Swift之深入解析“指针”的使用和实现

Posted 2021-06-03 Forever_wj

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Swift之深入解析“指针”的使用和实现相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

一、指针

① 指针类型

Swift 中的指针分为两类：
- typed pointer 指定数据类型指针，即 UnsafePointer，其中 T 表示泛型；
- raw pointer 未指定数据类型的指针（原生指针），即 UnsafeRawPointer。
Swift 与 OC 指针对比如下：

Swift	OC	说明
unsafePointer	const T *	指针及所指向的内容都不可变
unsafeMutablePointer	T *	指针及其所指向的内存内容均可变
unsafeRawPointer	const void *	指针指向未知类型
unsafeMutableRawPointer	void *	指针指向未知类型

② 原生指针

什么是原生指针？
- 原生指针是指未指定数据类型的指针；
- 对于指针的内存管理是需要手动管理的；
- 指针在使用完需要手动释放。
有以下一段原生指针的使用代码，请问运行时会发生什么？

	// 原生指针
	// 对于指针的内存管理是需要手动管理的
	// 定义一个未知类型的指针：本质是分配32字节大小的空间，指定对齐方式是8字节对齐
	let p = UnsafeMutableRawPointer.allocate(byteCount: 32, alignment: 8)
	
	// 存储
	for i in 0..<4 {
	    p.storeBytes(of: i + 1, as: Int.self)
	}
	// 读取
	for i in 0..<4 {
	    // p是当前内存的首地址，通过内存平移来获取值
	    let value = p.load(fromByteOffset: i * 8, as: Int.self)
	    print("index: \\(i), value: \\(value)")
	}
	
	// 使用完成需要dealloc，即需要手动释放
	p.deallocate()

通过运行可以发现，程序在读取数据时出现了问题，这是因为读取时指定了每次读取的大小，但是存储是直接在8字节的p中存储了i+1，即为并没有指定存储时的内存大小，执行结果如下：

	index:0 value:4
	index:1 value:0
	index:2 value:140735373901836
	index:3 value:140735325050456

修改程序：通过 advanced(by:) 指定存储时的步长：

	// 存储
	for i in 0..<4 {
	    // 指定当前移动的步数，即i * 8
	    p.advanced(by: i * 8).storeBytes(of: i + 1, as: Int.self)
	}

修改后的运行结果如下：

	index:0 value:1
	index:1 value:2
	index:2 value:3
	index:3 value:4

③ type pointer

我们知道，获取基本数据类型的地址是通过 withUnsafePointer(to:) 方法获取的；
查看 withUnsafePointer(to:) 的定义中，第二个参数传入的是闭包表达式，然后通过 rethrows 重新抛出 Result（即闭包表达式产生的结果）了，所以可以将闭包表达式进行简写(简写参数、返回值)，其中 $0 表示第一个参数，$1 表示第二个参数，以此类推：

	<!--定义-->
	@inlinable public func withUnsafePointer<T, Result>(to value: inout T, _ body: (UnsafePointer<T>) throws -> Result) rethrows -> Result
	
	<!--使用1-->
	var age = 10
	let p = withUnsafePointer(to: &age) { $0 }
	print(p)
	
	<!--使用2-->
	withUnsafePointer(to: &age){print($0)}
	
	<!--使用3-->
	// 其中p1的类型是 UnsafePointer<Int>
	let p1 = withUnsafePointer(to: &age) { ptr in
	    return ptr
	}

由于 withUnsafePointer 方法中的闭包属于单一表达式，因此可以省略参数、返回值，直接使用 $0，$0 等价于 ptr，如下：

在这里插入图片描述

访问属性：可以通过指针的 pointee 属性访问变量值，如下所示：

	var age = 10
	let p = withUnsafePointer(to: &age) { $0 }
	print(p.pointee)
	
	<!--打印结果-->
	10

如何改变 age 变量值？
- 改变变量值的方式有两种，一种是间接修改，一种是直接修改；
- 间接修改：需要在闭包中直接通过 ptr.pointee 修改并返回。类似于char *p = “YDW” 中的 *p，因为访问 YDW 通过 *p；

	var age = 10
	age = withUnsafePointer(to: &age) { ptr in
	    // 返回Int整型值
	    return ptr.pointee + 12
	}
	print(age)

- 直接修改可以通过 withUnsafeMutablePointer 方法，即创建方式一：

	var age = 10
	withUnsafeMutablePointer(to: &age) { ptr in
	    ptr.pointee += 12
	}

- 直接修改也通过 allocate 创建 UnsafeMutablePointer，但需要注意：
- - initialize 与 deinitialize 是成对的；
- - deinitialize 中的 count 与申请时的 capacity 需要一致；
- - 需要 deallocate；

	var age = 10
	// 分配容量大小，为8字节
	let ptr = UnsafeMutablePointer<Int>.allocate(capacity: 1)
	// 初始化
	ptr.initialize(to: age)
	ptr.deinitialize(count: 1)
	
	ptr.pointee += 12
	print(ptr.pointee)
	
