淺談Swift的屬性(Property)

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今年期待已久的Swift5.0穩定版就已經發布了, 感興趣的小夥伴可看個人這篇博客:Swift 5.0新特性更新
這篇博客可主要分享Swift的屬性的相關介紹和剖析, 測試環境: Xcode 11.2.1, Swift 5.1.2

屬性分類

在Swift中, 嚴格意義上來說屬性能夠分爲兩大類: 實例屬性和類型屬性html

實例屬性(Instance Property): 只能經過實例去訪問的屬性
- 存儲實例屬性(Stored Instance Property): 存儲在市裏的內存中, 每一個實例都只有一份
- 計算實例屬性(Computed Instance Property)
類型屬性(Type Property): 只能經過類型去訪問的屬性
- 存儲類型屬性(Stored Type Property): 整個程序運行過程當中就只有一分內存(相似全局變量)
- 計算類型屬性(Computed Type Property)
- 類型屬性能夠經過static關鍵字定義; 若是是類也能夠經過class關鍵字定義
實例屬性屬於一個特定類型的實例，每建立一個實例，實例都擁有屬於本身的一套屬性值，實例之間的屬性相互獨立
爲類型自己定義屬性，不管建立了多少個該類型的實例，這些屬性全局都只有惟一一份，這種屬性就是類型屬性

實例屬性

上面提到Swift中跟市裏相關的屬性能夠分爲兩大類:存儲屬性和計算屬性swift

存儲屬性(Stored Property)
- 相似於成員變量，系統會爲其分配內存空間，存儲屬性存儲在實例的內存中
- 存儲屬性能夠是變量存儲屬性(用關鍵字var定義)，也能夠是常量存儲屬性(用關鍵字let定義)
- 結構體和類能夠定義存儲屬性, 枚舉不能夠定義存儲屬性
計算屬性(Computed Property)
- 計算屬性其本質就是方法(函數), 系統不會爲其分配內存空間, 因此計算屬性不會佔用實例對象的內存
- 計算屬性不直接存儲值，而是提供一個getter和一個可選的setter，來間接獲取和設置其餘屬性或變量的值
- 枚舉、絕構體和類均可以定義計算屬性

存儲屬性

在Swift中存儲屬性能夠是var修飾的變量, 也能夠是let修飾的常量
可是在建立類或結構體的實例時, 必須爲全部的存儲屬性設置一個合適的初始值, 不然會報錯的
能夠在定義屬性的時候, 爲其設置一個初始值
能夠在init初始化器裏爲存儲實行設置一個初始值

struct Person {
    // 定義的時候設置初始值
    var age: Int = 24
    var weight: Int
}

// 使用init初始化器設置初始值
var person1 = Person(weight: 75)
var person2 = Person(age: 25, weight: 80)
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上面兩個屬性是會佔用實例的內存空間的
可使用MemoryLayout獲取數據類型佔用的內存大小

// Person結構體實際佔用的內存大小
MemoryLayout<Person>.size         // 16
// 系統爲Person分配的內存大小
MemoryLayout<Person>.stride       // 16
// 內存對其參數
MemoryLayout<Person>.alignment    // 8
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還有一種使用方式, 輸出結果一致sass

var person = Person(weight: 75)

MemoryLayout.size(ofValue: person)
MemoryLayout.stride(ofValue: person)
MemoryLayout.alignment(ofValue: person)
複製代碼

計算屬性

枚舉、絕構體和類均可以定義計算屬性
計算屬性不直接存儲值，而是提供一個getter和一個可選的setter，來間接獲取和設置其餘屬性或變量的值
計算屬性其本質就是方法(函數), 系統不會爲其分配內存空間, 因此計算屬性不會佔用實例對象的內存

struct Square {
    var side: Int
    var girth: Int {
        set {
            side = newValue / 4
        }
        get {
            return side * 4
        }
    }
}

// 其中set也可使用下面方式
set(newGirth) {
    side = newGirth / 4
}
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下面咱們先看一下Square所佔用的內存大小, 這裏方便查看都去掉了print函數安全

var squ = Square(side: 4)

MemoryLayout.size(ofValue: squ)        // 8
MemoryLayout.stride(ofValue: squ)      // 8
MemoryLayout.alignment(ofValue: squ)   // 8
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從上面輸出結果能夠看出, Square只佔用8個內存大小, 也就是一個Int佔用的內存大小, 若是仍是看不出來, 能夠看一下下面這個bash

struct Square {
    var girth: Int {
        get {
            return 4
        }
    }
}

