从 Swift 看 Objective-C 的数组使用

状态维护是个怎么说都不够的话题,毕竟状态的处理是我们整个App最核心的部分,也是最容易出bug的地方。之前写过一篇以函数式编程的角度看状态维护的文章,这次从Swift语言层面的改进,看看Objective C下该如何合理的处理数组的维护。

Objective C数组的内存布局

要了解NSArray,NSSet,NSDictionary这些集合类的使用方法,我们需要先弄明白其对应的内存布局(Memory Layout),以一个NSMutableArray的property为例:

arr初始化之后,以64位系统为例,其实际的内存布局分为三块:

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第一块是指针NSMutableArray* arr所处的位置,为8个字节。第二块是数组实际的内存区域所处的位置,为连续3个指针地址,各占8个字节一共24个字节。第三块才是@1,@2,@3这些NSNumber对象真正的内存空间。当我们调用不同的API对arr进行操作的时候,要分清楚实际是在操作哪部分内存。

比如:

是在对第一块内存区域进行赋值。

是在对第二块内存区域进行赋值。

是在访问第三块内存区域。

之前写过一篇多线程安全的文章,我们知道即使在多线程的场景下,对第一块内存区域进行读写都是安全的,而第二块和第三块内存区域都是不安全的。

NSMutableArray为什么危险?

在Objective C的世界里,带Mutable的都是危险分子。我们看下面代码:

NSMutableArray* localArr = self.arr;执行之后,我们的内存模型是这样的:

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这行代码实际上只是新生成了8个字节的第一类内存空间给localArr,localArr实际上还是和arr共享第二块和第三块内存区域,当在thread 2执行[localArr removeAllObjects];清理第二块内存区域的时候,如果主线程正在同时访问第二块内存区域_arr[1],就会导致crash了。这类问题的根本原因,还是在对于同一块内存区域的同时读写。

Swift的改变

Swift对于上述的数组赋值操作,从语言层面做了根本性的改变。

Swift当中所有针对集合类的操作,都符合一种叫copy on write(COW)的机制,比如下面的代码:

当执行到var localArr = arr的时候,arr和localArr的内存布局还是和Objective C一致,arr和localArr都共享第二第三块内存区域,但是一旦出现写操作(write),比如arr += [4];的时候,Swift就会针对原先arr的第二块内存区域,生成一份新的拷贝(copy),也就是所谓的copy on write,执行cow之后,arr和localArr就指向不同的第二块内存区域了,如下图所示:

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一旦出现针对arr写操作,系统就会将内存区域2拷贝至一块新的内存区域4,并将arr的指针指向新开辟的区域4,之后再发生数组的改变,arr和localArr就指向不同的区域,即使在多线程的环境下同时发生读写,也不会导致访问同一内存区域的crash了。

上面的代码,最后打印的结果中,arr和localArr中所包含的元素也不一致了,毕竟他们已经指向各自的第二类内存区域了。

这也是为什么说Swift是一种更加安全的语言,通过语言层面的修改,帮助开发者避免一些难以调试的bug,而这一切都是对开发者透明的,免费的,开发者并不需要做特意的适配。还是一个简单的=操作,只不过背后发生的事情不一样了。

Objective C的领悟

Objective C还没有退出历史舞台,依然在很多项目中发挥着余热。明白了Swift背后所做的事情,Objective C可以学以致用,只不过要多写点代码。

Objective C既然没有COW,我们可以自己copy。

比如需要对数组进行遍历操作的时候,在遍历之前先Copy:

比如当我们需要修改数组中的元素的时候,在开始修改之前先Copy:

比如当我们需要返回一个可变数组的时候,返回一个数组的Copy:

只要是针对共享数组的操作,时刻记得copy一份新的内存区域,就可以实现手动COW的效果,这样Objective C也能在维护状态的时候,是多线程安全的。

Copy更健康

除了NSArray之外,还有其他集合类NSSet,NSDictionary等,NSString本质上也是个集合,对于这些状态的处理,copy可以让他们更加安全。

宗旨是避免共享状态,这不仅仅是出于多线程场景的考虑,即使是在UI线程中维护状态,在一个较长的时间跨度内状态也可能出现意料之外的变化,而copy能隔绝这种变化带来的副作用。

当然copy也不是没有代价的,最明显的代价是内存方面的额外开销,一个含有100个元素的array,如果copy一份的话,在64位系统下,会多出800个字节的空间。这也是为什么Swift只有在write的时候才copy,如果只是读操作,就不会产生copy额外的内存开销。但综合来看,这点内存开销和我们程序的稳定性比起来,几乎可以忽略不计。在维护状态的时候多使用copy,让我们的函数符合Functional Programming当中的纯函数标准,会让我们的代码更加稳定。

总结

学习Swift的时候,如果细心观察,可以发现其他很多地方,也有Swift避免共享同一块内存区域的语法特性。要能真正理解这些语言背后的机制,说到底还是在于我们对于memory layout的理解。

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关于作者:MrPeak

iOS程序员,2010年开始接触iOS,喜欢折腾移动端架构,创业中。 个人主页 · 我的文章 · 23

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