Swift性能优化分析

自从2014年Apple发布Swift语言以来，历时六年多，Swift已经发布到5.3版本，在5.0版本已经ABI stability，5.2版本也已经module stability，不管是语言还是基础库都日趋稳定，目前国内外大厂也都积极拥抱Swift阵营。

绝大多数公司选择Swift语言开发iOS应用，主要原因是因为Swift相比Objc有更快的运行效率，更加安全的类型检测，更多现代语言的特性提升开发效率；这一系列的优点使Swift语言的热度越来越高。

大多数人知道Swift语言相比于Objc语言运行效率更高，但是却不知道为什么效率更高，在这里我们Swift编译层探讨一下Swift语言高效的原因。

更加高效的数据类型

在开始讨论Swift数据类型之前，我们先讨论一下Swift的函数派发机制；

静态派发、动态派发、消息派发(static dispatch、dynamic dispatch、message dispatch)

动态派发(dynamic dispatch): 动态派发是指编译期无法确定应该调用哪个方法，需要在运行时才能确定方法的调用。

静态派发(static dispatch)：是在编译期就能确定的调用方法的派发方式。

除了上面两种方式之外，在Swift里面还会使用Objc的消息派发(message dispatch))机制；Objc采用了运行时采用obj_msgsend进行消息派发，所以Objc的一些动态特性在Swift里面也可以被限制的使用。

静态派发相比于动态派发更快，而且静态派发还会进行内联等一些优化，减少函数的寻址及内存地址的偏移计算等一系列操作，使函数的执行速度更快，性能更高。

数据类型(struct/class)

我们都知道，内存分配可以分为堆区(Heap)和栈区(Stack)。由于栈区内存是连续的，内存的分配和销毁是通过入栈和出栈操作进行的，速度要高于堆区。堆区存储高级数据类型，在数据初始化时，查找没有使用的内存，销毁时再从内存中清除，所以堆区的数据存储不一定是连续的。

类(class)和结构体(struct)在内存分配上是不同的，基本数据类型和结构体默认分配在栈区，而像类这种高级数据类型存储在堆区，且堆区数据存储不是线程安全的，在频繁的数据读写操作时，要进行加锁操作。

我们在swift文档里面能看到对结构的描述，结构体是值类型(Value Type)，当值类型的数据赋值给一个变量或常量，或者传递给一个函数时，是值拷贝；

例如：

代码语言：javascript复制

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"

通过这个例子我们能清楚的看到，当hd赋值给cinema时，是将hd中存储的值拷贝给cinema,所以当给cinema的width属性赋值的时候，并不会改变hd中的属性值，如下图所示：

结构体除了属性的存储更安全、效率更高之外，其函数的派发也更高效。由于结构体不能被继承，也就是结构体的类型被final修饰，根据我们对于动态派发及静态派发的描述，那么其内部函数应该是属于静态派发，在编译期就确定了函数的执行方式，其函数的调用通过内联(inline)的方式进行优化，其内存连续，减少了函数的寻址及内存地址的偏移计算，其运行相比于动态派发更加高效。

协议类型(protocol type)

多态是面向对象的一大特性，在结构体中不能通过继承或者引用语言的多态，swift就引入了协议(protocol)，通过协议来实现了结构体的多态特性，这也是swift面向协议编程的核心所在。

对于类(class)来说，每个类都会创建一个虚拟函数表指针，这个指针则指向一个v-table表，也就是虚函数表，表内存储着该类的函数指针数组，拥有继承关系的子类会在虚函数表内通过继承顺序(C 可以实现多继承)去展示虚函数表指针。类里面方法的派发则是根据v-table表里面函数指针来进行派发。

而结构体(struct)没有继承，也就是说结构体并没有v-table表用于函数的派发。为了实现这一特性，在结构体的协议(protocol)的实现里添加了Protocol Witness Table用于管理协议类型的方法派发。

编译过程

上面介绍了一些swift在数据结构上的一些优化，除了数据结构优化之外，swift在编译过程也进行了大量的优化，其中最核心的优化，是在编译过程中引入SIL。

SIL，Swift Intermediate Language，是为了优化swift编译过程而设计的中间语言，主要包含了以下功能：

一系列的高级别优化保障，用于对运行时和诊断行为提供可预测的基线；
对swift语言数据流分析强制要求，对不满足强制要求的问题产生诊断。例如变量和结构体必须明确初始化，代码可达性即方法return的检测，switch的覆盖率；
确保高级别优化。包含retain/release优化，动态方法的去虚拟化，闭包内联，内存初始化提升和泛型方法实例化.
可用于分配"脆弱"内联的稳定分配格式，将Swift库组件的泛型优化为二进制。

Clang编译流程

Clang编译过程有以下几个缺点：

与代码与LLVM IR之间有巨大的抽象鸿沟(Wide abstraction gap between source and LLVM IR );
IR不适合源码级别的分析(IR isn't suitable for source-level analysis );
CFG(Control Flow Graph)缺少精准度(CFG lacks fidelity );
CFG偏离主道(CFG is off the hot path );
在CFG和IR降级中会出现重复分析(Duplicated effort in CFG and IR lowering)。

由于以上这些缺点，swift语言开发团队在开发过程中进行了一系列的优化，其中最关键的是引入SIL.

swift编译流程

Swift作为一个高级别和安全的语言具有以下特点：

高级别语言

通过代码充分的展示语言的特性(Move more of the language into code)
支持基于协议的泛型(Protocol-based generics)

安全语言

充分的数据流检查：未初始化变量，函数返回处理检测，这些项在检测不合格时会产生对应的编译错误(Uninitialized vars, unreachable code should be compiler errors)
边界和溢出的检测(Bounds and overflflow checks)

swift编译流程：

Swift 源码到IR之间的流程：

Swift 编译过程引入SIL有几个优点：

完成的变数程序的语义(Fully represents program semantics );
既能进行代码的生成，又能进行代码分析(Designed for both code generation and analysis );
处在编译管线的主通道(Sits on the hot path of the compiler pipeline );
架起桥梁连接源码与LLVM，减少源码与LLVM之间的抽象鸿沟(Bridges the abstraction gap between source and LLVM)

Swift编译器的流程

Swift编译器作为高级编译器，具有以下严格的传递流程结构。

Swift编译器的流程如下：

Parse: 语法分析组件从Swift源码构成AST
语义分析组件对AST进行类型检查，并对其进行类型信息注释。
SILGen组件从AST形成"原始(raw)"SIL
一系列在生 SIL上运行的,用于确定优化和诊断合格，对不合格的代码嵌入特定的语言诊断。这些操作一定会执行,即使在-Onone选项下也不例外。之后产生 正式(canonical) SIL.
一般情况下,是否在正式SIL上运行SIL优化是可选的,这个检测可以提升结果可执行文件的性能.可以通过优化级别来控制,在-Onone模式下不会执行.
IRGen会将正式SIL降级为LLVM IR.
LLVM后端提供LLVM优化,执行LLVM代码生成器并产生二进制码.

在上面的流程中，SIL对Swift的编译过程进行了一系列的优化,即保证的代码执行的安全性,又提升了代码执行的效率.

结尾

上面从Swift语言设计的数据结构及编译流程等方面进行了简单的分析，中间有很多细节没有在文章里阐述特别清晰，如果有兴趣了解更多，可以参考以下资料。