// 輸出結果0
print(MemoryLayout<Square>.size)   // 0
複製代碼

從上面兩個輸出結果能夠看出, 計算屬性並不佔用內存空間
此外, 計算屬性雖然不直接存儲值, 可是卻須要get、set方法來取值或賦值
其中經過set方法修改其餘相關聯的屬性的值; 若是該計算屬性是隻讀的, 則不須要set方法, 傳入的新值默認值newValue, 也能夠自定義
經過get方法獲取該計算屬性的值, 即便是隻讀的, 計算屬性的值也是可能發生改變的
定義計算屬性只能使用var, 不能使用let
下面咱們經過彙編的方式來看一下執行過程, 在下圖中勾上Always Show Disassembly, 右斷點時Xcode就會在運行過程當中自動跳到斷電的彙編代碼中

var squ = Square(side: 4)
var c = squ.girth    // 在此處加上斷點時
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上述代碼的執行流程, 經過彙編的方式看, 核心代碼以下所示微信

下面是在iOS模擬器環境下一些彙編經常使用的指令markdown

// 將rax的值賦值給rdi
movq   %rax, %rdi
// 將rbp-0x18這個地址值賦值給rsi
leaq   -0x18(%rbp), %rsi
// 函數跳轉指令
callq  0x100005428 
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從上圖能夠看到上面代碼對應的彙編代碼, 其核心代碼大概能夠分爲四部分閉包

Square調用init初始化器, 即Square的初始化(詳細彙編代碼可進入callq 0x100001300中查看)
講已經出初始化的Square的對象的內存地址賦值給一個全局變量, 即squ
調用Square對象裏面girth計算屬性的getter方法, 獲取girth的值
把獲取的girth的值賦值給一個全局變量

如上圖中中斷點位置, 當斷電執行到此處時, 執行si命令便可查看getter函數的的執行過程, 以下圖所示, 其中imulq是執行乘法指令ide

// 把rdx和rax的相乘的結果在賦值給rax
imulq  %rdx, %rax
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下面再看一下, 計算屬性的賦值操做, 代碼以下函數

var squ = Square(side: 4)
squ.girth = 12;
print(squ.side)   // 3
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對應的彙編代碼以下, 執行流程和上面的取值操做相似, 不一樣的是賦值操做最後執行的是girth的setter方法

0x1000010c9 <+25>: callq  0x100001300               ; SwiftLanguage.Square.init(side: Swift.Int) -> SwiftLanguage.Square at main.swift:11
0x1000010ce <+30>: leaq   0x6123(%rip), %rsi        ; SwiftLanguage.squ : SwiftLanguage.Square
0x1000010d5 <+37>: xorl   %ecx, %ecx
0x1000010d7 <+39>: movq   %rax, 0x611a(%rip)        ; SwiftLanguage.squ : SwiftLanguage.Square
0x1000010de <+46>: movq   %rsi, %rdi
0x1000010e1 <+49>: leaq   -0x20(%rbp), %rsi
0x1000010e5 <+53>: movl   $0x21, %edx
0x1000010ea <+58>: callq  0x10000540a               ; symbol stub for: swift_beginAccess
0x1000010ef <+63>: movl   $0xc, %edi
0x1000010f4 <+68>: leaq   0x60fd(%rip), %r13        ; SwiftLanguage.squ : SwiftLanguage.Square
0x1000010fb <+75>: callq  0x100001200               ; SwiftLanguage.Square.girth.setter : Swift.Int at main.swift:14
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只讀計算屬性, 只有get沒有set
只讀計算屬性的值, 則是根據關聯值的變化而變化, 不可被賦值

// 你能夠這樣寫
struct Square {
    var side: Int
    var girth: Int {
        get {
            return side * 4
        }
    }
}

// 也能夠這樣寫
var girth: Int {
    return side * 4
}

// 還能夠這樣寫
var girth: Int { side * 4 }


var squ = Square(side: 4)
// 不可賦值修改
//squ.girth = 12;
print(squ.girth)
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枚舉的rawValue

枚舉的rawValue的本質就是計算屬性, 並且是隻讀的計算屬性

enum Test: Int {
    case test1 = 1
    case test2 = 2
}

var c = Test.test1.rawValue
print(c)    // 1
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至於如何肯定, 那麼久簡單粗暴點, 看彙編

