24.[译]编写高性能Swift代码-Writing High-Performance Swift Code(2022.8.25版)

编写高性能的 Swift 代码

文中的一些 Tips 能够帮助提高 Swift 程序的质量，并提高代码容错性和可读性。

一、 开启优化 - Enabling Optimizations

首先你应该做的就是开启优化。Swift 提供了三种优化等级：

  • -Onone: 标准的开发模式。编译器提供最少的优化并且提供所有 debug 信息。

  • -O: 生产模式代码。编译器进行大量优化代码。调试信息会提供但是不完整。

  • -Osize: 一个特殊的模式，编译器会优先考虑代码大小，而不是性能。

在 Xcode 中，Project 的 Build Setting 中搜索 Optimization Level 就可以进行配置。

二、 整模块优化 - Whole Module Optimizations (WMO)

默认状态下 Swift 会独立编译每个文件。这使得 Xcode 可以快速的并行编译多个文件。但是，每个文件分开变异阻碍了编译器进行优化。Swift 也可以把整个应用程序作为一个文件进行编译，并作为一个编译单元进行优化。编译会花费更久的时间，但是 run 会更快。

Whole-Module Optimization in Swift 3

Xcode 8 默认开启

三、 减少动态派发 - Reducing Dynamic Dispatch

Swift 默认是和 Objective-C 一样非常动态的语言。与 Objective-C 不同的是，Swift 给了开发者可以通过减少或者避免动态特性，来提升程序运行时性能的能力。

下面由几个例子进行说明：

动态派发 - Dynamic Dispatch

类默认对 方法调用 和 属性访问 进行动态派发。例如下面的 a.aProperty, a.doSomething() and a.doSomethingElse() 动态派发的。

  class A {
    var aProperty: [Int]
    func doSomething() { ... }
    dynamic doSomethingElse() { ... }
  }

  class B: A {
    override var aProperty {
      get { ... }
      set { ... }
    }

    override func doSomething() { ... }
  }

  func usingAnA(_ a: A) {
    a.doSomething()
    a.aProperty = ...
  }

在 Swift 里，动态派发默认是间接地通过一个 进行调用。如果在声明里加上了 dynamic 关键字，Swift 会通过 Objective-C 的消息机制进行调用。两种方式相较于直接调用函数都更慢，因为阻碍了很多 编译器可以进行 优化 的地方，间接调用也多了很多开销。想要提升代码运行性能就需要限制动态特性。

建议：使用 final 当你确定被声明的不需要被重写

final 关键字会限制 class、method、property 不能被重写。这意味着编译器可以直接调用函数，而不是间接调用。下面的 C.array1 and D.array1 将会被 直接访问 。相对的 D.array2 将会被通过一个 vtable 调用：

  final class C {
    // class 'C' 中所有声明的都不能被重写
    // No declarations in class 'C' can be overridden.
    var array1: [Int]
    func doSomething() { ... }
  }

  class D {
    // array1 不能被计算属性重写
    final var array1: [Int] // 'array1' cannot be overridden by a computed property.
    // array2 能被计算属性重写
    var array2: [Int]      // 'array2' *can* be overridden by a computed property.
  }

  func usingC(_ c: C) {
    // 访问 C.array1 不会经过动态派发
    c.array1[i] = ... // Can directly access C.array without going through dynamic dispatch.
    // 会直接调用 C.doSomething 不会经过虚函数表调用
    c.doSomething() = ... // Can directly call C.doSomething without going through virtual dispatch.
  }

  func usingD(_ d: D) {
    // 直接访问 D.array1 不经过动态派发
    d.array1[i] = ... // Can directly access D.array1 without going through dynamic dispatch.
    // 经过动态派发访问 D.array2
    d.array2[i] = ... // Will access D.array2 through dynamic dispatch.
  }

建议：使用 private 和 fileprivate 声明不需要被文件外界访问的内容

使用 private 和 fileprivate 关键字能够将这些声明的访问限制在该文件内部。这会让编译器能查出所有其它潜在的重写声明。由此编译器能够自动推断 final 关键字并删除方法的间接调用和空间访问。

