Swift性能高效的原因有哪些

這篇文章將為大家詳細講解有關Swift性能高效的原因有哪些，文章內容質量較高，因此小編分享給大家做個參考，希望大家閱讀完這篇文章后對相關知識有一定的了解。

自從2014年Apple發布Swift語言以來，歷時六年多，Swift已經發布到5.3版本，在5.0版本已經ABI stability，5.2版本也已經module stability，不管是語言還是基礎庫都日趨穩定，目前國內外大廠也都積極擁抱Swift陣營。

絕大多數公司選擇Swift語言開發iOS應用，主要原因是因為Swift相比Objc有更快的運行效率，更加安全的類型檢測，更多現代語言的特性提升開發效率；這一系列的優點使Swift語言的熱度越來越高。

大多數人知道Swift語言相比于Objc語言運行效率更高，但是卻不知道為什么效率更高，在這里我們Swift編譯層探討一下Swift語言高效的原因。

更加高效的數據類型

在開始討論Swift數據類型之前，我們先討論一下Swift的函數派發機制；

靜態派發、動態派發、消息派發(static dispatch、dynamic dispatch、message dispatch)
動態派發(dynamic dispatch): 動態派發是指編譯期無法確定應該調用哪個方法，需要在運行時才能確定方法的調用。

靜態派發(static dispatch)：是在編譯期就能確定的調用方法的派發方式。

除了上面兩種方式之外，在Swift里面還會使用Objc的消息派發(message dispatch))機制；Objc采用了運行時采用obj_msgsend進行消息派發，所以Objc的一些動態特性在Swift里面也可以被限制的使用。

靜態派發相比于動態派發更快，而且靜態派發還會進行內聯等一些優化，減少函數的尋址及內存地址的偏移計算等一系列操作，使函數的執行速度更快，性能更高。

數據類型(struct/class)

我們都知道，內存分配可以分為堆區(Heap)和棧區(Stack)。由于棧區內存是連續的，內存的分配和銷毀是通過入棧和出棧操作進行的，速度要高于堆區。堆區存儲高級數據類型，在數據初始化時，查找沒有使用的內存，銷毀時再從內存中清除，所以堆區的數據存儲不一定是連續的。

類(class)和結構體(struct)在內存分配上是不同的，基本數據類型和結構體默認分配在棧區，而像類這種高級數據類型存儲在堆區，且堆區數據存儲不是線程安全的，在頻繁的數據讀寫操作時，要進行加鎖操作。

我們在swift文檔里面能看到對結構的描述，結構體是值類型(Value Type)，當值類型的數據賦值給一個變量或常量，或者傳遞給一個函數時，是值拷貝；

例如：

struct Resolution {
  var width = 0
  var height = 0
}

let hd = Resolution(width: 1920, height: 1080)
var cinema = hd
cinema.width = 2048

print("cinema is now \(cinema.width) pixels wide")
// Prints "cinema is now 2048 pixels wide"

print("hd is still \(hd.width) pixels wide")
// Prints "hd is still 1920 pixels wide"

通過這個例子我們能清楚的看到，當hd賦值給cinema時，是將hd中存儲的值拷貝給cinema,所以當給cinema的width屬性賦值的時候，并不會改變hd中的屬性值，如下圖所示：

結構體除了屬性的存儲更安全、效率更高之外，其函數的派發也更高效。由于結構體不能被繼承，也就是結構體的類型被final修飾，根據我們對于動態派發及靜態派發的描述，那么其內部函數應該是屬于靜態派發，在編譯期就確定了函數的執行方式，其函數的調用通過內聯(inline)的方式進行優化，其內存連續，減少了函數的尋址及內存地址的偏移計算，其運行相比于動態派發更加高效。

協議類型(protocol type)

多態是面向對象的一大特性，在結構體中不能通過繼承或者引用語言的多態，swift就引入了協議(protocol)，通過協議來實現了結構體的多態特性，這也是swift面向協議編程的核心所在。