	// 释放
	ptr.deallocate()

二、指针实例应用

① 访问结构体实例对象

定义一个结构体：

	struct YDWTeacher {
	    var age = 18
	    var height = 1.85
	}
	var t = YDWTeacher()

使用 UnsafeMutablePointer 创建指针，并通过指针访问 YDWTeacher 实例对象，有以下三种方式：下标访问、内存平移和 successor。

	// 分配两个YDWTeacher大小的空间
	let ptr = UnsafeMutablePointer<YDWTeacher>.allocate(capacity: 2)
	// 初始化第一个空间
	ptr.initialize(to: YDWTeacher())
	// 移动，初始化第2个空间
	ptr.successor().initialize(to: YDWTeacher(age: 20, height: 1.75))
	
	// 访问方式一
	print(ptr[0])
	print(ptr[1])
	
	// 访问方式二
	print(ptr.pointee)
	print((ptr+1).pointee)
	
	// 访问方式三
	print(ptr.pointee)
	// successor 往前移动
	print(ptr.successor().pointee)
	
	// 必须和分配是一致的
	ptr.deinitialize(count: 2)
	// 释放
	ptr.deallocate()

需要注意的是，第二个空间的初始化不能通过 advanced(by: MemoryLayout.stride) 去访问，否则取出结果是有问题，如下：

	YDWTeacher(age:10, height:1.85)
	YDWTeacher(age:14073292092791, height:5.4e-322)
	YDWTeacher(age:10, height:1.85)
	YDWTeacher(age:14073292092791, height:5.4e-322)

可以通过 ptr + 1 、 successor() 或者 advanced(by: 1)；

	<!--第2个初始化 方式一-->
	(ptr + 1).initialize(to: YDWTeacher(age: 20, height: 1.75))
	
	<!--第2个初始化 方式二-->
	ptr.successor().initialize(to: YDWTeacher(age: 20, height: 1.75))
	
	<!--第2个初始化 方式三-->
	ptr.advanced(by: 1).initialize(to:  YDWTeacher(age: 20, height: 1.75))

对比：
- 这里 p 使用 advanced(by: i * 8)，是因为此时并不知道 p 的具体类型，必须指定每次移动的步长：

	let p = UnsafeMutableRawPointer.allocate(byteCount: 32, alignment: 8)
	
	// 存储
	for i in 0..<4 {
	    // 指定当前移动的步数，即i * 8
	    p.advanced(by: i * 8).storeBytes(of: i + 1, as: Int.self)
	}

- 这里的 ptr 如果使用 advanced(by: MemoryLayout.stride) 即16*16字节大小，此时获取的结果是有问题的，由于这里知道具体的类型，所以只需要标识指针前进几步即可，即 advanced(by: 1)：

	let ptr = UnsafeMutablePointer<YDWTeacher>.allocate(capacity: 2)
	// 初始化第一个空间
	ptr.initialize(to: YDWTeacher())
	// 移动，初始化第2个空间
	ptr.advanced(by: 1).initialize(to: YDWTeacher(age: 20, height: 1.75))

② 实例对象绑定到 struct 内存

定义如下结构体：

	struct HeapObject {
	    var kind: Int
	    var strongRef: UInt32
	    var unownedRef: UInt32
	}
	
	class YDWTeacher {
	    var age = 18
	}
	
	var t = YDWTeacher()

问题一：类的实例对象如何绑定到结构体内存中？
- 获取实例变量的内存地址；
- 绑定到结构体内存，返回值是 UnsafeMutablePointer；
- 访问成员变量 pointee.kind；

	// 将t绑定到结构体内存中
	// 1、获取实例变量的内存地址，声明成了非托管对象
	/*
	  通过Unmanaged指定内存管理，类似于OC与CF的交互方式（所有权的转换 __bridge）
	 - passUnretained 不增加引用计数，即不需要获取所有权
	 - passRetained 增加引用计数，即需要获取所有权
	 - toOpaque 不透明的指针
	 */
	
	let ptr = Unmanaged.passUnretained(t as AnyObject).toOpaque()
	// 2、绑定到结构体内存,返回值是UnsafeMutablePointer<T>
	/*
	 - bindMemory 更改当前 UnsafeMutableRawPointer 的指针类型，绑定到具体的类型值
	    - 如果没有绑定，则绑定
	    - 如果已经绑定，则重定向到 HeapObject类型上
	 */
	let heapObject = ptr.bindMemory(to: HeapObject.self, capacity: 1)
	//3、访问成员变量
	print(heapObject.pointee.kind)
	print(heapObject.pointee.strongRef)
	print(heapObject.pointee.unownedRef)