如下：假设 E, F 在该文件内没有重写任何声明，那么 e.doSomething() 和 f.myPrivateVar 就能够被直接访问：


  private class E {
    func doSomething() { ... }
  }

  class F {
    fileprivate var myPrivateVar: Int
  }

  func usingE(_ e: E) {
    /**
    该文件内没有子类存在
    编译器可以移除 doSomething 的虚表调用，并直接调用 E 的 doSomething 方法
    */
    e.doSomething() // There is no sub class in the file that declares this class.
                    // The compiler can remove virtual calls to doSomething()
                    // and directly call E's doSomething method.
  }

  func usingF(_ f: F) -> Int {
    return f.myPrivateVar
  }

建议：如果启用了 WMO，在模块内部对不需要外部访问的内容使用 internal 关键字进行声明

WMO 使得编译器将整个模块的代码作为一个整体一次性进行编译。使编译单个声明时能够拥有更广的视野从而进行优化。当一个声明为 internal 就不会在模块外部被访问到，优化器可以根据是否存在潜在的声明重写，而自动推断出 final 关键字。

NOTE: 由于现在 Swift 默认的访问级别已经是 internal，通过开启 WMO 就不用额外的操作（WMO 也是默认开启的了）。

四、 高效的使用容器类型 - Using Container Types Efficiently

Swift 标准库提供了重要功能：通用容器 Array 和 Dictionary。下面将介绍如何高效的使用这些类型。

建议：在数组中使用值类型

在 Swift 中，类型能够被分为两种：值类型 (structs, enums, tuples)，引用类型 (classes)。一个关键的差别是值类型不能被放入 NSArray。因此当使用值类型时，优化器就不需要去处理对 NSArray 的兼容。

并且对比引用类型，值类型仅当包含了引用类型的时候才需要引用计数。通过使用不包含引用类型的值类型，可以避免在 Array 内部的 retain 和 release 减少开销。


  // Don't use a class here.
  struct PhonebookEntry {
    var name: String
    var number: [Int]
  }

  var a: [PhonebookEntry]

需要时刻注意平衡使用大的值类型和引用类型。有时拷贝移动一个巨大的值类型可能消耗比管理一个引用类型的 retain/release 消耗还要大。

建议：不需要考虑 NSArray 桥接的时候可以使用 ContiguousArray 来存储引用类型


  class C { ... }
  var a: ContiguousArray<C> = [C(...), C(...), ..., C(...)]

Swift标准库源码阅读笔记 - Array和ContiguousArray

Array 需要考虑对 NSArray 的兼容，内部存在很多类型检查。

建议：使用引用修改而不是对象重新赋值 - Use inplace mutation instead of object-reassignment

在 Swift 标准库中所有的容器类型都是使用了 COW(copy-on-write) 机制来替代直接拷贝。在大多数情况下，编译器会引用容器而不是深拷贝。只有当容器的引用计数大于 1 并且容器被修改了，才会触发底层容器的拷贝。

如下：当 c 赋值给 d，不会触发拷贝。但是当 d 通过 append(2) 修改的时候，d 会先拷贝容器，然后 2 会被添加进 d：

  var c: [Int] = [ ... ]
  var d = c        // No copy will occur here.
  d.append(2)      // A copy *does* occur here.

如果使用不当，COW 有时会造成没必要的拷贝。例如下面的例子通过在方法内部返回一个新数组，进行对象重新赋值来达到 append_one。所有传入的参数都会被 reatin 然后在函数结束后 release。如果像下面这样实现一个 append_one 方法：

  func append_one(_ a: [Int]) -> [Int] {
    var a = a
    a.append(1)
    return a
  }

  var a = [1, 2, 3]
  a = append_one(a)

a 可能会被拷贝，尽管 a 在 append_one 结束后没有被使用。如果使用 inout 就可以避免：

  func append_one_in_place(a: inout [Int]) {
    a.append(1)
  }

  var a = [1, 2, 3]
  append_one_in_place(&a)

五、 避免检查溢出的计算 - Wrapping operations

Swift 在执行一般整型计算的时候会检查是否溢出。但是在已知不会溢出的场景下依旧这么做就显得非常不合适了，也不符合高性能编码的期望。

建议： 在已知不会溢出的情况下使用 wrapping arithmetic 进行不检查的整型计算 &+

在高性能编码中，如果你确定不会溢出，就可以使用 wrapping arithmetic 来避免检查。

  a: [Int]
  b: [Int]
  c: [Int]

  // Precondition: for all a[i], b[i]: a[i] + b[i] either does not overflow,
  // or the result of wrapping is desired.
  for i in 0 ... n {
    c[i] = a[i] &+ b[i]
  }

需要指出的是，&+ &- &* 在溢出的时候结果会简单的处理。例如：Int.max &+ 1 的结果是 Int.min（不像C语言里，INT_MAX + 1 是为无法定义的操作）。

