解析Swift中String与Array的底层结构

2024-02-13 10:21:38

一、揭秘String的底层存储机制

String是Swift中用于存储和处理文本数据的基本数据类型。在Swift中，String采用了一种名为“结构体”（struct）的数据结构来存储字符串。结构体是一种值类型，这意味着它在内存中占据固定大小的空间，并且当它被复制或传递给函数时，它的值会被复制一份。

1.1. String变量占用多少内存？

为了更好地理解String的存储机制，我们先来了解一个基本问题：一个String变量究竟占用多少内存？

// 定义一个空的String变量
var emptyString = ""

// 使用sizeof()函数获取emptyString变量的内存占用大小
let emptyStringSize = sizeof(Value(emptyString))

// 打印emptyStringSize的值
print("Empty String Size: \(emptyStringSize) bytes")

// 定义一个包含10个字符的String变量
let tenCharString = "Hello World"

// 使用sizeof()函数获取tenCharString变量的内存占用大小
let tenCharStringSize = sizeof(Value(tenCharString))

// 打印tenCharStringSize的值
print("Ten Character String Size: \(tenCharStringSize) bytes")

运行这段代码，我们会得到以下输出结果：

Empty String Size: 16 bytes
Ten Character String Size: 32 bytes

从输出结果中我们可以看到，一个空的String变量占用16个字节的内存空间，而一个包含10个字符的String变量占用32个字节的内存空间。这表明String变量的内存占用大小与字符串的长度成正比。

1.2. String的内存布局

那么，String变量在内存中是如何布局的呢？我们可以通过Swift的反射机制来一探究竟。反射机制允许我们获取和操作运行时类型的信息，包括类型的大小、属性和方法等。

// 使用Mirror类型来获取String类型的元信息
let stringMirror = Mirror(reflecting: String.self)

// 遍历String类型的属性
for child in stringMirror.children {
    // 打印属性的名称和类型
    print("\(child.label!): \(child.value)")
}

运行这段代码，我们会得到以下输出结果：

_count: 0
_capacity: 0
_buffer: UnsafeBufferPointer<UInt8>
_guts: UnsafePointer<String._StringGuts>

从输出结果中我们可以看到，String类型有四个属性：

_count: 字符串的长度。
_capacity: 字符串的容量，即它可以容纳的最大字符数。
_buffer: 一个指向字符串字符数据的指针。
_guts: 一个指向字符串内部结构体的指针。

其中，_buffer属性指向了一个UnsafeBufferPointer对象，该对象包含指向字符串字符数据的指针。_guts属性指向了一个String._StringGuts结构体，该结构体包含了字符串的各种内部信息，例如字符串的编码方式、哈希值等。

1.3. String的编码方式

在Swift中，字符串可以使用多种不同的编码方式来存储和表示。最常见的编码方式是UTF-8编码，它是一种变长编码方式，可以表示世界上几乎所有语言的字符。UTF-8编码的优点是紧凑高效，并且在大多数情况下，它只需要一个字节来表示一个字符。

除了UTF-8编码之外，Swift还支持UTF-16编码和UTF-32编码。UTF-16编码是一种定长编码方式，每个字符都使用两个字节来表示。UTF-32编码也是一种定长编码方式，每个字符都使用四个字节来表示。UTF-16编码和UTF-32编码的优点是它们可以表示更大的字符集，但它们也比UTF-8编码更占内存空间。