上圖中能夠看到獲取rawValue的值, 其實就是調用的rawValue的getter方法
另外以下所示, 咱們對rawValue進行從新賦值, 會報錯

Test.test1.rawValue = 2
// 這裏報錯: Cannot assign to property: 'rawValue' is immutable
複製代碼

那麼咱們就能夠根據rawValue的計算屬性修改rawValue的值

enum Test: Int {
    case test1 = 1
    case test2 = 2
    
    var rawValue: Int {
        switch self {
        case .test1:
            return 10
        case .test2:
            return 20
        }
    }
}

var c = Test.test1.rawValue   // 10
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延遲存儲屬性

使用lazy能夠定義一個延遲存儲屬性(Lazy Stored Property), 延遲存儲屬性只有在第一次使用的時候纔會進行初始化
lazy屬性修飾必須是var, 不能是let
let修飾的常量必須在實例的初始化方法完成以前就擁有值

class Car {
    init() {
        print("Car init")
    }
    
    func run() {
        print("Car is runing")
    }
}

class Person {
    lazy var car  = Car()
    init() {
        print("Person init")
    }
    
    func goOut() {
        car.run()
    }
}

let person = Person()
print("--------")
person.goOut()

// 輸出結果
// Person init
// --------
// Car init
// Car is runing
複製代碼

上述代碼, 在初始化car的時候若是沒有lazy, 則輸出結果以下

/* Car init Person init -------- Car is runing */
複製代碼

這也就證實了延遲存儲屬性只有在第一次使用的時候纔會被初始化
此外還有一種複雜的延遲存儲屬性, 有點相似於OC中的懶加載
下面代碼中其實是一個閉包, 能夠吧相關邏輯處理放在閉包中處理

class Preview {
    lazy var image: Image = {
        let url = "https://p1-jj.byteimg.com/tos-cn-i-t2oaga2asx/gold-user-assets/2019/12/20/16f238c1c709a6a9~tplv-t2oaga2asx-image.image"
        let data = Data.init(contentsOf: url)
        return Image(data: data)
    }()
}
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屬性觀察器

在Swift中能夠爲非lazy的而且只能是var修飾的存儲屬性設置屬性觀察器, 形式以下

struct Person {
    var age: Int {
        willSet {
            print("willSet", newValue)
        }
        didSet {
            print("didSet", oldValue, age)
        }
    }
    
    init() {
        self.age = 3
        print("Person init")
    }
}

var p = Person()
p.age = 10
print(p.age)

/* 輸出結果 Person init willSet 10 didSet 3 10 10 */
複製代碼

在存儲屬性中定義willSet或didSet觀察者，來觀察和響應屬性值的變化, 從上述輸出結果咱們也能夠看到
- willSet會傳遞新值, 在存儲值以前被調用, 其默認的參數名是newValue
- didSet會傳遞舊值, 在存儲新值以後當即被調用, 其默認的參數名是oldValue
當每次給存儲屬性設置新值時，都會調用屬性觀察者，即便屬性的新值與當前值相同
在初始化器中設置屬性和在定義屬性是設置初始值都不會觸發willSet或didSet

類型屬性

存儲類型屬性(Stored Type Property): 整個程序運行過程當中就只有一分內存(相似全局變量)
計算類型屬性(Computed Type Property): 不佔用系統內存
類型屬性能夠經過static關鍵字定義; 若是是類也能夠經過class關鍵字定義
存儲類型屬性能夠聲明爲變量或常量，計算類型屬性只能被聲明爲變量
存儲類型屬性必須設置初始值, 由於存數類型屬性沒有init初始化器去設置初始值的方式
存儲類型屬性默認就是延遲屬性(lazy), 不須要使用lazy修飾符標記, 只會在第一次使用的時候初始化, 即便是被多個線程訪問, 也能保證只會被初始化一次

// 在結構體中只能使用static
struct Person {
    static var weight: Int = 30
    static let height: Int = 100
}

// 取值
let a = Person.weight
let b = Person.height

// 賦值
Person.weight = 12
// let修飾的不可被賦值
//Person.height = 10
複製代碼

在類中可使用static和class

class Animal {
    static var name: String = "name"
    class var age: Int {
        return 10
    }
}