六、 范型 - Generics

Swift 通过范型提供了非常强大的抽象能力。Swift 编译器通过 MySwiftFunc<T> 生成可以为 T 执行的代码块。生成的代码块包含一个函数指针列表和一个包含 T 容器作为参数。MySwiftFunc<Int> 和 MySwiftFunc<String> 的不同表现，是通过传递不同的函数列表和容器大小来决定的。一个范型例子：

  class MySwiftFunc<T> { ... }

  // 生成为 Int 工作的代码
  MySwiftFunc<Int> X    // Will emit code that works with Int...
  // 生成为 String 工作的代码
  MySwiftFunc<String> Y // ... as well as String.

当开启了优化，Swift 编译器会检查每个调用调用，并检查其中使用的类型（比如非范型类型）。如果范型函数的定义对优化器是可见的并且类型是已知的，Swift 编译器将会生成一个针对这个特定类型版本的函数。这个过程叫做 specialization（定制化），可以避免一些范型相关的消耗。如下例子：

  class MyStack<T> {
    func push(_ element: T) { ... }
    func pop() -> T { ... }
  }

  func myAlgorithm<T>(_ a: [T], length: Int) { ... }

  // The compiler can specialize code of MyStack<Int>
  // 编译器会为范型 MyStack<Int> 生成特定代码
  var stackOfInts: MyStack<Int>

  // Use stack of ints.
  for i in ... {
    stack.push(...)
    stack.pop(...)
  }

  var arrayOfInts: [Int]
  // The compiler can emit a specialized version of 'myAlgorithm' targeted for
  // [Int]' types.
  // 编译器会生成针对 [Int] 版本的函数
  myAlgorithm(arrayOfInts, arrayOfInts.length)

建议： 将范型声明放在需要使用它的模块内

优化器只能对声明在当前模块中的范型定义进行特化处理。如果 WMO 没有开启，即只会当声明和调用在同一个文件的时候才会处理。

NOTE: 标准库是个特例。定义在标准库中的对所有模块可见并可以被特化处理。

七、 Swift 中较大值类型的开销 - The cost of large Swift values

在 Swift 中，一些较大的值类型如果进行拷贝会比较耗时，并影响性能。

More on value types

下面使用值类型定义了一个 Tree。其节点包含了其他同样遵守 P协议 的节点。计算机图形场景下经常由可以用值类型表示的不同的实体entities和变体transformations构成。

面向协议编程 Protocol-Oriented-Programming


  protocol P {}
  struct Node: P {
    var left, right: P?
  }

  struct Tree {
    var node: P?
    init() { ... }
  }

当一个 tree 被拷贝，真个 tree 都要被拷贝。这里对于我们的 tree 来说是一个开销很大的操作，需要大量的执行 malloc/free 并校验引用计数。

然而我们并不关心这些值是否被拷贝，只要它还在内存中可以被正常使用。

建议： 较大的值类型使用写时复制 COW - Advice: Use copy-on-write semantics for large values

写时复制能够解决值类型大量拷贝的问题。实现写时拷贝最简单的方式就是使用现成的 COW 数据结构，比如 Array。Swift 的 Array 是值类型。但是 Array 的内容不会每次都拷贝，因为使用来写时复制。

我们使用 Array 改造 Tree 可以避免大量的拷贝操作。这提升了 Tree 数据结构的性能表现，并且将传递一个数组的时间复杂度由O(n)降低到了O(1)。

  struct Tree: P {
    var node: [P?]
    init() {
      node = [thing]
    }
  }

使用数组来实现 COW 机制有两个明显的缺点:

  • 第一个问题就是数组中类似 "append" 和 "count" 的方法，它们在值封装中没有任何作用。这些方法让引用封装变得很不方便。我们可以通过创建一个隐藏未用到的 API 的封装结构来解决这个问题，并且优化器会移除它的开销，但是这样的封装并不能解决第二个问题。

  • 第二个问题就是数组内存在保证程序安全性和与 Objective-C 进行交互的代码， Swift 会检查索引访问是否在数组边界内，以及保存值时会判断数组存储时否需要扩展存储空间。这些操作运行时都会降低程序速度。