- 其运行结果如下，有点类似于CF与OC交互的时的所有权的转换：

	HeapObject(kind:4205000648, strongRef:3, unownedRef:0)

- create/copy 需要使用 retain；不需要获取所有权使用 unretain；将 kind 的类型改成 UnsafeRawPointer，kind 的输出便为地址；

	HeapObject(kind:0x0000000100008248, strongRef:3, unownedRef:0)

问题二：绑定到类结构
- 将 swift 中的类结构定义成一个结构体：

	struct ydw_swift_class {
	    var kind: UnsafeRawPointer
	    var superClass: UnsafeRawPointer
	    var cachedata1: UnsafeRawPointer
	    var cachedata2: UnsafeRawPointer
	    var data: UnsafeRawPointer
	    var flags: UInt32
	    var instanceAddressOffset: UInt32
	    var instanceSize: UInt32
	    var flinstanceAlignMask: UInt16
	    var reserved: UInt16
	    var classSize: UInt32
	    var classAddressOffset: UInt32
	    var description: UnsafeRawPointer
	}

- 将 t 改成绑定到 ydw_swift_class：

	// 1、绑定到cjl_swift_class
	let metaPtr = heapObject.pointee.kind.bindMemory(to: ydw_swift_class.self, capacity: 1)
	// 2、访问
	print(metaPtr.pointee)

- 运行结果如下，其本质原因是因为 metaPtr 和 ydw_swift_class 的类结构是一样的：

	HeapObject(kind:0x0000000100008248, strongRef:3, unownedRef:0)
	ydw_swift_class(kind:0x0000000100008220, superClass:0x00007fff88a976f8, cachedata1:0x00007fff201fbaf0, cachedata2:0x000080200000000, data:0x00000001006185b2, flags:2, instanceAddressOffset:0, instanceize:24, flinstanceAlignMask:7, reserved:0, classSize:136, classAddressOffset:16, description:0x0000000100003c44)

③ 元组指针类型转换

如果将元组传给函数 testPointer，使用方式如下：

	var tul = (10, 20)
	
	// UnsafePointer<T>
	func testPointer(_ p : UnsafePointer<Int>){
	    print(p)
	}
	
	withUnsafePointer(to: &tul) { (tulPtr: UnsafePointer<(Int, Int)>) in
	    // 不能使用bindMemory，因为已经绑定到具体的内存中了
	    // 使用assumingMemoryBound，假定内存绑定，目的是告诉编译器ptr已经绑定过Int类型了，不需要再检查memory绑定
	    testPointer(UnsafeRawPointer(tulPtr).assumingMemoryBound(to: Int.self))
	}

或者告诉编译器转换成具体的类型：

	func testPointer(_ p: UnsafeRawPointer){
	    p.assumingMemoryBound(to: Int.self)
	}

④ 如何获取结构体的属性的指针

定义实例变量；
获取实例变量的地址，并将 strongRef 的属性值传递给函数；

	struct HeapObject {
	    var strongRef: UInt32 = 10
	    var unownedRef: UInt32 = 20
	}
	
	func testPointer(_ p: UnsafePointer<Int>){
	   print(p)
	}
	// 实例化
	var  t = HeapObject()
	// 获取结构体属性的指针传入函数
	withUnsafePointer(to: &t) { (ptr: UnsafePointer<HeapObject>) in
	    // 获取变量
	    let strongRef = UnsafeRawPointer(ptr) + MemoryLayout<HeapObject>.offset(of: \\HeapObject.strongRef)!
	    // 传递strongRef属性的值
	    testPointer(strongRef.assumingMemoryBound(to: Int.self))
	}

⑤ 通过 withMemoryRebound 临时绑定内存类型

如果方法的类型与传入参数的类型不一致，会报错：

在这里插入图片描述

解决办法：通过 withMemoryRebound 临时绑定内存类型：

	var age = 10
	func testPointer(_ p: UnsafePointer<Int64>){
	   print(p)
	}
	let ptr = withUnsafePointer(to: &age) {$0}
	ptr.withMemoryRebound(to: Int64.self, capacity: 1) { (ptr: UnsafePointer<Int64>)  in
	    testPointer(ptr)
	}

三、总结

指针类型分两种：
- typed pointer 指定数据类型指针，即 UnsafePointer + unsafeMutablePointer；
- raw pointer 未指定数据类型的指针（原生指针），即UnsafeRawPointer + unsafeMutableRawPointer；
withMemoryRebound: 临时更改内存绑定类型；
bindMemory(to: Capacity:): 更改内存绑定的类型，如果之前没有绑定，那么就是首次绑定，如果绑定过了，会被重新绑定为该类型；
assumingMemoryBound 假定内存绑定，会通知编译器。

以上是关于Swift之深入解析“指针”的使用和实现的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

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