(WWDC) 理解 Swift 性能

理解如何实现才能更好地去理解性能

内容概览

• 内存分配
• 引用计数
• 方法分发
• 协议类型
• 泛型代码
• 总结

考虑性能的维度

---

内存分配

在栈上分配、回收内存时，只需要移动栈指针即可完成操作。操作的成本如同给一个整型变量赋值。

在堆上分配内存时，需要在复杂的堆数据结构中寻找未被使用的大小适合的内存。
在堆上回收内存时，需要找到合适的位置，然后才能插入内存。

很明显，在堆上操作的成本比在栈上的更高。

除此之外，多个线程可以同时在堆上分配内存，所以堆需要使用锁或其他同步机制以保证完整性。
这就导致了更严重的性能消耗。

内存分配示例

使用 struct

定义 Point 并使用 为 point1 和 point2 分配栈内存 将 Point 赋值给 point1 将 point1 赋值给 point2 更改 point2 的值 执行结束，回收内存

使用 class

将 struct 改为 class 为 point1 和 point2 分配栈内存 在堆上为 Point 分配内存 让 point1 指向 Point 实例 将 point2 指向 point1 指向的 Point 实例 更改 point2 指向的 Point 实例的值 释放 Point 实例的堆内存 释放 point1 和 point2 的栈内存

使用 struct 优化内存分配

将 String 作为 Key

请注意，String中的字符（Character）存储在堆内存中！

定义 struct 作为 Key

这里，使用 struct 保证内存分配在栈上进行，使代码更安全也更高效！

---

引用计数

引用计数除了加减操作，还有以下操作：

• 间接操作
• 线程安全

Swift 伪代码

为了执行 retain, release 操作，Swift 需要在堆内存中进行引用计数。

refCount 增加 refCount 增加 refCount 减少 refCount 减少 释放堆内存

优化引用计数的示例

String 类型需要使用堆内存 将 uuid 定义为 UUID 值类型 将 mimeType 定义为 MimeType 枚举类型

---

方法分发

方法分发分为两种：

• 静态分发
  1. 在运行时，直接运行方法的实现部分
  2. 可以进行内联(代码直接嵌入)或其他优化操作

• 动态分发
  1. 在运行时，需要在函数表(V-Table)查找实现部分
  2. 找到实现部分后，才能执行
  3. 无法进行内联或其他优化操作

内联优化示例

使用 struct 调用部分被直接替换为函数的实现部分

以上优化有效地避免了两个函数的栈内存分配。

基于继承的多态

定义继承结构 运行时的内存布局 在函数表(V-Table)查找函数的实现部分

至此，我们可以看到明显的性能消耗差异。

---

协议类型

没有继承和引用的多态

使用 protocol 和 struct Swift 使用 Protocol Witness Table 进行协议的方法分发

每个实现协议的类型都有一个 Protocol Witness Table (PWT)，在这个表里可以找到函数的实现部分。
Swift 使用了一种特殊的内存布局 Existential Container 来存储实现了协议的不同类型。

Existential Container

Existential Container 中的前3个字(word)是 valueBuffer。

Existential Container

像 Point 这种小类型，只需要占用2个字。

Existential Container

而 Line 需要4个字，Swift 使用堆内存存储值，然后在 Existential Container 中存储值的指针。

因为 Point 和 Line 类型的差异性，Existential Container 需要使用 Value Witness Table 来管理这些值的生命周期，每个类型有一个 Value Witness Table。

Value Witness Table 关系示意图 Existential Container 引用 VWT Existential Container 引用 PWT

被展开的执行过程(伪代码)

如果感兴趣，建议下载 官方PDF 查看详细流程。

使用间接存储来优化大的值类型：

---

泛型代码

采用泛型的示例代码

泛型代码的特征：

• 静态的多态: 在调用的地方使用具体的类型
• 每种类型都有单独的调用上下文
• 随着调用链替换类型

泛型代码的类型替换

泛型方法的实现：

• 共享的实现
• 使用 Protocol/Value Witness Table
• 每种类型都有单独的调用上下文：传递 Table

泛型特殊化：

• 静态的多态: 在调用的地方使用具体的类型

• 创建类型专属版本的方法

• 每个类型都有自己专属的方法

• 可以进行压缩优化

何时进行特殊化？

• 在调用的地方
• 定义是可见的

开启 Whole Module Optimization 可以获得更多优化的机会。

---

总结

使用合适的抽象，以降低动态运行时的消耗

• 使用值类型：struct
• 引用类型： 特性 或 面向对象风格的多态
• 泛型：静态的多态
• 协议：动态的多态

使用间接存储解决大的值类型的引用问题

---

参考内容：
Understanding Swift Performance

转载请注明出处，谢谢~