理解 Swift 中的方法派发机制 - 静态派发

方法派发

在计算机领域中，有两种类型的方法派发方式，并且它们有着明显的区别：

静态派发（Static dispatch）：速度快不灵活。
动态派发（Dynamic dispatch）：速度慢但更加灵活。

这两大类还能根据速度与灵活性的不同，细分成下面的四小类：

内联方法：速度最快，灵活性最差。
静态派发
表派发
消息派发：速度最慢，灵活性最好。

这种层次结构是由间接层次决定的。通俗地说，这意味着“找到并执行一个函数所需的跳转次数”:

内联方法：无需跳转。
静态派发：只需跳转一次即可找到执行函数。
表派发：需要跳转两次，一次跳转到函数指针表，一次是跳转到函数本身。
消息派发：根据代码的数据结构可能会跳转很多次。

大多数语言仅支持上述的某几种方法派发，而 Swift 则支持上述所有的方法派发方式。这是一把双刃剑：它使开发者能够对其代码的性能特征进行细粒度的控制；但如果使用不当，也会导致许多问题。

静态派发

内联方法

这是最快的方法派发机制，实际上它也算不上是方法派发。内联是一种编译器优化，它实际上用函数中的代码替换函数的调用点。

一般来说，我们无法控制这一点：Swift 编译器在其优化阶段做出有关内联函数调用的决定。

代码示例如下：

func addOne(to num: Int) -> Int {
    return num + 1
}

let twoPlusOne = addOne(to: 2)

如果编译器决定内联它，编译后的 Swift 可能相当于这样：

let twoPlusOne = 2 + 1

由于上面示例使用硬编码数字，因此编译器实际上拥有在编译时计算 addOne 结果所需的所有信息。这意味着编译器可以执行进一步的优化：返回值可以预先计算，优化完代码如下：

let twoPlusOne = 3

预计算是最终的优化，因为我们此时甚至没有执行代码。也就是说，我们的函数调用的结果在编译时就已知，因此在运行此段代码时，用户的设备实际上不需要进行任何工作。

Swift Intermediate Language

在将代码编译为机器语言之前，Swift 编译器会将其转换为 Swift 中间语言 (SIL)，并在其中运行许多优化过程。

下面这些神秘的象形文字让我们能够亲眼看到优化：

sil @main : $@convention(c) (Int32, UnsafeMutablePointer<Optional<UnsafeMutablePointer<Int8>>>) -> Int32 {
  // 1
  alloc_global @$s4main10twoPlusOneSivp 
  // 2  
  %3 = global_addr @$s4main10twoPlusOneSivp 
  // 3 
  %4 = integer_literal $Builtin.Int64, 3
  // 4
  %5 = struct $Int (%4 : $Builtin.Int64)
  // 5 
  store %5 to %3 : $*Int
  // 6
  %7 = integer_literal $Builtin.Int32, 0          
  %8 = struct $Int32 (%7 : $Builtin.Int32)        
  return %8 : $Int32

为了简洁起见，我省略了大部分代码，但我们可以看到内联的实际效果：

内存被分配给 twoPlusOne 属性。
分配 twoPlusOne 属性的指针地址。
这就是神奇的地方：3 的整数文字被预先计算并内联，完全避免了方法调用。
该值从标准库转换为 Int 结构体。
该 Int 存储在 %3 处，即 twoPlusOne 的内存地址。
通常会在 main() 函数的末尾看到这些行, 这只是以代码 0 退出程序。

如果你想亲自查看 SIL，可以使用命令 swiftc -emit-sil -O main.swift > sil.txt 进行转换。

-O 告诉编译器运行速度优化，其中包括内联。 -Osize 相反使编译器不太可能内联代码，因为在多个位置内联函数会增加二进制大小。

静态派发

Swift 中的静态函数以及枚举和结构上的函数始终使用静态派发。当 Swift 程序运行时，这些函数编译后的机器代码存储在内存中的已知地址处。

静态派发的这种确定性使得编译器能够运行内联和预计算等优化。

比如下面的示例代码：

struct Adder {
    func addOne(to int: Int) -> Int {
        return int + 1
    }
}

let threePlusOne = Adder().addOne(to: 3)

让我们为这段代码生成 Swift 中间语言，看看编译器的底层发生了什么：

// 此代码为简化后的代码
sil @main : $@convention(c) (Int32, UnsafeMutablePointer<Optional<UnsafeMutablePointer<Int8>>>) -> Int32 {

  // 1
  alloc_global @$s4main12threePlusOneSivp   
  %3 = global_addr @$s4main12threePlusOneSivp : $*Int

  // 2 
  %4 = metatype $@thin Adder.Type
  %5 = function_ref @$s4main5AdderVACycfC : $@convention(method) (@thin Adder.Type) -> Adder 
  %6 = apply %5(%4) : $@convention(method) (@thin Adder.Type) -> Adder 

  // 3
  %7 = integer_literal $Builtin.Int64, 3          
  %8 = struct $Int (%7 : $Builtin.Int64)          

  // 4
  %9 = function_ref @$s4main5AdderV6addOne2toS2i_tF : $@convention(method) (Int, Adder) -> Int 
  %10 = apply %9(%8, %6) : $@convention(method) (Int, Adder) -> Int
  store %10 to %3 : $*Int

给 ThreePlusOne 属性分配内存。
Adder 结构的 init 函数被调用。 apply 是用于调用函数的 SIL 指令，将 %4（类型）作为 %5（函数）的参数。
接下来，函数参数的整数字面量即数字 3 被实例化。首先调用 Builtin Literal，然后初始化 Int。
最后，addOne 函数被调用；创建函数指针 function_ref，并传递之前创建的参数：Int 和 Adder。

SIL 的调用与 Python 的调用非常相似，其中 self（实例）显式传递到其方法的调用站点。这是因为类型上的方法在内存中的所有实例之间共享。因此，需要对实例的引用才能访问或更改任何属性。

Swift 编译器内联地折叠整个静态派发函数调用链，以一次性消除许多昂贵的函数调用。这就是静态派发速度快的原因。