Swift 底層原理學習筆記
一、Swift 編譯流程與底層架構
1. 編譯階段（Swift Compiler）
- 前端（Parse & Semantic Analysis）：將 Swift 代碼解析為抽象語法樹（AST），進行類型檢查與語義分析，排查語法錯誤和類型不匹配問題。
- 中端（SIL 生成與優化）：生成 Swift 中間語言（SIL，Swift Intermediate Language），分為 Raw SIL（未優化）和 Canonical SIL（優化後），在此階段完成 ARC 優化、函數內聯、死代碼消除等。
- 後端（IR 生成與機器碼）：將 SIL 轉換為 LLVM IR，再通過 LLVM 編譯器生成目標平台（x86/ARM）的機器碼，最終打包為可執行文件。
2. 底層架構依賴
二、數據類型與內存佈局
1. 值類型與引用類型的本質區別
- 值類型（Struct/Enum/Tuple）：
- 內存分配在棧上（或嵌入到其他類型中），賦值時進行深拷貝，每個實例獨立持有數據。
- 底層通過
NominalTypeDescriptor描述類型信息，內存佈局由編譯器靜態確定，訪問效率高。
- 引用類型（Class）：
- 內存分配在堆上，棧中僅存儲指針（8 字節 / 64 位系統），賦值時傳遞指針（淺拷貝），多個實例共享同一數據。
- 類實例內存結構包含：
isa指針（指向類元數據）+ 實例變量 + 引用計數（HeapObject）。
2. 枚舉（Enum）的底層實現
- 原始值枚舉：底層存儲原始值（如 Int 型枚舉佔用 8 字節），類似 C 枚舉。
- 關聯值枚舉：採用 Tagged Pointer（標記指針）+ 聯合體（Union）實現，根據關聯值類型動態分配內存，例如：
swift
enum Result {
case success(String)
case failure(Int)
}- 底層通過標記位區分
case類型，關聯值存儲在後續內存區域，實現不同類型數據的高效存儲。
3. 字符串（String）的底層結構
- 小型字符串（Small String）：字符數≤15 時，直接存儲在棧上（
_SmallString），避免堆分配開銷。 - 大型字符串：存儲在堆上，通過
_HeapBuffer管理，支持 Copy-On-Write（寫時複製），確保值語義的同時優化性能。
三、內存管理機制
1. ARC（自動引用計數）的底層實現
- 引用計數存儲：值類型無引用計數；類實例的引用計數存儲在堆對象的
HeapMetadata中，通過swift_retain/swift_release管理。 - 強引用 / 弱引用 / 無主引用：
- 弱引用（Weak）：通過
SideTable存儲弱引用表，引用計數為 0 時自動置 nil，避免野指針。 - 無主引用（Unowned）：不增加引用計數，適用於確定對象不會提前釋放的場景，底層直接訪問對象內存，風險更高。
2. 寫時複製（Copy-On-Write，COW）
- 多個變量共享同一內存，當其中一個變量修改數據時，才觸發拷貝，生成新的內存副本。
- 底層通過
isKnownUniquelyReferenced函數判斷引用唯一性，決定是否拷貝。
四、函數與閉包的底層原理
1. 函數的底層表示
- 靜態函數：編譯期確定調用地址，直接跳轉（靜態派發）。
- 類方法：根據類繼承關係動態派發，通過
vtable（虛函數表）實現，類似 OC 的消息發送但更高效。
2. 閉包（Closure）的底層結構
Function Pointer：指向閉包執行邏輯的函數地址。Context：捕獲的變量（值類型拷貝，引用類型持用指針）。Flags：標記閉包特性（如逃逸性）。- 逃逸閉包：需在堆上分配上下文，非逃逸閉包可優化為棧分配，減少開銷。
五、協議與泛型的底層實現
1. 協議（Protocol）的派發機制
- 靜態派發：協議方法標記為
static/final時，編譯期確定調用。 - 動態派發：
- 對值類型：通過
Witness Table（見證表）靜態查找方法實現。 - 對引用類型：結合
vtable與Witness Table動態派發，性能略低於類方法。
2. 泛型（Generic）的底層優化
swift
func swap<T>(_ a: inout T, _ b: inout T) { ... }六、Actor 與併發安全
- Actor 實例的所有屬性和方法被隔離，僅允許單線程訪問，通過
ActorExecutor調度任務。 - 跨 Actor 通信時，通過
async/await將任務派發至目標 Actor 的執行隊列，避免數據競爭。
七、Swift 與 OC 的底層交互
- 橋接機制：通過
_SwiftBridgeObject實現 Swift 類與 OC 類的相互轉換，Swift String/Array 可橋接為NSString/NSArray。 - 消息發送：Swift 調用 OC 方法時，仍通過
objc_msgSend實現動態派發；OC 調用 Swift 方法時，需通過@objc暴露方法，生成 OC 兼容的vtable。