深入了解Swift：通用实现

通用代码使您可以编写灵活，可重用的函数和类型，这些函数和类型可以根据您定义的要求与任何类型一起使用。 您可以编写避免重复的代码，并以清晰抽象的方式表达其意图。 -Swift文档

在Swift上写的每个人都使用泛型。 Array ， Dictionary ，Set-使用标准库中泛型的最基本选项。 它们如何在内部表示？ 让我们看看苹果工程师如何实现该语言的基本功能。

泛型参数可以受协议限制，也可以不受限制，尽管从根本上说，泛型与协议结合使用，协议描述了方法参数或类型字段可以精确执行的操作。

为了实现泛型，Swift使用两种方法：

1. 运行时-通用代码是包装器（装箱）。
2. 编译时-通用代码被转换为特定类型的代码以进行优化（Specialization）。

装箱

考虑一个带有无限协议通用参数的简单方法：

 func test<T>(value: T) -> T { let copy = value print(copy) return copy } 

迅捷的编译器创建了一个代码块，该代码块将被调用以与任何<T> 。 也就是说，无论我们编写test(value: 1)还是test(value: "Hello") ，都将调用相同的代码，并且有关<T>类型的信息（包含所有必要的信息）将被转移到方法中。

这种无限制的协议参数几乎无济于事，但已经实现了此方法，您需要知道如何复制参数，需要知道其大小才能在运行时为其分配内存，需要知道如何在参数离开字段时销毁它能见度。 Value Witness Table （ VWT ）用于存储此信息。 VWT是在编译阶段为所有类型创建的，编译器保证在运行时只有这样的对象布局。 让我提醒您，Swift中的结构是按值传递的，而类则是按引用传递的，因此，对于let copy = value以及T == MyClass和T == MyStruct进行的操作将有所不同。

也就是说，通过传递已声明的结构来调用test方法最终将看起来像这样：

 //  ,  metadata   let myStruct = MyStruct() test(value: myStruct, metadata: MyStruct.metadata) 

当MyStruct本身是通用结构并且采用MyStruct<T>的形式时，事情会变得更加复杂。 根据MyStruct内部的<T> ，对于MyStruct<Int>和MyStruct<Bool>类型，元数据和VWT将有所不同。 这是运行时的两种不同类型。 但是，为MyStruct和T每种可能组合创建元数据效率极低，因此Swift采取了另一种方式，在这种情况下，可以在运行时在运行时构造元数据。 编译器为通用结构创建一个元数据模式，该元数据模式可以与特定类型组合，从而在运行时以正确的VWT接收完整的类型信息。

 //   ,  metadata   func test<T>(value: MyStruct<T>, tMetadata: T.Type) { //       let myStructMetadata = get_generic_metadata(MyStruct.metadataPattern, tMetadata) ... } let myStruct = MyStruct<Int>() test(value: myStruct) //   test(value: myStruct, tMetadata: Int.metadata) //      

当我们组合信息时，我们将获得可以使用的元数据（复制，移动，销毁）。

将协议限制添加到泛型时，它仍然有些复杂。 例如，我们将<T>限制为Equatable协议。 让它成为比较传递的两个参数的非常简单的方法。 结果只是比较方法的包装。

 func isEquals<T: Equatable>(first: T, second: T) -> Bool { return first == second } 

为了使程序正常工作，您必须具有一个指向比较方法static func ==(lhs:T, rhs:T)的指针。 如何获得？ 显然， VWT传输VWT不够的，它不包含此信息。 为了解决此问题，有一个Protocol Witness Table或PWT 。 该VWT类似于VWT ，是在协议的编译阶段创建的，并描述了这些协议。

 isEquals(first: 1, second: 2) //   //     isEquals(first: 1, // 1 second: 2, metadata: Int.metadata, // 2 intIsEquatable: Equatable.witnessTable) // 3 

1. 传递了两个论点
2. 传递Int元数据，以便您可以复制/移动/销毁对象
3. 我们传递Int实现Equatable的信息。

如果该限制要求实现另一个协议，例如T: Equatable & MyProtocol ，则将使用以下参数添加有关MyProtocol信息：

 isEquals(..., intIsEquatable: Equatable.witnessTable, intIsMyProtocol: MyProtocol.witnessTable) 

使用包装器来实现泛型可以使您灵活地实现所有必需的功能，但是开销可以优化。

通用专业化

为了消除在程序执行期间获取信息的不必要需求，使用了所谓的通用专业化方法。 它允许您使用具有特定实现的特定类型替换通用包装。 例如，对于两次调用isEquals(first: 1, second: 2)和isEquals(first: "Hello", second: "world")调用，除了主要的“包装器”实现外，还有另外两个版本完全不同的Int和对于String 。

源代码

首先，创建一个generic.swift文件并编写一个我们将考虑的小的通用函数。

 func isEquals<T: Equatable>(first: T, second: T) -> Bool { return first == second } isEquals(first: 10, second: 11) 

现在，您需要了解它最终变成编译器的原因。
通过使用Swift Intermediate Language或SIL编译.swift文件，可以清楚地看到这一点。

关于SIL和编译过程的一些知识

SIL是快速编译的几个阶段之一的结果。

源代码.swift被传递给Lexer，后者创建该语言的抽象语法树（ AST ），并基于该树执行代码的类型检查和语义分析。 SilGen将AST转换为SIL ，称为raw SIL ，在此基础上对代码进行了优化canonical SIL获得了优化的canonical SIL ，并将其传递给IRGen转换为IR - LLVM理解为一种特殊格式，该格式将转换为 , . .o , . , . SIL` , . 。

再次泛型

从我们的源代码创建SIL文件。

 swiftc generic.swift -O -emit-sil -o generic-sil.s 

我们得到一个扩展名为*.s的新文件。 从内部看，我们将看到比原始代码更少的可读性代码，但是仍然相对清晰。

找到带有注释的行// isEquals<A>(first:second:) 。 这是我们方法描述的开始。 它以注释// end sil function '$s4main8isEquals5first6secondSbx_xtSQRzlF' 。 您的名字可能略有不同。 让我们分析一下方法描述。

• 第21行的%0和%1分别是first和second参数
• 在第24行，我们获得类型信息并将其传递给%4
• 在第25行，我们从类型信息中获得了一个指向比较方法的指针
• 在第26行上，我们通过指针调用该方法，并同时传递了参数和类型信息
• 在第27行，我们给出结果。

结果，我们看到：为了在通用方法的实现中执行必要的动作，我们需要在程序执行期间从类型<T>的描述中获取信息。

我们直接进行专业化。

在已编译的SIL文件中，在常规isEquals方法的声明之后，紧随其后的是Int类型专用的声明。

在第39行，不是从运行时从类型信息中获取方法，而是立即调用了比较整数"cmp_eq_Int64"的方法。

为了使该方法“专业化”，必须启用优化 。 您还需要知道

仅当通用声明的定义在当前模块（ 源 ）中可见时，优化器才能执行专门化

也就是说，该方法不能在不同的Swift模块之间专用（例如，来自Cocoapods库的通用方法）。 标准Swift库是一个例外，其中包含Array ， Set和Dictionary等基本类型。 基础库的所有泛型都专门针对特定类型。

注意：在Swift 4.2中，实现了@inlinable和@usableFromInline属性，该属性使优化器可以查看其他模块中的方法主体，并且似乎有机会对其进行专门化，但是我未对此行为进行测试（ Source ）

参考文献

1. 泛型说明
2. Swift中的优化
3. 关于该主题的更详细和深入的介绍。
4. 英文文章