一个替代方法就是实现一个 copy-on-write 机制的数据结构来代替数组作为值封装。下面的例子就是介绍如何构建一个这样的数据结构：

Note: 这样的解决办法，对于嵌套结构并非最优，并且一个基于 COW 数据结构的 addressor 会更加高效。然而在这种情况下，抛开标准库执行 addressor 是行不通的。 More details in this blog post by Mike Ash

final class Ref<T> {
  var val: T
  init(_ v: T) { val = v }
}

struct Box<T> {
  var ref: Ref<T>
  init(_ x: T) { ref = Ref(x) }

  var value: T {
    get { return ref.val }
    set {
      if !isKnownUniquelyReferenced(&ref) {
        ref = Ref(newValue)
        return
      }
      ref.val = newValue
    }
  }
}

Box 类型可以代替上个例子中的数组。

八、 不安全的代码 - Unsafe code

Swift 中类总是采用引用计数。 Swift 编译器会在每次对象被访问时插入增加引用计数的代码。例如，考虑一个通过使用类实现遍历链表的例子。遍历链表是通过从一个节点到下一个节点移动引用实现： elem = elem.next。每次我们移动这个引用， Swift 将会增加 next 对象的引用计数，并且减少前一个对象的引用计数。这样的引用计数方法成本很高，但只要我们使用 Swift 的类就无法避免。


  final class Node {
    var next: Node?
    var data: Int
    ...
  }

建议：使用非托管的引用来避免引用计数带来的开销

Note: Unmanaged<T>._withUnsafeGuaranteedRef 不是公开的 API，并且今后将会被移除。所以不要使用它。

在性能优先代码中，你可以选择使用未托管的引用。其中 Unmanaged<T> 结构体就允许开发者关闭对于特殊引用的自动引用计数 (ARC) 功能。

当你这样做了，你需要确保有另外的引用引用这个被 Unmanaged 的实例，来保证在使用 Unmanaged 期间实例不会释放。


  // The call to ``withExtendedLifetime(Head)`` makes sure that the lifetime of
  // Head is guaranteed to extend over the region of code that uses Unmanaged
  // references. Because there exists a reference to Head for the duration
  // of the scope and we don't modify the list of ``Node``s there also exist a
  // reference through the chain of ``Head.next``, ``Head.next.next``, ...
  // instances.

  withExtendedLifetime(Head) {

    // Create an Unmanaged reference.
    var Ref: Unmanaged<Node> = Unmanaged.passUnretained(Head)

    // Use the unmanaged reference in a call/variable access. The use of
    // _withUnsafeGuaranteedRef allows the compiler to remove the ultimate
    // retain/release across the call/access.

    while let Next = Ref._withUnsafeGuaranteedRef { $0.next } {
      ...
      Ref = Unmanaged.passUnretained(Next)
    }
  }

Unmanaged.swift

Unmanaged

九、 协议 - Protocols

建议：将智能由 class 实现的协议标记为 class-protocol

Swift 可以限定协议只能通过类实现。标记协议只能由类实现的一个优点就是，编译器可以基于只有类实现协议这一事实来优化程序。

例如，如果 ARC 内存管理系统知道正在处理类对象，那么就能够简单的保留(增加对象的引用计数)它。如果编译器不知道这一事实，它就不得不假设结构体也可以实现协议，那么就需要准备保留或者释放不可忽视的结构体，这样做的代价很高。

如果限定只能由类实现某个协议，那么就需要标记类实现的协议为类协议，以便获得更好的运行性能。

  protocol Pingable: AnyObject { func ping() -> Int }

Protocols

十、 left/var 被逃逸闭包捕获的性能消耗

可能很多人认为 let 和 var 的区别仅仅是语义层面的，起始其中也有性能方面的思考。一旦一个变量和一个闭包发生了绑定，就强制编译器生成一个逃逸闭包。例如：

  let f: () -> () = { ... } // Escaping closure
  // Contrasted with:
  ({ ... })() // Non Escaping closure
  x.map { ... } // Non Escaping closure

当一个 var 被逃逸闭包捕获，编译器必须在堆上开辟空间来存储这个 var 使得，创建者和闭包都能够读写这个 var。相对的当捕获一个 let。会直接在闭包的数据结构内添加一个该变量的 copy，而不用去堆上开辟空间。

建议：如果闭包不是真的需要逃逸，使用 inout 参数传递 var

inout 会确保不会在堆上再去开辟空间，避免了没必要的 retain/release 操作。

补充说明 - Footnotes

  1. This is due to the compiler not knowing the exact function being called.

  2. An optimization technique in which a copy will be made if and only if a modification happens to the original copy, otherwise a pointer will be given.

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