一、异变方法`mutating`

Swift相对OC有一个巨大的改变，那就是结构体(struct)和枚举(enum)里面可以定义方法。但是有一点要注意，由于结构体和枚举属于值类型，因此在默认情况下，结构体和枚举里面的属性不能被自身的实例方法所修改。

截屏2022-01-05 下午7.34.41.png 如上代码所示，当在结构体中定义一个修改属性的实例方法时，系统编译器就会提示自身self无法进行修改。

Swift提供了mutating关键字来解决这个问题，在func前面加上mutating修饰，就可以把这个方法变成异变方法，然后就可以对属性值进行修改。这里面的原理是什么，我们通过代码分析来探寻原理。

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1.SIL文件分析

我们先通过生成SIL文件，然后查看一下这两个函数之间有什么不同

moveBy1函数截屏2022-01-05 下午11.37.35.png

moveBy函数截屏2022-01-05 下午11.42.06.png

通过查看这两个函数的中间语言，我们可以发现方法里面默认带了Point参数，也可以说是self 而这里也与OC有所不同，在OC中，如果方法里面访问或者修改属性值，需要在属性名前带上self，而在Swift里面可以不用带self

我们比较一下这两个函数的参数，发现moveBy方法在添加了mutating关键字后，Point后面加了inout的关键字。

//moveBy1
debug_value %0 : $Point, let, name "self", argno 1 // id: %1
//moveBy
debug_value_addr %2 : $*Point, var, name "self", argno 3 // id: %5

同时，我们对上面两个声明语言进行伪代码转换,可以得到下面两个伪代码

//moveBy1
let self = Point 
//moveBy
var self = &Point

我们可以看到，值类型的属性都是存在实例本身中，因此在方法内部修改属性值相当于在修改实例本身。在moveBy1函数里面，传入self参数的是值本身，而且是用let声明成一个常量，因此无法对方法属性进行修改。而使用mutating修饰的moveBy函数里面，self传入的是实例对象的内存地址，而且是用var声明成一个变量，因此我们可以对方法里面的属性进行修改。

2.inout关键字

在Swift中，函数参数默认是常量。试图在函数体中更改参数值将会导致编译错误。这意味着你不能错误地更改参数值。如果你想要一个函数可以修改参数的值，并且想要在这些修改在函数调用结束后仍然存在，那么就应该把这个参数定义为输入输出参数（In-Out Parameters） 。

定义一个输入输出参数时，在参数定义前加 inout 关键字。一个 输入输出参数有传入函数的值，这个值被函数修改，然后被传出函数，替换原来的值。

你只能传递变量给输入输出参数。你不能传入常量或者字面量，因为这些量是不能被修改的。当传入的参数作为输入输出参数时，需要在参数名前加 & 符，表示这个值可以被函数修改。

二、方法调度

1、常用的一些汇编指令

分析Swift方法调度需要看汇编代码，我这里先准备一些常用到的汇编指令，有助于我们更好地理解。

mov: 将某一寄存器的值复制到另一寄存器(只能用于寄存器与寄存器或者寄存器与常量之间传值，不能用于内存地址)，如:

 mov x1, x0 将寄存器 x0 赋值到寄存器 x1 ˙中

add: 将某一寄存器的值和另一寄存器的值相加并将结果保存在另一寄存器中，如:

 add x0, x1, x2 将寄存器 x1 加 x2 的值赋值到 x0

sub: 将某一寄存器的值和另一寄存器的值相减并将结果保存在另一寄存器中:

  sub x0, x1, x2 将寄存器 x1 减 x2 的值赋值到 x0

and: 将某一寄存器的值和另一寄存器的值按位与并将结果保存到另一寄存器中，如:

and x0, x0, #0x1 将寄存器 x0 的值和常量 1 按位与后赋值到 x0

orr: 将某一寄存器的值和另一寄存器的值按位或并将结果保存到另一寄存器中, 如:

