2、Swift类与结构体（下）

Helios_ct
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一、异变方法

1.1 异变方法

值类型属性不能被自身的实例方法修改

iShot2021-12-30 15.58.34.png 注意：moveBy是实例方法，不是构建器。

值类型如果想要实现能被自身的实例方法修改，那要在前面加一个mutating修饰 iShot2021-12-30 16.01.57.png

那么加不加mutating底层什么样？来加一个常规方法，然后通过SIL文件来看看：


// Point.move(_:)
sil hidden @$s4main5PointV4moveyySdF : $@convention(method) (Double, Point) -> () {
// %0 "deltaX"                                    // users: %4, %2
// %1 "self"                                      // user: %3
bb0(%0 : $Double, %1 : $Point):
  debug_value %0 : $Double, let, name "deltaX", argno 1 // id: %2
  debug_value %1 : $Point, let, name "self", argno 2 // id: %3
  debug_value %0 : $Double, let, name "u"         // id: %4
  %5 = tuple ()                                   // user: %6
  return %5 : $()                                 // id: %6
} // end sil function '$s4main5PointV4moveyySdF'


// Point.moveBy(_:_:)
sil hidden @$s4main5PointV6moveByyySd_SdtF : $@convention(method) (Double, Double, @inout Point) -> () {
// %0 "deltaX"                                    // users: %10, %3
// %1 "deltaY"                                    // users: %20, %4
// %2 "self"                                      // users: %16, %6, %5
bb0(%0 : $Double, %1 : $Double, %2 : $*Point):
  debug_value %0 : $Double, let, name "deltaX", argno 1 // id: %3
  debug_value %1 : $Double, let, name "deltaY", argno 2 // id: %4
  debug_value_addr %2 : $*Point, var, name "self", argno 3 // id: %5
  //省略部分代码
  return %26 : $()                                // id: %27
} // end sil function '$s4main5PointV6moveByyySd_SdtF'

我们都知道，默认方法还传递self参数，观察以上代码

区别一：mutating修饰的方法给Point前面加上了 inout关键字

区别二：move(_:) 方法的 %1 参数：$Point, let, name "self", argno 2 意思是self是let常量值

moveBy(::) 方法的 %2 参数：$*Point, var, name "self", argno 3 意思是self是var变量值

也就是说，mutating修饰的方法的self传递的是指针的，所以能修改地址对应的值。（Ponit参数代指的就是self，所以我们在方法中可以使用self）

【注意，以上SIL代码中的s4main5PointV4moveyySdF和s4main5PointV6moveByyySd_SdtF，分别是 move(:)函数 和 moveBy(:_:)函数，只是SIL混写后的名字，可以使用命令：xcrun swift-demangle <混写后的名称>对其还原查看】

异变方法的本质：对于异变方法，传入的 self 被标记成 inout 参数。无论在mutating方法内部发生什么，都会影响外部依赖类型的一切。

1.2 inout

如果我们想让函数能够修改一个形式参数的值，而且希望这些改变在函数结束后依旧生效，那么就需要将形式参数定义成inout。

struct Point{
    
    var x = 0.0, y = 0.0
    
    func move(_ deltaX:Double, _ deltaY: inout Double){
        
        let u = deltaX
        deltaY = 50
    }
}

看看SIL：

// Point.move(_:_:)
sil hidden @$s4main5PointV4moveyySd_SdztF : $@convention(method) (Double, @inout Double, Point) -> () {
// %0 "deltaX"                                    // users: %6, %3
// %1 "deltaY"                                    // users: %9, %4
// %2 "self"                                      // user: %5
bb0(%0 : $Double, %1 : $*Double, %2 : $Point):
  debug_value %0 : $Double, let, name "deltaX", argno 1 // id: %3
  debug_value_addr %1 : $*Double, var, name "deltaY", argno 2 // id: %4
  debug_value %2 : $Point, let, name "self", argno 3 // id: %5
  debug_value %0 : $Double, let, name "u"         // id: %6
  //省略代码
  return %12 : $()                                // id: %13
} // end sil function '$s4main5PointV4moveyySd_SdztF'

