Swift底层原理学习笔记

掘金 iOS

逍遥归来

2025年6月30日 16:02

笔记主要记录Swift和OC底层原理差异的地方，OC的底层原理之前的笔记有详细记录。

课程是逻辑教育的，视频基本只看了总结部分，然后结合网上已有笔记进行的重点梳理。

Swift 进阶一：类，对象，属性

类、对象

Swift对象的内存结构HeapObject，有两个属性：一个是Metadata，一个是Refcount，默认占用16字节大小，就是对象中没有任何东西也是16字节。
OC中实例对象的本质是结构体，是以objc_object为模板继承的，其中有一个isa指针，占8字节。
Swift比OC中多了一个refCounted引用计数大小，也就是多了8字节。

getClassObject函数是根据kind获取object类型
如果kind（理解为isa指针）是Class类型，则将当前的Metadata强转成ClassMetadata，而ClassMetadata是TargetClassMetadata根据类型的别名，其中TargetClassMetadata结构：
TargetClassMetadata继承自TargetAnyClassMetadata
结构与OC中的objc_class的结构一样，有isa，有父类，有cacheData，Data类似于objc_class中的bits
根据上面分析我们可以得到结论：当metadata的kind为Class时，有如下的继承关系：

总结，swift的类内存结构可以理解为：

struct Metadata {
    void *kind;               // 类型标识（如类、结构体、枚举）
    void *superClass;         // 父类的 Metadata 指针
    void *cacheData;          // 方法缓存（类似 OC 的 cache_t）
    void *data;               // 指向额外数据的指针
    
    // 实例布局信息
    uint32_t flags;                   // 类型标志位
    uint32_t instanceAddressOffset;   // 实例变量的起始偏移量
    uint32_t instanceSize;            // 实例对象占用的内存大小
    uint16_t instanceAlignMask;       // 实例的对齐掩码
    uint16_t reserved;                // 保留字段
    
    // 类布局信息
    uint32_t classSize;               // 类对象占用的内存大小
    uint32_t classAddressOffset;      // 类变量的起始偏移量
    void *description;                // 类型描述信息
    
    
    // 类对象与元类对象的关键区别
    uint32_t flags;       // 包含类型标志位（如是否为元类）
    void *vtable;         // 类对象的 vtable 指向实例方法表
    void *classVtable;    // 元类对象的 vtable 指向类方法表
    
    // 方法签名表（所有方法），存放在类对象中
    MethodDescriptor* methodDescriptors;
    uint32_t methodCount;
}

// 例子：
class MyClass { 
    func instanceMethod() {} // 实例方法 
    static func classMethod() {} // 类方法 
} 
// 实例方法调用（通过类对象的 vtable） 
let obj = MyClass() obj.instanceMethod() // 类对象 → Metadata → vtable → 方法实现 

// 类方法调用（通过元类对象的 classVtable） 
MyClass.classMethod() // 类对象 → 元类对象 → Metadata → classVtable → 方法实现

属性

1. 存储属性：有常量存储属性和变量存储属性两种，都占用内存
1. 计算属性：不占用内存，本质为函数。
1. 属性观察者：
- 1. 属性观察可以添加在类的存储属性、继承的存储属性、继承的计算属性中
- 1. 父类在调用init中改变属性值不会触发属性观察，子类调用父类的init会触发属性观察
- 1. 统一属性在父类和子类都添加观察，在触发观察时：
  - willSet方法，先子类后父类
  - didSet方法，先父类后子类
1. 延迟属性(lazy) ：延迟属性必须有初始（可以为nil），只有在访问后内存中才有值，延迟属性对内存有影响，不能保证线程安全
1. 类型属性：类型属性必须有初始值，内存只分配一次，通过swift_once函数创建，类似dispatch_once，是线程安全的。
- 可以用于单例：
```
class XXX {
  static let share: XXX = XXX()
  private init(){}
}
```

Swift 进阶二：值类型、引用类型、结构体

结构体，值类型

struct WSPerson { 
    var age: Int = 18 
} 
    
struct WSTeacher { 
    var age: Int 
}

结构体会自动创建为所有参数赋值的构造函数。
结构体开辟的内存在栈区。
结构体的赋值是深拷贝，并且有写时复制的机制。

结构体的属性修改问题

结构体对象self类型为let，即不可以被修改。
结构体中函数修改属性，需要在函数前添加mutating关键字，本质是给函数的默认参数self添加了inout关键字，将self从let常量改成了var变量。
mutating方法修改结构体属性时，采用的是 "in-place" 的方式，也就是直接在当前实例的内存空间里修改属性值，并没有重新创建一个新的实例来替换原来的实例。这一特性和赋值操作有着本质的区别。

结构体的函数调用

值类型对象的函数的调用方式是静态调用，即直接地址调用，调用函数指针，这个函数指针在编译、链接完成后就已经确定了，存放在代码段，而结构体内部并不存放方法。因此可以直接通过地址直接调用 这个符号哪里来的？
是从Mach-O文件中的符号表Symbol Tables，但是符号表中并不存储字符串，字符串存储在String Table（字符串表，存放了所有的变量名和函数名，以字符串形式存储），然后根据符号表中的偏移值到字符串中查找对应的字符，然后进行命名重整：工程名+类名+函数名

方法重载问题

在Objective-C里，方法重载是不被支持的，不过Swift却支持，这主要是由它们不同的函数签名机制和语言设计理念造成的。

函数签名机制

Objective - C：它的函数签名只依据方法名，和参数类型没有关系。比如下面这两个方法，在OC看来是一样的，所以无法共存：

- (void)doSomethingWithInt:(int)value; 
- (void)doSomethingWithInt:(NSString *)value;