 orr x0, x0, #0x1 将寄存器 x0 和常量 1   按位或后赋值到x0

str : 将寄存器中的值写入到内存中，如:

 str x0, [x0, x8] ; 将寄存器 x0 保存到栈内存 [x0 + x8]

ldr: 将内存中的值读取到寄存器中，如:

 ldr x0, [x1, x2] 将寄存器 x1 和寄存器 x2 的值相加作为地址，去该内存地址的值存储到 x0

cbz: 和 0 比较，如果结果为零就转移(只能跳到后面的指令) cbnz: 和非 0 比较，如果结果非零就转移(只能跳到后面的指令) cmp: 比较指令
br: (branch)跳转到某地址(无返回)
blr: 跳转到某地址(有返回)
ret: 子程序(函数调用)返回指令，返回地址已默认保存在寄存器 lr (x30) 中

2.类的实例方法

首先，我们先定义一个类和类的实例方法。

class LGStudent {
    func study() {
        print("study")
    }
}

class ViewController: UIViewController{
    override func viewDidLoad() {
        let t = LGStudent()
        t.study()
    }
}

然后，通过真机调试，拿到这个类的arm64的汇编源码

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经过分析，我们可以看到LGStudent类创建的时候会调用到__allocating_init方法，以及释放LGStudent类的swift_release方法。所以我们可以推测study方法应该在这两个方法中间。

通过上面的汇编指令，我们可以猜测，方法调用可能通过blr指令来调用，我们可以看到，在__allocating_init方法和swift_release方法之间，刚好有一个blr汇编指令，我们进入到这个指令的函数，结果证实是study()方法。

截屏2022-01-06 下午8.53.13.png

swift函数的调用在OC中，函数的调用通过objc_mgsend来实现，那么在swift中函数是如何调用的呢？

截屏2022-01-06 下午9.05.15.png 我们通过对上面的汇编源码分析，发现blr是对x8寄存器里面的地址进行调用，而x8先是读取x20的地址，然后再加上0x50偏移量再存入到x8寄存器。往上我们可以看到x20寄存器的地址是由x0寄存器赋值的。我们可以看出x8最终是通过x0存入x20，然后存入x8，之后再通过x8加上一个0x50的偏移量获取的。截屏2022-01-07 上午10.08.17.png 由于x0寄存器一般是用来存放函数的返回值，我们可以知道x0寄存器里面存放的是LGStudent的实例对象。通过register read方法读取x0寄存器的值，我们得到了LGStudent实例的metadata，所以我们可以得出一个结论：

类的实例方法是先找到实例的metadata地址，然后通过一个偏移量找到方法地址进行调用

swift函数的存储结构由于类的函数地址是通过metadata地址加上偏移量得到的，由此可以猜测函数是否会存放到一个函数表里面。我们可以通过新增多个函数方法，然后对汇编源码进行分分析。

截屏2022-01-07 上午10.20.44.png

汇编源码情况如下截屏2022-01-07 上午10.22.35.png 图里面三个方框标识出来的blr方法，就是三个实例方法的调用，我们可以看到，这三个方法的偏移量分别是0x50、0x58、0x60，三个连续的内存空间，各自相差8个字节，因此我们可以证实这个猜测，函数是存放到一个函数表里面的，函数的调用是基于函数表的调用。

另一个方面，我们通过sil文件分析，也可以发现函数储存在一个函数表内。

截屏2022-01-07 上午10.42.37.png

源码分析函数表

我们知道，实例函数是通过Metadata加上偏移量获取v_table，那么v_table可能放在Metadata的数据结构中。Swift的Metadata的数据结构如下：

struct Metadata{ 
    var kind: Int
    var superClass: Any.Type
    var cacheData: (Int, Int)
    var data: Int
    var classFlags: Int32
    var instanceAddressPoint: UInt32 
    var instanceSize: UInt32
    var instanceAlignmentMask: UInt16
    var reserved: UInt16
    var classSize: UInt32
    var classAddressPoint: UInt32
    var typeDescriptor: UnsafeMutableRawPointer 
    var iVarDestroyer: UnsafeRawPointer
}