二、方法调度

先来点儿预备知识：寄存器指令

2.1 class方法调度

来一段测试代码：

class CCTeacher{
    
    func teach(){
        print("teach")
    }
    
    func teach1(){
        print("teach1")
    }
    
    func teach2(){
        print("teach2")
    }
}

class ViewController: UIViewController{
    override func viewDidLoad() {
        let t = CCTeacher()
        t.teach()
        t.teach1()
        t.teach2()
    }
}

下面通过两个角度来探索class的方法调度方式

1、lldb断点，观察寄存器指令

2、观察sil代码

2.1.1 LLDB断点，观察寄存器指令

来一波断点，运行真机 iShot2022-01-17 11.47.04.png

观察断点：刚好三个blr方法跳转，也就是方法调用

iShot2022-01-17 11.48.58.png

函数的实例对象是放在x0寄存器里的

mov    x20, x0

这句意思是把x0的值，复制到x20里，也就是把实例对象复制到x20里

ldr    x8, [x20]

这句意思是取x20里的值，放到x8里面，那么现在x8存就是实例对象，取的是这个实例对象的前8个字节，因为寄存器是64位，存放8个字节，而x20的第一个8字节是什么？没错，metadata

iShot2022-01-17 15.27.42.png

ldr    x8, [x8, #0x50]

这句意思是把 x8 和 #0x50 的值相加（偏移量），然后放到x8里面去

blr    x8

最后，调用x8

总结：class函数的调用过程：找到Metadata -> 确定函数地址（metadata+偏移量）-> 执行函数

2.1.2 函数表v_table

仔细看一下调用前相加的偏移量：

iShot2022-01-17 15.37.18.png

#0x50 #0x58 #0x60互相之间相差8个字节！那这8个字节就是函数指针的大小，且他们在内存中是连续的内存空间，到这里，就可以引出swift第一种函数调度方式：基于 函数表 v_table 的调度

编译个SIL来看看：

sil_vtable CCTeacher {
  #CCTeacher.teach: (CCTeacher) -> () -> () : @$s14ViewController9CCTeacherC5teachyyF	// CCTeacher.teach()
  #CCTeacher.teach1: (CCTeacher) -> () -> () : @$s14ViewController9CCTeacherC6teach1yyF	// CCTeacher.teach1()
  #CCTeacher.teach2: (CCTeacher) -> () -> () : @$s14ViewController9CCTeacherC6teach2yyF	// CCTeacher.teach2()
  #CCTeacher.init!allocator: (CCTeacher.Type) -> () -> CCTeacher : @$s14ViewController9CCTeacherCACycfC	// CCTeacher.__allocating_init()
  #CCTeacher.deinit!deallocator: @$s14ViewController9CCTeacherCfD	// CCTeacher.__deallocating_deinit
}

sil文件中，这个sil_vtable就是函数表，它就罗列出CCTeacher这个类有哪些函数

2.1.3从源码查询vtable

在上一篇中，我们把Swift类的本质整理出来了，里面有一个metadata，其中一个成员是：

var typeDescriptor: UnsafeMutableRawPointer

类、结构体、枚举 都有这个成员变量，是存放对自己的描述

在源码中找到typeDescriptor的定义，查找流程为：

  • 在HeapObject.h文件中找到HeapMetadata
using HeapMetadata = TargetHeapMetadata<InProcess>;

HeapMetadata是TargetHeapMetadata的别名

  • 进入TargetHeapMetadata结构体 找到：
ConstTargetMetadataPointer<Runtime, TargetClassDescriptor> Description;

iShot2022-01-17 16.41.55.png

此时，发现 Description 是一个为 TargetClassDescriptor 的类，并且继承了一堆东西

iShot2022-01-17 16.43.59.png

其中成员整理后，可以得到这样的内容：

struct TargetClassDescriptor{

    var flags: UInt32
    var parent: UInt32
    var name: Int32
    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
}

