Swift

• 原文博客地址: 浅谈Swift的属性(Property)
• 今年期待已久的Swift5.0稳定版就已经发布了, 感兴趣的小伙伴可看我的这篇博客:Swift 5.0新特性更新
• 这篇博客可主要分享Swift的属性的相关介绍和剖析, 测试环境: Xcode 11.2.1, Swift 5.1.2

属性分类

在Swift中, 严格意义上来讲属性可以分为两大类: 实例属性和类型属性

• 实例属性(Instance Property): 只能通过实例去访问的属性
  • 存储实例属性(Stored Instance Property): 存储在实例的内存中, 每个实例都只有一份
  • 计算实例属性(Computed Instance Property)
• 类型属性(Type Property): 只能通过类型去访问的属性
  • 存储类型属性(Stored Type Property): 整个程序运行过程中就只有一份内存(类似全局变量)
  • 计算类型属性(Computed Type Property)
  • 类型属性可以通过static关键字定义; 如果是类也可以通过class关键字定义
• 实例属性属于一个特定类型的实例，每创建一个实例，实例都拥有属于自己的一套属性值，实例之间的属性相互独立
• 为类型本身定义属性，无论创建了多少个该类型的实例，这些属性全局都只有唯一一份，这种属性就是类型属性

实例属性

上面提到Swift中跟实例相关的属性可以分为两大类:存储属性和计算属性

• 存储属性(Stored Property)
  • 类似于成员变量，系统会为其分配内存空间，存储属性存储在实例的内存中
  • 存储属性可以是变量存储属性(用关键字var定义)，也可以是常量存储属性(用关键字let定义)
  • 结构体和类可以定义存储属性, 枚举不可以定义存储属性
• 计算属性(Computed Property)
  • 计算属性其本质就是方法(函数), 系统不会为其分配内存空间, 所以计算属性不会占用实例对象的内存
  • 计算属性不直接存储值，而是提供一个getter和一个可选的setter，来间接获取和设置其他属性或变量的值
  • 枚举、绝构体和类都可以定义计算属性

存储属性

• 在Swift中存储属性可以是var修饰的变量, 也可以是let修饰的常量
• 但是在创建类或结构体的实例时, 必须为所有的存储属性设置一个合适的初始值, 否则会报错的
• 可以在定义属性的时候, 为其设置一个初始值
• 可以在init初始化器里为存储实行设置一个初始值

struct Person {
    // 定义的时候设置初始值
    var age: Int = 24
    var weight: Int
}

// 使用init初始化器设置初始值
var person1 = Person(weight: 75)
var person2 = Person(age: 25, weight: 80)

• 上面两个属性是会占用实例的内存空间的
• 可以使用MemoryLayout获取数据类型占用的内存大小

// Person结构体实际占用的内存大小
MemoryLayout<Person>.size         // 16
// 系统为Person分配的内存大小
MemoryLayout<Person>.stride       // 16
// 内存对其参数
MemoryLayout<Person>.alignment    // 8

还有一种使用方式, 输出结果一致

var person = Person(weight: 75)

MemoryLayout.size(ofValue: person)
MemoryLayout.stride(ofValue: person)
MemoryLayout.alignment(ofValue: person)

计算属性

• 枚举、绝构体和类都可以定义计算属性
• 计算属性不直接存储值，而是提供一个getter和一个可选的setter，来间接获取和设置其他属性或变量的值
• 计算属性其本质就是方法(函数), 系统不会为其分配内存空间, 所以计算属性不会占用实例对象的内存

struct Square {
    var side: Int
    var girth: Int {
        set {
            side = newValue / 4
        }
        get {
            return side * 4
        }
    }
}

// 其中set也可以使用下面方式
set(newGirth) {
    side = newGirth / 4
}

下面我们先看一下Square所占用的内存大小, 这里方便查看都去掉了print函数

var squ = Square(side: 4)

MemoryLayout.size(ofValue: squ)        // 8
MemoryLayout.stride(ofValue: squ)      // 8
MemoryLayout.alignment(ofValue: squ)   // 8

从上面输出结果可以看出, Square只占用8个内存大小, 也就是一个Int占用的内存大小, 如果还是看不出来, 可以看一下下面这个

struct Square {
    var girth: Int {
        get {
            return 4
        }
    }
}

