self.x = x
self.y = y
}
func draw(){
print("Draw point at(x,y)")
}
}
let point1 = Point(x: 5.0, y: 5.0)
point1.draw()
print(MemoryLayout<Point>.size) //8
- 14
继承
因为Class的实体会存储额外的Type信息，所以继承理解起来十分容易。子类只需要存储子类的Type信息即可。
例如
class Point{
var x:Double // 8 Bytes
var y:Double // 8 bytes
init(x:Double,y:Double) {
self.x = x
self.y = y
}
func draw(){
print("Draw point at(x,y)")
}
}
class Point3D:Point{
var z:Double // 8 Bytes
init(x:Double,y:Double,z:Double) {
self.z = z
super.init(x: x, y: y)
}
override func draw(){
print("Draw point at(x,y,z)")
}
}
let point1 = Point(x: 5.0, y: 5.0)
let point2 = Point3D(x: 1.0, y: 2.0, z: 3.0)
let points = [point1,point2]
points.forEach { (p) in
p.draw()
}
//Draw point at(5.0, 5.0)
//Draw point at(1.0, 2.0, 3.0)
- 1
协议
我们首先看一段代码
struct Point:Drawable{
var x:Double // 8 Bytes
var y:Double // 8 bytes
func draw(){
print("Draw point at(x,y)")
}
}
struct Line:Drawable{
var x1:Double // 8 Bytes
var y1:Double // 8 bytes
var x2:Double // 8 Bytes
var y2:Double // 8 bytes
func draw(){
print("Draw line from (x1,y1) to (x2,y2)")
}
}
let point = Point(x: 1.0, y: 2.0)
let memoryAsPoint = MemoryLayout<Point>.size(ofValue: point)
let memoryOfDrawable = MemoryLayout<Drawable>.size(ofValue: point)
print(memoryAsPoint)
print(memoryOfDrawable)
let line = Line(x1: 1.0, y1: 1.0, x2: 2.0, y2: 2.0)
let memoryAsLine = MemoryLayout<Line>.size(ofValue: line)
let memoryOfDrawable2 = MemoryLayout<Drawable>.size(ofValue: line)
print(memoryAsLine)
print(memoryOfDrawable2)
可以看到，输出
16 //point as Point
40 //point as Drawable
32 //line as Line
40 //line as Drawable
16和32不难理解，Point含有两个Double属性，Line含有四个Double属性。对应的字节数也是对的。那么，两个40是怎么回事呢？而且，对于Point来说，40-16=24,多出了24个字节。而对于Line来说，只多出了40-32=8个字节。 这是因为Swift对于协议类型的采用如下的内存模型 - Existential Container。
Existential Container包括以下三个部分：
- 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。
- 第五个word：Protocol Witness Table(PWT)，用来存储协议的函数。
那么，内存结构图，如下
[ point ]
[ line ]
范型
范型让代码支持静态多态。比如：
func drawACopy<T : Drawable>(local : T) {
local.draw()
}
drawACopy(Point(...))
drawACopy(Line(...))
那么，范型在使用的时候，如何调用方法和存储值呢？
[ 范型 ]
范型并不采用Existential Container，但是原理类似。
- VWT和PWT作为隐形参数，传递到范型方法里。
- 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。
范型的编译器优化
1. 为每种类合成具体的方法
比如
func drawACopy<T : Drawable>(local : T) {
local.draw()
}
在编译过后，实际会有两个方法
func drawACopyOfALine(local : Line) {
local.draw()
}
func drawACopyOfAPoint(local : Point) {
local.draw()
}
然后,
drawACopy(local: Point(x: 1.0, y: 1.0))
- 1
会被编译成为
func drawACopyOfAPoint(local : Point(x: 1.0, y: 1.0))
- 1
Swift的编译器优化还会做更多的事情，上述优化虽然代码变多，但是编译器还会对代码进行压缩。所以，实际上，并不会对二进制包大小有什么影响。
参考资料
- WWDC 2016 - Understanding Swift Performance
- WWDC 2015 - Optimizing Swift Performance
- Does Swift guarantee the storage order of fields in classes and structs?
https://blog.csdn.net/Hello_Hwc/article/details/53147910