對于類(class)來說，每個類都會創建一個虛擬函數表指針，這個指針則指向一個v-table表，也就是虛函數表，表內存儲著該類的函數指針數組，擁有繼承關系的子類會在虛函數表內通過繼承順序(C++可以實現多繼承)去展示虛函數表指針。類里面方法的派發則是根據v-table表里面函數指針來進行派發。

而結構體(struct)沒有繼承，也就是說結構體并沒有v-table表用于函數的派發。為了實現這一特性，在結構體的協議(protocol)的實現里添加了Protocol Witness Table用于管理協議類型的方法派發。

編譯過程

上面介紹了一些swift在數據結構上的一些優化，除了數據結構優化之外，swift在編譯過程也進行了大量的優化，其中最核心的優化，是在編譯過程中引入SIL。

SIL，Swift Intermediate Language，是為了優化swift編譯過程而設計的中間語言，主要包含了以下功能：

1. 一系列的高級別優化保障，用于對運行時和診斷行為提供可預測的基線；
2. 對swift語言數據流分析強制要求，對不滿足強制要求的問題產生診斷。例如變量和結構體必須明確初始化，代碼可達性即方法return的檢測，switch的覆蓋率；
3. 確保高級別優化。包含retain/release優化，動態方法的去虛擬化，閉包內聯，內存初始化提升和泛型方法實例 化.
4. 可用于分配"脆弱"內聯的穩定分配格式，將Swift庫組件的泛型優化為二進制。
    

Clang編譯流程

Clang編譯過程有以下幾個缺點：

1. 與代碼與LLVM IR之間有巨大的抽象鴻溝(Wide abstraction gap between source and LLVM IR );
2. IR不適合源碼級別的分析(IR isn't suitable for source-level analysis );
3. CFG(Control Flow Graph)缺少精準度(CFG lacks fidelity );
4. CFG偏離主道(CFG is off the hot path );
5. 在CFG和IR降級中會出現重復分析(Duplicated effort in CFG and IR lowering)。
    

由于以上這些缺點，swift語言開發團隊在開發過程中進行了一系列的優化，其中最關鍵的是引入SIL.

swift編譯流程

Swift作為一個高級別和安全的語言具有以下特點：

高級別語言

• 通過代碼充分的展示語言的特性(Move more of the language into code)
• 支持基于協議的泛型(Protocol-based generics)
   

安全語言

• 充分的數據流檢查：未初始化變量，函數返回處理檢測，這些項在檢測不合格時會產生對應的編譯錯誤(Uninitialized vars, unreachable code should be compiler errors)
• 邊界和溢出的檢測(Bounds and overflflow checks)
   

swift編譯流程：

Swift 源碼到IR之間的流程：

Swift 編譯過程引入SIL有幾個優點：

1. 完成的變數程序的語義(Fully represents program semantics );
2. 既能進行代碼的生成，又能進行代碼分析(Designed for both code generation and analysis );
3. 處在編譯管線的主通道(Sits on the hot path of the compiler pipeline );
4. 架起橋梁連接源碼與LLVM，減少源碼與LLVM之間的抽象鴻溝(Bridges the abstraction gap between source and LLVM)
    

Swift編譯器的流程

Swift編譯器作為高級編譯器，具有以下嚴格的傳遞流程結構。

Swift編譯器的流程如下：

• Parse: 語法分析組件從Swift源碼構成AST
• 語義分析組件對AST進行類型檢查，并對其進行類型信息注釋。
• SILGen組件從AST形成"原始(raw)"SIL
• 一系列在 生 SIL上運行的,用于確定優化和診斷合格，對不合格的代碼嵌入特定的語言診斷。這些操作一定會執行,即使在-Onone選項下也不例外。之后產生 正式(canonical) SIL.
• 一般情況下,是否在正式SIL上運行SIL優化是可選的,這個檢測可以提升結果可執行文件的性能.可以通過優化級別來控制,在-Onone模式下不會執行.
• IRGen會將正式SIL降級為LLVM IR.
• LLVM后端提供LLVM優化,執行LLVM代碼生成器并產生二進制碼.在上面的流程中，SIL對Swift的編譯過程進行了一系列的優化,即保證的代碼執行的安全性,又提升了代碼執行的效率.
  

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