多角度体会 Swift 方法派发

2023-09-12 17:12:43

导言

作为一门现代且备受推崇的编程语言，Swift 以其强大、安全和高效的特性闻名。Swift 拥有的一个关键特性就是多态性，它允许我们以统一的方式处理不同类型的对象。这种多态性的实现是通过方法派发机制来实现的，该机制允许在运行时动态地确定要调用的方法。

在本文中，我们将深入探讨 Swift 中的三种方法派发方式：静态派发（直接派发）、VTable 派发（函数表派发）和消息派发。我们将从底层 SIL 中间语言和汇编代码的角度来剖析这些派发机制，以便获得更深入的理解。

静态派发

静态派发是一种最简单的派发方式，它发生在编译时，方法调用被解析到一个特定的函数指针上。当方法属于一个类，且在编译时就知道该类的确切类型时，就会发生这种情况。

在 SIL 中，静态派发表示为 function_ref 指令，该指令直接跳转到方法的实现上。在汇编中，这通常表现为一条直接跳转指令（例如 jmp）。

// SIL
function_ref @swift_allocObject(%swift.type* @objc_class) -> @owned %swift.refcounted*

// 汇编
jmpq *(%rip)  // 直接跳转到 allocObject 实现

静态派发的一个优势是它的高效性，因为它避免了在运行时进行任何动态查找。然而，它的局限性在于它只能用于已知类型的对象。

VTable 派发

VTable 派发（也称为函数表派发）是一种动态派发方式，它发生在运行时，方法调用被解析到一个函数指针表（称为 VTable）上。VTable 中的每个条目都对应于该类中可用的方法。

当对象属于一个类层次结构中未知的子类时，就会发生 VTable 派发。在编译时，编译器会生成一个指向 VTable 的指针，该指针存储在对象中。在运行时，方法调用会被解析到 VTable 中的相应条目，然后跳转到该方法的实现上。

在 SIL 中，VTable 派发表示为 class_method 指令，该指令间接跳转到 VTable 中的函数指针上。在汇编中，这通常表现为一条间接调用指令（例如 callq）。

// SIL
class_method %swift.method %0 : $Class, #Class.method!getter.1
                 : $@convention(method) (@guaranteed Class) -> () -> ()

// 汇编
callq *(%rax)  // 间接调用 VTable 中的 method 方法

VTable 派发的优势在于它的灵活性，因为它允许在运行时调用未知类型的对象的方法。然而，它的缺点是它的开销略高于静态派发，因为它涉及额外的间接查找。

消息派发

消息派发是一种用于 Objective-C 对象的方法派发方式，它已被 Swift 采用。消息派发与 VTable 派发类似，但它使用了一个消息发送机制，该机制在运行时将消息发送给对象。

当对象是一个 Objective-C 对象或一个 Swift 对象（继承自 Objective-C 对象）时，就会发生消息派发。消息由一个选择器和一组参数组成，选择器是一个标识方法的字符串。

在 SIL 中，消息派发表示为 message_send 指令，该指令间接跳转到一个消息发送函数上。在汇编中，这通常表现为一条消息发送指令（例如 objc_msgSend）。

// SIL
message_send %1 : $Class, #selector(Class.method), %0
                 : $@convention(objc_method) (Class, Selector) -> ()

// 汇编
movq %rdi, %rax  // 将接收者对象传递到 rax
movq %rsi, %rdi  // 将选择器传递到 rdi
callq objc_msgSend  // 发送消息

消息派发的一个优势是它提供了 Objective-C 互操作性，并且可以用于调用动态库中的方法。然而，它的开销比 VTable 派发更高，因为它涉及额外的消息发送机制。