// 取值
let a1 = Animal.name
let a2 = Animal.age

// 賦值
Animal.name = "animal"
// class定義的屬性是隻讀的
// Animal.age = 20
複製代碼

`static`

能夠修飾class、struct、enum類型的屬性或者方法
被修飾的class中的屬性和方法不能夠在子類中被重寫, 重寫會報錯
修飾存儲屬性
修飾計算屬性
修飾類型方法

struct Person {
    // 存儲屬性
    static var weight: Int = 30
    // 計算屬性
    static var height: Int {
        get { 140 }
    }
    // 類型方法
    static func goShoping() {
        print("Person shoping")
    }
}
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`class`

只能修飾類的計算屬性和方法
不能修飾類的存儲屬性
修飾的計算屬性和方法能夠被子類重寫

class Animal {
    // 計算屬性
    class var height: Int {
        get { 140 }
    }
    // 類型方法
    class func running() {
        print("Person running")
    }
}
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內存分析

先看下下面這行代碼的內存地址

var num1 = 3
var num2 = 5
var num3 = 7
複製代碼

看到的核心彙編代碼以下所示, 就是把3, 5, 7分別賦值給了三個全局變量
在彙編語言中, rip做爲指令指針,
rip中存儲着CPU下一條要執行的指令的地址
一旦CPU讀取一條指令, rip會自動指向下一條指令(存儲下一條指令的地址)
好比下面代碼中第二條指令中的rip存儲的地址就是第三條指令的地址0x10000138c

0x10000137f <+15>:  xorl   %ecx, %ecx
// $0x3賦值給num1, 則num1的地址值就是: 0x10000138c + 0x5e6c = 0x1000071F8
0x100001381 <+17>:  movq   $0x3, 0x5e6c(%rip)        ; lazy cache variable for type metadata for Swift.Array<Swift.UInt8> + 4
// $0x5賦值給num2, 則num2的地址值就是: 0x100001397 + 0x5e69 = 0x100007200
0x10000138c <+28>:  movq   $0x5, 0x5e69(%rip)        ; SwiftLanguage.num1 : Swift.Int + 4
// $0x7賦值給num3, 則num3的地址值就是: 0x1000013a2 + 0x5e66 = 0x100007208
0x100001397 <+39>:  movq   $0x7, 0x5e66(%rip)        ; SwiftLanguage.num2 : Swift.Int + 4
0x1000013a2 <+50>:  movl   %edi, -0x1c(%rbp)
複製代碼

從上面三個內存地址能夠看出三個全局變量的內存地址是相鄰的, 而且彼此相差8個字節, 由於每個Int就佔用8個字節; 下面再看一下類型屬性和全局變量的內存地址

class Animal {
    static var age: Int = 10
}

var num1 = 3
Animal.age = 7
var num2 = 5
複製代碼

相關彙編代碼如圖所示

根據圖中的相關核心代碼, 分別計算出num1, age和num2的內存地址以下

// $0x3賦值給num1, 則num1的地址值就是: 0x100000fd3 + 0x6785 = 0x100007330

// 經過register命令獲得rax的地址爲0x100007338, 即爲age所在的內存地址

// $0x5賦值給num2, 則num2的地址值就是: 0x100001027 + 0x6319 = 0x100007340

/* 0x100007330 0x100007338 0x100007340 */
// 上述三個內存地址一樣也是相鄰, 而且彼此相差8個字節
複製代碼

因此, 類型屬性也能夠理解爲全局變量, 不一樣的是全局變量能夠直接訪問, 類型屬性必須經過類名訪問, 有必定的訪問限制而已

線程安全

上面有提到, 存儲類型屬性默認就是延遲屬性(lazy), 不須要使用lazy修飾符標記, 只會在第一次使用的時候初始化
即便是被多個線程訪問, 也能保證只會被初始化一次, 是線程安全的

從圖中能夠看出, 在斷點處給類型屬性age賦值以前, 執行了不少彙編代碼
其中最重要的一條函數跳轉指令callq

// 進入查看具體執行的那些操做
0x100000fda <+26>:  callq  0x1000010d0  ; SwiftLanguage.Animal.age.unsafeMutableAddressor : Swift.Int at main.swift
複製代碼

將斷點加在此處, 執行si指令便可進入該模塊

這裏看到swift_once, 天然就可以聯想到dispatch_once和OC中的單例模式
那就繼續向下看, 看看swift_once裏面究竟是如何操做的, 仍是在swift_once加上斷點, 並執行si指令, 以下圖所示

因此, 類型屬性的線程安全最終就是經過dispatch_once實現的
屬性的賦值操做至關於就是放在dispatch_once裏面執行的, 保證age的初始化操做永遠只被執行一次

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