接着往下翻会发现TargetClassDescriptor有个别名：ClassDescriptor

using ClassDescriptor = TargetClassDescriptor<InProcess>;

全局搜索：ClassDescriptor，可以找到GenMeta.cpp文件，这里就是生成元数据的地方

iShot2022-01-17 16.53.06.png

进入GenMeta.cpp文件，定位到ClassContextDescriptorBuilder，就是它，创建的metadata和Descriptor

往下翻，看到layout()方法

void layout() {
    super::layout();
    addVTable();
    addOverrideTable();
    addObjCResilientClassStubInfo();
}

它先调用了super::layout(),那先看看它父类吧：

void layout() {
    asImpl().computeIdentity();
    
    super::layout();
    asImpl().addName();
    asImpl().addAccessFunction();
    asImpl().addReflectionFieldDescriptor();
    asImpl().addLayoutInfo();
    asImpl().addGenericSignature();
    asImpl().maybeAddResilientSuperclass();
    asImpl().maybeAddMetadataInitialization();
}

它也调用了void layout()：

void layout() {
    asImpl().addFlags();
    asImpl().addParent();
}

那行，串起来看，是不是似曾相识？

iShot2022-01-17 17.24.14.png

基本都对上了，也就是说，这个layout，就是在构建TargetClassDescriptor

关注到addVTable()函数来：

void addVTable() {
    if (VTableEntries.empty())
        return;

    if (IGM.hasResilientMetadata(getType(), ResilienceExpansion::Minimal))
        IGM.emitMethodLookupFunction(getType());

    auto offset = MetadataLayout->hasResilientSuperclass()
                 ? MetadataLayout->getRelativeVTableOffset()
                 : MetadataLayout->getStaticVTableOffset();
    B.addInt32(offset / IGM.getPointerSize());
    B.addInt32(VTableEntries.size());
      
    for (auto fn : VTableEntries)
        emitMethodDescriptor(fn);
}

前面的代码不用管，直接看到B.addInt32，计算 offset 偏移量之后，添加到B，B还添加了vtable的size，然后遍历了VTableEntries数组，调用emitMethodDescriptor(SILDeclRef fn)函数 添加了函数指针fn，这个B就是当前TargetClassDescriptor，也就是说，往B里面添加内容，就是往TargetClassDescriptor添加内容

2.1.4 在Mach-O中分析类方法

打开MachOView查看mach-o，查看一下虚拟内存的基地址：0x100000000

iShot2022-01-18 17.13.11.png

看到：Section64(__Text,__swift5_types)这个section，这里存放的是结构体、枚举、类的 Descriptor，前四个字节存的是类的Descriptor，也就是说 90 FB FF FF 就是 CCTeacher 的 Descriptor 的地址信息， 那如何验证它存的就是地址信息？

拿它跟前面的四个字节，也就是在mach-o中的偏移量相加，就能得出这个Descriptor在mach-o文件中的内存地址

iShot2022-01-18 15.24.16.png

由于这个地址是小端模式，所以从右往左读：FF FF FB 90

FFFFFB90 + 0000BBCC = 0x10000B75C

然后拿这个计算的结果，减去虚拟内存基地址，就可以得到Descriptor在mach-o文件中的内存地址

0x10000B75C - 0x100000000 = B75C

ok,到const段去找：

iShot2022-01-18 15.35.26.png

也就是说，从50开始，找个地方里面存的就是Descriptor的内容，也就是说50是的TargetClassDescriptor这个结构体的首地址，后面儿的内容应该要跟结构体的内容一一对应，既然如此，我对着TargetClassDescriptor数12个4字节，直接找到vtable（因为vtable排第13）：

iShot2022-01-18 17.18.10.png

2.1.5 通过程序来验证Mach-O的分析

上面的分析得出teach()在mach-o对应的偏移地址是000B790

命令image list

iShot2022-01-18 16.12.30.png 这个 0x0000000100a8c000 就是程序运行的基地址也就是ASLR,就是这个项目加载进内存后，它的起始地址。