这里我们有一个东西需要关注typeDescriptor，不管是Class，Struct，Enum都有自己的Descriptor，就是对类的一个详细描述。

在TargetClassMetadata中有一个TargetClassDescriptor类的私有属性Description

截屏2022-01-07 上午11.27.30.png

我们可以通过 TargetClassDescriptor 结构的源码得知其继承关系 TargetClassDescriptor：TargetTypeContextDescriptor ：TargetContextDescriptor 根据继承关系可以获取 Descriptor 的大致结构如下：

class TargetClassDescriptor {
    var flags: UInt32
    var parent: UInt32
    var name: Int32 // 类型的名称
    var accessFunctionPointer: Int32
    var fieldDescriptor: Int32
    var superClassType: Int32
    var metadataNegativeSizeInWords: UInt32
    var metadataPositiveSizeInWords: UInt32
    var numImmediateMembers: UInt32
    var numFields: UInt32
    var fieldOffsetVectorOffset: UInt32
    var Offset: UInt32
    var size: UInt32
    //v-table

在Descriptor的结构中，我们没有找到v_Table的结构，所以我们接着寻找，在Metadata.h文件中全局搜索TargetClassDescriptor后，发现它有一个别名ClassDescriptor

截屏2022-01-07 上午11.41.25.png 我们全局文件查找ClassDescriptor，然后发现跟Metadata相关文件里面还有一个GenMata.cpp文件使用到，进入这个文件，我们可以看到有一个ClassContextDescriptorBuilder的类，这个就是创建Metadata和Descriptor的类。

截屏2022-01-07 上午11.49.29.png 在ClassContextDescriptorBuilder类中，我们找到了一个layout()的方法

截屏2022-01-07 上午11.50.01.png 查看super::layout()，可以看到它的父类方法实现

截屏2022-01-07 上午11.51.47.png

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可以看到，这个layout()方法就是在创建TargetClassDescriptor类，当调用完super::layout()后，就开始进行addVTable()方法，而这个就是添加函数表的方法。我们看下这个方法的具体实现

截屏2022-01-07 上午11.58.12.png

在代码中，变量offset就是计算出偏移量，然后把这个偏移量加入到变量B中，把VTableEntries的size也加入到变量B中。最后去遍历这个VTableEntries，添加VTableEntries的指针，也就是当前函数的指针。

截屏2022-01-07 下午12.04.41.png 我们再去查找这个变量B，它定义在这个CotextDescriptorBuildBase类中，而这个类是TargetClassDescriptor的最终父类，因此我们可以确定，这个变量B应该是TargetClassDescriptor类。

截屏2022-01-07 下午2.33.29.png 在layout()方法中，我们还看到了addOverrideTable方法，这个是把父类中可以继承的实例方法加入到子类的函数表中。

类的实例方法的数据结构

在Swift源码Metadata.h的文件中，我们找到了TargetMethodDescriptor结构体，这个就是Swift的实例方法的内存结构。

截屏2022-01-07 下午4.18.21.png

Flags 用来标识方法类型，比如setter方法、getter方法、init方法等
Impl 用来指向相对位置的指针。

Mach-o文件分析函数表

Mahco: Mach-O其实是Mach Object文件格式的缩写，是mac以及iOS上可执行文件的格式，类似于windows上的PE格式(Portable Executable),linux上的elf格式(Executable and Linking Format)。常见的 .o，.a .dylib Framework，dyld .dsym。

Mach-o文件格式：

首先是文件头，表明该文件是Mach-O格式，指定目标架构，还有一些其他的文件属性信息文件头信息影响后续的文件结构安排
Load commands是一张包含很多内容的表。内容包括区域的位置、符号表、动态符号表等。 Load commands相关命令如下