// 输出结果0
print(MemoryLayout<Square>.size)   // 0

• 从上面两个输出结果可以看出, 计算属性并不占用内存空间
• 此外, 计算属性虽然不直接存储值, 但是却需要get、set方法来取值或赋值
• 其中通过set方法修改其他相关联的属性的值; 如果该计算属性是只读的, 则不需要set方法, 传入的新值默认值newValue, 也可以自定义
• 通过get方法获取该计算属性的值, 即使是只读的, 计算属性的值也是可能发生改变的
• 定义计算属性只能使用var, 不能使用let
• 下面我们通过汇编的方式来看一下执行过程, 在下图中勾上Always Show Disassembly, 右断点时Xcode就会在运行过程中自动跳到断电的汇编代码中

var squ = Square(side: 4)
var c = squ.girth    // 在此处加上断点时

上述代码的执行流程, 通过汇编的方式看, 核心代码如下所示

Square1

下面是在iOS模拟器环境下一些汇编常用的指令

// 将rax的值赋值给rdi
movq   %rax, %rdi
// 将rbp-0x18这个地址值赋值给rsi
leaq   -0x18(%rbp), %rsi
// 函数跳转指令
callq  0x100005428 

从上图可以看到上面代码对应的汇编代码, 其核心代码大概可以分为四部分

1. Square调用init初始化器, 即Square的初始化(详细汇编代码可进入callq 0x100001300中查看)
2. 讲已经出初始化的Square的对象的内存地址赋值给一个全局变量, 即squ
3. 调用Square对象里面girth计算属性的getter方法, 获取girth的值
4. 把获取的girth的值赋值给一个全局变量

如上图中中断点位置, 当断电执行到此处时, 执行si命令即可查看getter函数的的执行过程, 如下图所示, 其中imulq是执行乘法指令

// 把rdx和rax的相乘的结果在赋值给rax
imulq  %rdx, %rax

Square1

下面再看一下, 计算属性的赋值操作, 代码如下

var squ = Square(side: 4)
squ.girth = 12;
print(squ.side)   // 3

对应的汇编代码如下, 执行流程和上面的取值操作类似, 不同的是赋值操作最后执行的是girth的setter方法

0x1000010c9 <+25>: callq  0x100001300               ; SwiftLanguage.Square.init(side: Swift.Int) -> SwiftLanguage.Square at main.swift:11
0x1000010ce <+30>: leaq   0x6123(%rip), %rsi        ; SwiftLanguage.squ : SwiftLanguage.Square
0x1000010d5 <+37>: xorl   %ecx, %ecx
0x1000010d7 <+39>: movq   %rax, 0x611a(%rip)        ; SwiftLanguage.squ : SwiftLanguage.Square
0x1000010de <+46>: movq   %rsi, %rdi
0x1000010e1 <+49>: leaq   -0x20(%rbp), %rsi
0x1000010e5 <+53>: movl   $0x21, %edx
0x1000010ea <+58>: callq  0x10000540a               ; symbol stub for: swift_beginAccess
0x1000010ef <+63>: movl   $0xc, %edi
0x1000010f4 <+68>: leaq   0x60fd(%rip), %r13        ; SwiftLanguage.squ : SwiftLanguage.Square
0x1000010fb <+75>: callq  0x100001200               ; SwiftLanguage.Square.girth.setter : Swift.Int at main.swift:14

• 只读计算属性, 只有get没有set
• 只读计算属性的值, 则是根据关联值的变化而变化, 不可被赋值

// 你可以这样写
struct Square {
    var side: Int
    var girth: Int {
        get {
            return side * 4
        }
    }
}

// 也可以这样写
var girth: Int {
    return side * 4
}

// 还可以这样写
var girth: Int { side * 4 }


var squ = Square(side: 4)
// 不可赋值修改
//squ.girth = 12;
print(squ.girth)

枚举的rawValue

枚举的rawValue的本质就是计算属性, 而且是只读的计算属性

enum Test: Int {
    case test1 = 1
    case test2 = 2
}

var c = Test.test1.rawValue
print(c)    // 1

至于如何确定, 那么久简单粗暴点, 看汇编

Square

• 上图中可以看到获取rawValue的值, 其实就是调用的rawValue的getter方法
• 另外如下所示, 我们对rawValue进行重新赋值, 会报错

Test.test1.rawValue = 2
// 这里报错: Cannot assign to property: 'rawValue' is immutable

