iOS 底层：揭秘技术深处的原理之美二

iOS 底层原理：技术深处的艺术

iOS 作为全球领先的移动操作系统，其稳定性、流畅性以及强大的性能离不开底层原理的精心设计。在 iOS 系统中，一切皆对象，而对象的底层数据结构对系统性能有着至关重要的影响。在 WWDC2020 大会上，苹果工程师 Ben подробно介绍了 runtime 对于类的数据结构所做的优化，声称无需改动代码，甚至无需学习新的 API，应用程序就有可能变得更快。这不禁让人对 iOS 底层原理的奥妙充满了好奇。

深入浅出，揭秘类数据结构的优化

Ben 所指的优化主要集中在类的数据结构上。在 iOS 系统中，类的数据结构主要包括对象头、成员变量以及方法实现。对象头中包含了指向元类的指针、引用计数以及实例变量指针等关键信息。而成员变量和方法实现则分别存储在实例变量区和方法实现区中。为了提高性能，runtime 对这些数据结构进行了精细的优化。

首先，runtime 将对象头中指向元类的指针从 32 位扩展到了 64 位。这使得对象头能够存储更多的信息，从而可以支持更大的类。同时，这也提高了内存访问速度，因为 64 位指针可以一次性访问更多的内存。

其次，runtime 采用了压缩引用计数的策略。在传统的引用计数中，每个对象都会有一个引用计数器，用来记录该对象被引用的次数。当引用计数器为 0 时，表明该对象不再被引用，就可以被回收。压缩引用计数则将多个对象的引用计数器打包到一个数组中，从而减少了内存开销。

最后，runtime 还优化了实例变量区和方法实现区的布局。在传统的布局中，实例变量区和方法实现区是连续的。这会导致内存碎片，降低内存访问速度。而 runtime 则采用了非连续的布局，使实例变量区和方法实现区可以分散存储在内存中，从而减少内存碎片，提高内存访问速度。

内存管理的精妙之处：从引用计数到 ARC

内存管理是 iOS 底层原理中的另一个重要组成部分。在 iOS 系统中，内存管理主要依靠引用计数和自动释放池两种机制。引用计数是一种简单的内存管理机制，每个对象都有一个引用计数器，用来记录该对象被引用的次数。当引用计数器为 0 时，表明该对象不再被引用，就可以被回收。

自动释放池是一种更加先进的内存管理机制。自动释放池是一个栈结构，当一个对象被添加到自动释放池中时，该对象就会被标记为“待释放”。当自动释放池被销毁时，所有标记为“待释放”的对象都会被释放。这可以有效地防止内存泄漏的发生。

在 iOS 5 中，苹果引入了 ARC（Automatic Reference Counting）机制。ARC 是一种编译器级别的内存管理机制，可以自动跟踪对象的引用计数，并在适当的时候释放对象。ARC 极大地简化了内存管理，使得开发者无需手动管理对象的引用计数，从而减少了内存泄漏的风险。

消息转发机制：灵活性与效率的完美结合

消息转发机制是 iOS 底层原理中的一个重要概念。消息转发机制允许对象在不直接实现某个方法的情况下，仍然能够响应该方法的调用。这使得对象可以更加灵活地进行扩展和重用。

消息转发机制主要分为两个步骤：消息查找和消息发送。当一个对象收到一条消息时，系统会先在该对象中查找该方法的实现。如果找不到，则会将消息转发给该对象的父类。如果父类中也没有找到，则会继续向上查找，直到找到该方法的实现或者到达根类。

消息转发机制提供了很大的灵活性，使得对象可以很方便地进行扩展和重用。例如，我们可以创建一个 UIView 的子类，并重写其中的某些方法，从而实现自定义的行为。

结语

iOS 底层原理是技术深处的艺术，它蕴藏着无穷的智慧与奥秘。从类数据结构的优化到内存管理的精妙，再到消息转发机制的灵活性，无不彰显着技术人员的匠心独运。深入理解 iOS 底层原理，不仅可以帮助我们更好地理解 iOS 系统的运行机制，还可以为我们解决实际问题提供有力的理论基础。