LC_SEGMENT_64          //将文件中(32位或64位)的段映射到进程地 址空间中
LC_DYLD_INFO_ONLY      //动态链接相关信息
LC_SYMTAB              //符号地址
LC_DYSYMTAB            //动态符号表地址
LC_LOAD_DYLINKER       //dyld加载
LC_UUID                //文件的UUID
LC_VERSION_MIN_MACOSX  //支持最低的操作系统版本
LC_SOURCE_VERSION      //源代码版本
LC_MAIN                //设置程序主线程的入口地址和栈大小
LC_LOAD_DYLIB          //依赖库的路径，包含三方库
LC_FUNCTION_STARTS     //函数起始地址表
LC_CODE_SIGNATURE      //代码签名

Data区主要就是负责代码和数据记录的。Mach-O 是以 Segment 这种结构来组织数据的，一个Segment可以包含0个或多个Section。根据Segment是映射的哪一个Load Command，Segment中section就可以被解读为是是代码，常量或者一些其他的数据类型。在装载在内存中时，也是根据Segment做内存映射的。

读取Mach-o文件

首先，在Xcode->Product->Show Build Folder in Finder，获取这个工程的Build文件夹，然后找到.app文件，显示包内容，可以看到有一个以工程名命名的可执行文件，把这个可执行文件拖入到MachoView程序中，就可以读取到Mach-o文件。

截屏2022-01-08 下午5.52.33.png

打开Mach-o文件后，我们先去寻找__swift5_types的文件，这里存放的是Swift 结构体、枚举、类的 Descriptor，那么我们可以在这里找到类的 Descriptor 的地址信息

截屏2022-01-08 下午9.36.32.png 因为我们的代码里面只有一个LGStudent类，所以这里的前四个字节就是我们的LGStudent的Descriptor信息。

截屏2022-01-08 下午10.02.09.png 那么用前面的 BC58 + F4 FB FF FF 就是Descriptor 在当前 Mach-O 文件的内存地址。

//由于iOS属于小端模式，所以 前四个字节是 FFFFFBF4
0xFFFFFBF4 + 0x0000BC58 = 0x10000B84C

在每个Mach-O 文件中有虚拟内存的基地址，当前得到的地址还需要减去这个虚拟内存的基地址才是LGStudent的 Descriptor在Data区的首地址0xB698

截屏2022-01-08 下午10.08.37.png

0x10000B84C - 0x10000000000 = 0xB84C

通过这个地址我们找到了 Section64(_TEXT,__const) 这个区截屏2022-01-08 下午10.30.48.png 这里也就是LGStudent的 Descriptor类的内存首地址。从上面的Descriptor类的内存结构我们可以知道，vtable的位置是在Descriptor类里面，Descriptor中有13个UInt32，也就是需要后移 13个四字节，所以我们的study方法就应该在红框位置往后数13个四字节，且方法的指针应该是8个字节，所以后面红框标记的的8个字节，B880就是study方法 Mach-O 文件中的偏移量。

截屏2022-01-08 下午10.40.29.png

在上面的源码分析中我们知道了方法在swift底层中的结构是TargetMethodDescriptor，所以这里存储的值前四个字节0x1就是flag的地址，后面四个存储的 FFFFB9D4就是impl的地址。

在iOS中每个应用程序都有一个ASLR(随机偏移地址)，study的真实调用地址应该是study方法在 Mach-O 文件中的偏移量加上ASLR，然后偏移TargetMethodDescriptor中flag的4个字节，加上impl中的偏移量，最后再减去 Mach-O 的虚拟基地址。

我们可以在真机调试工程的时候，在lldb打上image list 命令，来获取这个ASLR。通过image list命令得到ASLR程序运行的基地址 0x0000000100194000 截屏2022-01-08 下午10.49.08.png