那我们拿这个程序运行的基地址加上teach()方法在mach-o中的偏移量000B790，就能得出teach()在内存中的地址

0x0000000100a8c000 + 000B790 = 0x100A97790

也就是说0x100A97790指向这个结构： iShot2022-01-18 16.20.14.png

再来看一下源码，看 TargetMethodDescriptor这个结构体，它表示的是swift方法的结构 iShot2022-01-18 16.23.05.png Flags标识这个方法是什么类型

class MethodDescriptorFlags {
public:
  typedef uint32_t int_type;
  enum class Kind {
    Method,
    Init,
    Getter,
    Setter,
    ModifyCoroutine,
    ReadCoroutine,
  };

Impl是一个相对指针，一个Offset

那也就是说我们刚才算出来的0x100A97790指向这个TargetMethodDescriptor这个结构，由于这个结构的首个成员是Flags，所以要做一个偏移，Flags是一个uint32的枚举，所以是4字节，要偏移4字节，又由于Impl数一个相对指针，存的内容是一个offset，所以要找到方法的imp就还得偏移上它存的内容，总结：

方法地址 = 0x100A97790 + flags(4字节) + impl

impl内容是什么？

iShot2022-01-18 16.40.30.png

前面的4个字节是flags,后面4个字节的内容就是impl，那么impl就是：FF FF C2 5C

0x100A97790 + 4 + FFFFC25C = 0x200A939F0

最后再减去mach-o虚内存的基地址0x100000000

0x200A939F0 - 0x100000000 = 0x100A939F0

0x100A939F0就是teach()函数地址

汇编打断点验证： iShot2022-01-18 16.57.11.png

2.2 struct方法调度

直接把上面的类换成struct，跑个断点看看

struct CCTeacher{
    
    func teach(){
        print("teach")
    }
    
    func teach1(){
        print("teach1")
    }
    
    func teach2(){
        print("teach2")
    }
}

class ViewController: UIViewController{
    override func viewDidLoad() {
        let t = CCTeacher()
        t.teach()
        t.teach1()
        t.teach2()
    }
}

iShot2022-01-18 17.32.05.png 好家伙，直接bl函数地址，也就是直接调用函数了。。

也就意味着，编译之后，函数地址就确定了。因为结构体没有继承关系，它没有必要另外开辟内存空间来另外记录每个函数所在地址，所以编译链接完函数地址就确定了，直接优化成静态调用

三、函数派发方式

3.1 final

两个点要注意：

  • 被final修饰的类，不能够被继承
  • 被final修饰的方法、下标、属性，禁止被重写，对于被被final修饰的方法直接静态派发，不会添加到vtable中，且对objc运行时不可见。

3.2 dynamic

  • 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，但派发方式还是函数表vtable派发。
  • 可跟 @_dynamicReplacement(for:) 配合使用
class CCTeacher {
    
    dynamic func teach(){
        print("teach")
    }
}

extension CCTeacher {
    //用teach3()替代teach()
    @_dynamicReplacement(for:teach())
    func teach3(){
        print("teach3")
    }
}

let t = CCTeacher()
t.teach()
//打印结果：teach3

3.3 @objc / @objc + dynamic

  • @objc 关键字可以将Swift函数暴露给objc运行时，从而使用runtime大法，如方法交换等，但依旧是函数表vtable派发，也就是说oc类依旧不能使用该swift函数。
class CCTeacher {
    
    @objc dynamic func teach(){
        print("teach")
    }
}
  • 要使oc类可以使用该swift函数，需要让swift类继承自NSObject

iShot2022-02-07 10.13.05.png

iShot2022-02-07 10.13.34.png

iShot2022-02-07 10.14.05.png @objc + dynamic 消息派发的方式，也就是oc中的消息传递。

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