iOS objc_msgSend尾调用优化机制

360产品技术
304 阅读5分钟
原文链接： mp.weixin.qq.com

奇技指南

本文基于Objective-C对象的消息传递机制，详细分析OC对 objc_msgSend 的尾调用优化方式。本文来自360奇舞团QiShare团队投稿。

Q1：什么是尾调用？

尾调用（ TailCall）：某个函数的最后一步 仅仅只是调用了一个函数（可以是自身，可以是另一个函数）。 QiShare提醒：注意 “仅仅” 两个字。

尾调用例子：
    // 尾调用：
    - (NSInteger)funcA:(NSInteger)num {
        /*  Some codes... */
        if (num == 0) {
            return [self funcA:num];// 尾调用->自身
        }    
        if (num > 0) {
            return [self funcB:num];// 尾调用->函数funcB
        }    
        return [self funcC:num];// 尾调用->函数funcC
    }

正例解释：funcA 的最后一步仅仅调用了另一个函数。不论是调用funcA、funcB还是funcC 都属于尾调用。（不论调用函数的位置在哪，只要最后一步仅仅调用一个函数就行。）

反例：不是尾调用的例子
    // 不是尾调用1：
    - (NSInteger)funcA:(NSInteger)num {
        NSInteger num = [self funcB:(num)];
        return num;// 不是尾调用->最后一步是返回一个值，而不是调用一个函数
    }

反例解释：不是尾调用。因为最后一步是返回一个值，而不是仅仅调用一个函数。

    // 不是尾调用2：
    - (NSInteger)funcA:(NSInteger)num {
        return [self funcB:(num)] + 1;// 不是尾调用->原因：末尾有+1操作
    }

反例解释：不是尾调用。因为最后一步不仅调用了函数还有 +1 操作。

Q2：OC的尾调用优化体现在哪里？

小编准备了一个Demo：通过“断点”和“当前内存情况”查看有无尾调用优化。

场景一：无优化（因为追加了.0，不属于尾调用）

无优化Demo效果图：

这种场景下，每次函数调用一直在进栈，不断申请栈空间，最后会栈溢出，最终导致崩溃。 空间复杂度O(n)，时间复杂度O(n)。

图解如下：

场景二：有尾调用优化

优化Demo效果图：

这种场景下，每次函数调用一直在重用栈帧，不申请栈空间。 空间复杂度O(1)，时间复杂度O(n)。

图解如下：

Q3：OC是如何实现尾调用优化的？

这次讨论起因于《Effective Objective-C 2.0》的原文：如果某函数的最后一项操作是调用另外一个函数，那么就可以运用 “尾调用优化”技术。编译器会生成调转至另一函数所需的指令码，而且不会向调用堆栈中推入新的 “栈帧”（frame stack）。只有当某函数的最后一个操作仅仅是调用其他函数而 不会将其返回值另作他用时，才能执行 “尾调用优化”。 这项优化对 objc_msgSend非常关键，如果不这么做的话，那么每次调用Objective-C方法之前，都需要为调用objc_msgSend函数准备“栈帧”，大家在“栈踪迹”（stack trace）中可以看到这种“栈帧”。此外，如果不优化，还会过早地发生“栈溢出”（stack overflow）现象。

作者对尾调用的描述十分精简。在这里，QiShare团队对这段话进行了详细的分析：

  • 尾调用优化的本质：很简单，就是栈帧的复用。

  • 尾调用优化的条件有三点：

    1) 尾调用函数不需要访问当前栈帧中的变量。（变量可以作为形参，但是不能作为实参）2) 尾调用返回后，函数没有语句需要执行。（最后一步仅仅只能执行一个函数）3) 尾调用结果就是函数的返回值。（不能有别的“附加品”，最后一步仅仅只能是执行一个函数）

  • 函数调用的过程：函数调用会在内存中申请一块“栈帧”，保存调用的地址和内部变量等信息。如果函数A内部调用函数B，那么在函数A的栈帧上就会加上一个函数B的栈帧 。如果函数B再调用了函数C，那么函数A的栈帧上就会有序加上函数B和函数C的栈帧。如果C运行结束了，返回到函数B，C的栈帧才会消失。

  • 尾调用优化实现原理：当函数A的最后一步仅仅是调用另一个函数B时（或者调用自身函数A），这时，因为函数A的位置信息和内部变量已经不会再用到了，直接把函数A的栈帧交给函数B使用。

    尾调用优化关键图解：

总结： 1. 尾调用：某个函数的最后一步仅仅调用了一个函数（可以是自身，可以是另一个函数）。 2. OC的尾调用优化的本质是：栈帧的复用 3. 尾调用优化实现原理：当函数A的最后一步仅仅是调用另一个函数B时（或者调用自身函数A），这时，因为函数A的位置信息和内部变量已经不会再用到了，直接把函数A的栈帧交给函数B使用。

PS：尾调用优化在Release模式下才会有，Debug模式下没有。

源码地址： https://github.com/QiShare/QiRecursiveDemo.git

更多iOS及周边技术文章可点击阅读原文，关注QiShare。

avatar
文章
阅读
粉丝