//应用程序的基地址：0x0000000100194000，study函数结构地址：B880，Flags：0x4，offset：FFFFB9D4
0x0000000100194000 + B880 + 4 + FFFFB9D4 = 0x20019B258 
//减掉 Mach-O 文件的虚拟地址 0x100000000，得到的就是函数的地址
0x20019B258 - 0x100000000 =  0x10019B258

前面我们通过汇编分析知道实例方法如何被调用的，我们只需要在汇编代码中找到调用该方法的位置查看寄存器的内容是否和计算结果相同，就可以验证Mach-O分析是否正确截屏2022-01-08 下午10.58.58.png 由此，我们Mach-o文件分析函数地址无误。

结构体的函数调用

我们把类改成结构体，然后查看结构体的函数如何调用。

截屏2022-01-08 下午11.27.08.png 真机调试后，查看它的汇编代码：

截屏2022-01-08 下午11.28.39.png 我们可以看到，在Swift中，调用一个结构体的方法是直接拿到函数的地址直接调用，包括初始化方法，Swift 是一门静态语言，许多东西在运行的时候就可以确定了，所以才可以直接拿到函数的地址进行调用，这个调用的形式也可以称作静态派发。

类和结构体的extension扩展

我们对类和结构体使用extension关键字扩展，去了解一下在extension里面的函数如何调用。

截屏2022-01-08 下午11.39.27.png

然后查看汇编源码

截屏2022-01-08 下午11.41.23.png 我们可以看到，无论是class或者是struct在extension 中的的方法都是通过静态调用的方式。

继承自NSObject的子类

截屏2022-01-08 下午11.49.35.png

截屏2022-01-08 下午11.50.33.png 我们可以看到，继承自NSObject的子类和Swift的类一样，都是通过函数表派发，扩展方法也是直接调用，静态派发。

方法调度方式总结

截屏2022-01-08 下午11.52.47.png

关键字影响函数的派发方式

final关键字

截屏2022-01-08 下午11.58.13.png 通过对sil文件进行分析，我们发现在这两个类的sil_vtable中，都没有找到final关键字修饰的study3方法。截屏2022-01-08 下午11.58.00.png 通过对汇编源码的分析，我们发现直接调用了study3的函数地址。

截屏2022-01-09 上午12.01.11.png 因此，我们可以得出结论：添加了final关键字的函数无法被重写，使用静态派发，不会在vtable中出现，且对objc运行时不可见。

dynamic关键字函数均可添加dynamic关键字，为非objc类和值类型的函数赋予动态性，可以进行一些方法替换，如果是非objc类，派发方式还是函数表派发。如果是值类型，派发方式是静态调用。
@objc关键字 @objc关键字可以将Swift函数暴露给Objc运行时，依旧是函数表派发。

截屏2022-01-09 上午12.14.47.png 截屏2022-01-09 上午12.15.17.png

@objc + dynamic 我们可以看到，使用@objc + dynamic 修饰，函数调用方式就变成了消息派发方式，我们就可以使用run-time里面的API对这个方法进行交换等操作。
static关键字 static 方法不会存在vTable中，也是通过静态派发

函数内联

函数内联是一种编译器优化技术，它通过使用方法的内容替换直接调用该方法，从而优化性能。

Swift 中的内联函数是默认行为，我们无需执行任何操作. Swift编译器可能会自动内联函数作为优化
always - 将确保始终内联函数。通过在函数前添加 @inline(__always) 来实现此行为
never - 将确保永远不会内联函数。这可以通过在函数前添加 @inline(never) 来实现。
如果函数很⻓并且想避免增加代码段大小，请使用@inline(never)(使用@inline(never))

private 的优化操作

如果对象只在声明的文件中可⻅，可以用private或fileprivate进行修饰。编译器会对private或fileprivate对象进行检查，确保没有其他继承关系的情形下，自动打上final标记，进而使得对象获得静态派发的特性(fileprivate:只允许在定义的源文件中访问，private:定义的声明中访问)

Swift进阶(二) —— 方法探究

一、异变方法mutating