Swift：它的函数签名是由方法名和参数类型共同组成的。下面这样的重载在Swift中是被允许的：

func doSomething(value: Int) 
func doSomething(value: String)

2. 消息传递机制

OC：采用的是运行时消息传递机制，方法调用是通过字符串（SEL）来实现的。像[obj doSomethingWithInt:1]这样的调用，在运行时会被解析为SEL @selector(doSomethingWithInt:)，要是有多个同名方法，就会引发冲突。
Swift：使用的是静态 dispatch 机制，在编译时就会确定具体要调用哪个方法。

补充说明

Swift 的重载：除了参数类型不同可以重载外，参数数量不同或者参数标签不同也能实现重载。
OC 的替代方案：在OC中，如果要实现类似功能，通常会采用命名约定，例如doSomethingWithInt:和doSomethingWithString:。

总结来说，Swift支持方法重载是其类型系统和编译时检查机制的自然结果，而OC不支持则是受限于其动态特性和历史设计。

Swift 进阶三：内存分区、方法调度、指针

方法调度

Swift 类的方法（非final、非static、非@objc修饰的）会被存放在一个名为 vtable 的表中。
只有类能够使用 vtable，结构体和枚举由于不支持继承，所以没有 vtable

内存布局示例：
[实例对象内存]
  ├ isa 指针 ───→ [类对象]
                ├ Metadata 指针 ───→ [Metadata]
                │                  └ vtable 指针 ───→ [vtable 内存区域]
                │                                      ├ 0: init()
                │                                      ├ 1: method1()
                │                                      └ 2: method2()
                └ 其他类数据...

方法调用时的流程，当调用一个类的实例方法时，Swift 运行时会：
1. 通过实例的 isa 指针找到类对象。
2. 从类对象中获取 Metadata 指针。
3. 从 Metadata 中读取 vtable 指针。
4. 根据方法在 vtable 中的索引，调用对应的函数实现。
vtable 仅存储可重写的方法，而类的所有方法（包括不可重写的）仍通过元数据（Metadata）管理。
元类对象（Metaclass Object）的 Metadata 主要存储类方法（static/class 方法）的实现信息。
协议方法的签名和实现由 Witness Table 管理，与类对象 / 元类对象的 Metadata 是分离的。

方法调用总结

struct是值类型，它的函数调度是直接调用，即静态调度
- 值类型在函数中如果要修改实例变量的值，则函数前面需要添加Mutating修饰
class是引用类型，它的函数调度是通过vtable函数，即动态调度
extension中的函数是直接调用，即静态调度
final修饰的函数是直接调用，即静态调度
@objc修饰的函数是methodList函数表调度，如果方法需要在OC中使用，则类需要继承NSObject
dynamic修饰的函数调度方式是methodList函数表调度，它是动态可以修改的，可以进行method-swizzling
- @objc+dynami修饰的函数是通过objc_msgSend来调用的
如果函数中的参数想要被更改，则需要在参数的类型前面增加inout关键字，调用时需要传入参数的地址

Swift 进阶四：弱引用、闭包、元类型

Swift 内存管理

swift实例对象的内存中，存在一个Metadata，一个Refcount。后者记录引用计数。
Refcount最终可以获得64位整型数组bits，其结构：

// 简化的 Refcount 结构（实际实现可能更复杂）
struct Refcount {
    // 64 位中的高 32 位：强引用计数
    uint32_t strongRefCount: 32;
    
    // 64 位中的低 32 位：
    uint32_t hasWeakRefs: 1;      // 是否有弱引用
    uint32_t hasUnownedRefs: 1;   // 是否有 unowned 引用
    uint32_t isDeiniting: 1;      // 是否正在析构
    uint32_t sideTableMask: 1;    // 是否使用 Side Table
    uint32_t weakRefCount: 28;    // 弱引用计数
};

当引用计数超出直接存储范围时，通过 sideTableMask 标志切换到全局 Side Table 存储。
Swift在创建实例对象时的默认引用计数是1，而OC在alloc创建对象时是没有引用计数的。

弱引用

为对象增加弱引用时，实际是调用refCounts.formWeakReference，即去操作sideTable表，添加对象的弱引用关系，这里和OC处理是一致的。

swift中的runtime

对于纯swift类来说，没有动态特性dynamic（因为swift是静态语言），方法和属性不加任何修饰符的情况下，已经不具备runtime特性，此时的方法调度，依旧是函数表调度即V_Table调度。
对于纯swift类，方法和属性添加@objc标识的情况下，可以通过runtime API获取到，但是在OC中是无法进行调度的，原因是因为swift.h文件中没有swift类的声明。
对于继承自NSObject类来说，如果想要动态的获取当前属性+方法，必须在其声明前添加@objc关键字，如果想要使用方法交换，还必须在属性+方法前添加dynamic关键字，否则当前属性+方法只是暴露给OC使用，而不具备任何动态特性。

补充

Any：任意类型，包括function类型、optional类型
AnyObject：任意类的instance、类的类型、仅类遵守的协议，可以看作是Any的子类
AnyClass：任意实例类型，类型是AnyObject.Type
T.self：如果T是实例对象，则表示它本身，如果是类，则表示metadata.T.self的类型是T.Type

阅读视图

Swift 进阶一：类，对象，属性

类、对象

属性

Swift 进阶二：值类型、引用类型、结构体

结构体，值类型

结构体的属性修改问题

结构体的函数调用

方法重载问题

Swift 进阶三：内存分区、方法调度、指针

方法调度

方法调用总结

Swift 进阶四：弱引用、闭包、元类型

Swift 内存管理

弱引用

swift中的runtime

补充