那么我们就可以根据rawValue的计算属性修改rawValue的值

enum Test: Int {
    case test1 = 1
    case test2 = 2
    
    var rawValue: Int {
        switch self {
        case .test1:
            return 10
        case .test2:
            return 20
        }
    }
}

var c = Test.test1.rawValue   // 10

延迟存储属性

• 使用lazy可以定义一个延迟存储属性(Lazy Stored Property), 延迟存储属性只有在第一次使用的时候才会进行初始化
• lazy属性修饰必须是var, 不能是let
• let修饰的常量必须在实例的初始化方法完成之前就拥有值

class Car {
    init() {
        print("Car init")
    }
    
    func run() {
        print("Car is runing")
    }
}

class Person {
    lazy var car  = Car()
    init() {
        print("Person init")
    }
    
    func goOut() {
        car.run()
    }
}

let person = Person()
print("--------")
person.goOut()

// 输出结果
// Person init
// --------
// Car init
// Car is runing

上述代码, 在初始化car的时候如果没有lazy, 则输出结果如下

/*
Car init
Person init
--------
Car is runing
*/

• 这也就证明了延迟存储属性只有在第一次使用的时候才会被初始化
• 此外还有一种复杂的延迟存储属性, 有点类似于OC中的懒加载
• 下面代码中实际上是一个闭包, 可以吧相关逻辑处理放在闭包中处理

class Preview {
    lazy var image: Image = {
        let url = "https://titanjun.oss-cn-hangzhou.aliyuncs.com/swift/square3.png"
        let data = Data.init(contentsOf: url)
        return Image(data: data)
    }()
}

属性观察器

在Swift中可以为非lazy的并且只能是var修饰的存储属性设置属性观察器, 形式如下

struct Person {
    var age: Int {
        willSet {
            print("willSet", newValue)
        }
        didSet {
            print("didSet", oldValue, age)
        }
    }
    
    init() {
        self.age = 3
        print("Person init")
    }
}

var p = Person()
p.age = 10
print(p.age)

/* 输出结果
Person init
willSet 10
didSet 3 10
10
*/

• 在存储属性中定义willSet或didSet观察者，来观察和响应属性值的变化, 从上述输出结果我们也可以看到
  • willSet会传递新值, 在存储值之前被调用, 其默认的参数名是newValue
  • didSet会传递旧值, 在存储新值之后立即被调用, 其默认的参数名是oldValue
• 当每次给存储属性设置新值时，都会调用属性观察者，即使属性的新值与当前值相同
• 在初始化器中设置属性和在定义属性是设置初始值都不会触发willSet或didSet

类型属性

• 存储类型属性(Stored Type Property): 整个程序运行过程中就只有一份内存(类似全局变量)
• 计算类型属性(Computed Type Property): 不占用系统内存
• 类型属性可以通过static关键字定义; 如果是类也可以通过class关键字定义
• 存储类型属性可以声明为变量或常量，计算类型属性只能被声明为变量
• 存储类型属性必须设置初始值, 因为存数类型属性没有init初始化器去设置初始值的方式
• 存储类型属性默认就是延迟属性(lazy), 不需要使用lazy修饰符标记, 只会在第一次使用的时候初始化, 即使是被多个线程访问, 也能保证只会被初始化一次

// 在结构体中只能使用static
struct Person {
    static var weight: Int = 30
    static let height: Int = 100
}

// 取值
let a = Person.weight
let b = Person.height

// 赋值
Person.weight = 12
// let修饰的不可被赋值
//Person.height = 10

在类中可以使用static和class

class Animal {
    static var name: String = "name"
    class var age: Int {
        return 10
    }
}

