初探Swift函数的派发方式

一时失言乱红尘 2023-06-28 11:25 64阅读 0赞

# 派发方式 (Types of Dispatch ) #

函数派发就是程序判断使用哪种途径去调用一个函数的机制. 每次函数被调用时都会被触发, 但你又不会太留意的一个东西.

了解派发机制对于写出高性能的代码来说很有必要, 而且也能够解释很多 Swift 里”奇怪”的行为.

编译型语言有三种基础的函数派发方式:

1.  直接派发(Direct Dispatch),
2.  函数表派发(Table Dispatch)
3.  消息机制派发(Message Dispatch)

大多数语言都会支持一到两种

*  Java 默认使用函数表派发, 但你可以通过 final 修饰符修改成直接派发.
 *  C++ 默认使用直接派发, 但可以通过加上virtual 修饰符来改成函数表派发.
 *  Objective-C 则总是使用消息机制派发, 但允许开发者使用 C 直接派发来获取性能的提高.

这样的方式非常好, 但也给很多开发者带来了困扰,

程序派发的目的是为了告诉 CPU 需要被调用的函数在哪里 先来了解一下这三种派发方式, 以及每种方式在动态性和性能之间的取舍.

## 直接派发 (Direct Dispatch) ##

直接派发是最快的, 不止是因为需要调用的指令集会更少, 并且编译器还能够有很大的优化空间, 例如函数内联等, 直接派发也有人称为静态调用.

然而, 对于编程来说直接调用也是最大的局限, 而且因为缺乏动态性所以没办法支持继承. C语言就是典型的直接派发方式，没有那么多弯弯绕。

在Swift中给函数加上final关键字，该函数也会变成直接派发的方式。

## 函数表派发 (Table Dispatch ) ##

函数表派发是编译型语言实现动态行为最常见的实现方式. 函数表使用了一个数组来存储类声明的每一个函数的指针. 大部分语言把这个称为 “virtual table”(虚函数表), Swift 里称为 “witness table”. 每一个类都会维护一个函数表, 里面记录着类所有的函数, **如果父类函数被 override 的话, 表里面只会保存被 override 之后的函数**. 一个子类新添加的函数, 都会被插入到这个数组的最后. 运行时会根据这一个表去决定实际要被调用的函数.

class ParentClass { 
        func method1() { }
        func method2() { }
    }
    class ChildClass: ParentClass { 
        override func method2() { }
        func method3() { }
    }

如上面的两个类，在这种情况下编译器会创建两个函数表，一个是ParentClass的，一个是ChildClass，下面的两张表展示了 ParentClass 和 ChildClass 虚数表里 method1, method2, method3 在内存里的布局：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="center">0xA00</th> 
   <th align="center">ParentClass</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="center">0x121</td> 
   <td align="center">method1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">0x122</td> 
   <td align="center">method2</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="center">0xB00</th> 
   <th align="center">ChildClass</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="center">0x121</td> 
   <td align="center">method1(继承了父类)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center"><strong>0x222</strong></td> 
   <td align="center"><strong>method2</strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center"><strong>0x223</strong></td> 
   <td align="center"><strong>method3</strong></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

当一个函数被调用时：

let obj = ChildClass()
    obj.method2()

会经历下面的几个过程：

1.  读取对象 0xB00 的函数表.
2.  读取函数指针的索引. 在这里, method2 的索引是1(偏移量), 也就是 0xB00 + 1.
3.  跳到 0x222 (函数指针指向 0x222)

查表是一种简单, 易实现, 而且性能可预知的方式. 然而, 这种派发方式比起直接派发还是慢一点. 从字节码角度来看, 多了两次读和一次跳转, 由此带来了性能的损耗. 另一个慢的原因在于编译器可能会由于函数内执行的任务导致无法优化. (如果函数带有副作用的话)

这种基于数组的实现, 缺陷在于函数表无法拓展. 子类会在虚数函数表的最后插入新的函数, 没有位置可以让 extension 安全地插入函数.

## 消息机制派发 (Message Dispatch ) ##

消息机制是调用函数最动态的方式. 也是 Cocoa 的基石, 这样的机制催生了 KVO, UIAppearence 和 CoreData 等功能. 这种运作方式的关键在于开发者可以在运行时改变函数的行为. 不止可以通过 swizzling 来改变, 甚至可以用 isa-swizzling 修改对象的继承关系, 可以在面向对象的基础上实现自定义派发.

举个例子, 看看下面两个类:

class ParentClass { 
        dynamic func method1() { }
        dynamic func method2() { }
    }
    class ChildClass: ParentClass { 
        override func method2() { }
        dynamic func method3() { }
    }

Swift 会用树来构建这种继承关系:

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lvdXNoYW9kdW8_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
当一个消息被派发, **运行时会顺着类的继承关系向上查找应该被调用的函数**.  
如果你觉得这样做效率很低(它确实很低)，然而, 只要缓存建立了起来, 这个查找过程就会通过缓存来把性能提高到和函数表派发一样快. 但这只是消息机制的原理, 这里有[一篇文章][Link 1]很深入的讲解了具体的技术细节.

[再探Swift函数的派发方式][Swift]

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lvdXNoYW9kdW8_size_16_color_FFFFFF_t_70]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200109110108605.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lvdXNoYW9kdW8=,size_16,color_FFFFFF,t_70
[Link 1]: http://www.friday.com/bbum/2009/12/18/objc_msgsend-part-1-the-road-map
[Swift]: https://blog.csdn.net/youshaoduo/article/details/103904344