Swift 之通过汇编探究闭包的本质

2023-09-29 07:27:24

导言

闭包是 Swift 中一项强大的特性，它允许开发者创建可以在其他函数和方法中捕获和传递的代码块。与 Objective-C 中的块类似，Swift 闭包提供了简洁优雅的方式来处理异步任务、事件处理和数据转换等各种场景。

汇编视角下的闭包

为了深入理解闭包的本质，我们将使用汇编语言来探索其底层实现。在 Swift 中，闭包被编译为 Objective-C 块，因此我们可以通过查看汇编代码来了解其内部结构。

ARM64 汇编

以下是 ARM64 架构上闭包的汇编代码示例：

        .section __TEXT, __text,regular,pure_instructions
        .align 2
        .globl _main
_main:                                  // function main (inlined)
        stp fp, lr, [sp, -16]!
        add fp, sp, #16
        ldr x0, [fp, #-8]
        bl _Block_byref_0                // call Block_byref
        mov x0, #0
        b _Block_byref_0                // return Block_byref
        .align 2
_Block_byref_0:                            // function Block_byref (inlined)
        stp fp, lr, [sp, -16]!
        add fp, sp, #16
        mov x0, x1
        b _Block_byref_1                // return Block_byref
        .align 2
_Block_byref_1:                            // function Block_byref (inlined)
        stp fp, lr, [sp, -16]!
        add fp, sp, #16
        mov x0, x0                    // result: x0
        ldr x1, [fp, #-24]            // self
        mov x2, x0
        bl _Block_invoke                // call Block_invoke
        mov x0, x0                    // result: x0
        b _Block_byref_2                // return Block_byref
        .align 2
_Block_invoke:                               // function Block_invoke (inlined)
        stp fp, lr, [sp, -16]!
        add fp, sp, #16
        mov x0, x2
        mov x1, x1
        ldr x2, [fp, #-24]            // block
        ldr x2, [x2, #12]             // function pointer
        blx x2                          // call block function
        mov x0, x0                    // result: x0
        b _Block_invoke_2                // return Block_invoke

Objective-C 块结构

从汇编代码中，我们可以看到闭包实际上是 Objective-C 块，具有以下结构：

isa 指针： 指向块类（NSBlock）的指针。
函数指针： 指向闭包实现函数的指针。
隐式参数： 指向闭包捕获变量的指针。

闭包捕获

闭包可以捕获其所在作用域中的变量。在汇编代码中，这些捕获变量存储在隐式参数中，并且在闭包调用时传递给闭包实现函数。

闭包调用

当闭包被调用时，汇编代码会将隐式参数传递给闭包实现函数。闭包实现函数使用这些捕获变量来执行闭包内的代码。

编译器优化

LLVM 编译器可以对闭包进行优化，例如：

内联闭包： 如果闭包足够简单，编译器可能会将其内联到调用它的函数中。
消除逃逸闭包： 如果闭包永远不会逃逸其创建的作用域，编译器可能会消除它。

示例

以下 Swift 代码：

let closure: () -> Void = {
  print("Hello, world!")
}

编译为以下汇编代码：

        .section __TEXT, __text,regular,pure_instructions
        .align 2
        .globl _main
_main:                                  // function main (inlined)
        stp fp, lr, [sp, -16]!
        add fp, sp, #16
        ldr x0, [fp, #-8]
        bl _Block_byref_0                // call Block_byref
        mov x0, #0
        b _Block_byref_0                // return Block_byref
        .align 2
_Block_byref_0:                            // function Block_byref (inlined)
        stp fp, lr, [sp, -16]!
        add fp, sp, #16
        mov x0, x1
        b _Block_byref_1                // return Block_byref
        .align 2
_Block_byref_1:                            // function Block_byref (inlined)
        stp fp, lr, [sp, -16]!
        add fp, sp, #16
        mov x0, x0                    // result: x0
        ldr x1, [fp, #-24]            // self
        mov x2, x0
        bl _Block_invoke                // call Block_invoke
        mov x0, x0                    // result: x0
        b _Block_byref_2                // return Block_byref
        .align 2
_Block_invoke:                               // function Block_invoke (inlined)
        stp fp, lr, [sp, -16]!
        add fp, sp, #16
        mov x0, x2
        mov x1, x1
        ldr x2, [fp, #-24]            // block
        ldr x2, [x2, #12]             // function pointer
        blx x2                          // call block function
        mov x0, x0                    // result: x0
        b _Block_invoke_2                // return Block_invoke