// 取值
let a1 = Animal.name
let a2 = Animal.age

// 赋值
Animal.name = "animal"
// class定义的属性是只读的
// Animal.age = 20

static

• 可以修饰class、struct、enum类型的属性或者方法
• 被修饰的class中的属性和方法不可以在子类中被重写, 重写会报错
• 修饰存储属性
• 修饰计算属性
• 修饰类型方法

struct Person {
    // 存储属性
    static var weight: Int = 30
    // 计算属性
    static var height: Int {
        get { 140 }
    }
    // 类型方法
    static func goShoping() {
        print("Person shoping")
    }
}

class

• 只能修饰类的计算属性和方法
• 不能修饰类的存储属性
• 修饰的计算属性和方法可以被子类重写

class Animal {
    // 计算属性
    class var height: Int {
        get { 140 }
    }
    // 类型方法
    class func running() {
        print("Person running")
    }
}

内存分析

先看下下面这行代码的内存地址

var num1 = 3
var num2 = 5
var num3 = 7

• 看到的核心汇编代码如下所示, 就是把3, 5, 7分别赋值给了三个全局变量
• 在汇编语言中, rip作为指令指针,
• rip中存储着CPU下一条要执行的指令的地址
• 一旦CPU读取一条指令, rip会自动指向下一条指令(存储下一条指令的地址)
• 比如下面代码中第二条指令中的rip存储的地址就是第三条指令的地址0x10000138c

0x10000137f <+15>:  xorl   %ecx, %ecx
// $0x3赋值给num1, 则num1的地址值就是: 0x10000138c + 0x5e6c = 0x1000071F8
0x100001381 <+17>:  movq   $0x3, 0x5e6c(%rip)        ; lazy cache variable for type metadata for Swift.Array<Swift.UInt8> + 4
// $0x5赋值给num2, 则num2的地址值就是: 0x100001397 + 0x5e69 = 0x100007200
0x10000138c <+28>:  movq   $0x5, 0x5e69(%rip)        ; SwiftLanguage.num1 : Swift.Int + 4
// $0x7赋值给num3, 则num3的地址值就是: 0x1000013a2 + 0x5e66 = 0x100007208
0x100001397 <+39>:  movq   $0x7, 0x5e66(%rip)        ; SwiftLanguage.num2 : Swift.Int + 4
0x1000013a2 <+50>:  movl   %edi, -0x1c(%rbp)

从上面三个内存地址可以看出三个全局变量的内存地址是相邻的, 并且彼此相差8个字节, 因为每一个Int就占用8个字节; 下面再看一下类型属性和全局变量的内存地址

class Animal {
    static var age: Int = 10
}

var num1 = 3
Animal.age = 7
var num2 = 5

相关汇编代码如图所示

property

根据图中的相关核心代码, 分别计算出num1, age和num2的内存地址如下

// $0x3赋值给num1, 则num1的地址值就是: 0x100000fd3 + 0x6785 = 0x100007330

// 通过register命令得到rax的地址为0x100007338, 即为age所在的内存地址

// $0x5赋值给num2, 则num2的地址值就是: 0x100001027 + 0x6319 = 0x100007340

/*
0x100007330
0x100007338
0x100007340
*/
// 上述三个内存地址同样也是相邻, 并且彼此相差8个字节

所以, 类型属性也可以理解为全局变量, 不同的是全局变量可以直接访问, 类型属性必须通过类名访问, 有一定的访问限制而已

线程安全

• 上面有提到, 存储类型属性默认就是延迟属性(lazy), 不需要使用lazy修饰符标记, 只会在第一次使用的时候初始化
• 即使是被多个线程访问, 也能保证只会被初始化一次, 是线程安全的

property

• 从图中可以看出, 在断点处给类型属性age赋值之前, 执行了很多汇编代码
• 其中最重要的一条函数跳转指令callq

// 进入查看具体执行的那些操作
0x100000fda <+26>:  callq  0x1000010d0  ; SwiftLanguage.Animal.age.unsafeMutableAddressor : Swift.Int at main.swift

将断点加在此处, 执行si指令即可进入该模块

property1

• 这里看到swift_once, 自然就能够联想到dispatch_once和OC中的单例模式
• 那就继续向下看, 看看swift_once里面到底是如何操作的, 还是在swift_once加上断点, 并执行si指令, 如下图所示

property2

• 所以, 类型属性的线程安全最终就是通过dispatch_once实现的
• 属性的赋值操作相当于就是放在dispatch_once里面执行的, 保证age的初始化操作永远只被执行一次

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