Swift性能优化技巧与底层原理分析
2021-12-297.3k 阅读
1. 理解Swift的内存管理机制
Swift 采用自动引用计数（ARC, Automatic Reference Counting）来管理内存。ARC 在编译时自动插入内存管理代码，在对象不再被使用时释放其占用的内存。
- 引用计数原理：每个对象都有一个引用计数，当有新的强引用指向该对象时，引用计数加 1；当一个强引用不再指向该对象时，引用计数减 1。当引用计数变为 0 时，对象的内存被释放。
class Person {
let name: String
init(name: String) {
self.name = name
print("\(name) is being initialized")
}
deinit {
print("\(name) is being deinitialized")
}
}
var reference1: Person? = Person(name: "Alice")
var reference2 = reference1
reference1 = nil
reference2 = nil
// 输出：
// Alice is being initialized
// Alice is being deinitialized
在上述代码中，Person 类有一个 name 属性。init 方法在对象初始化时打印一条消息，deinit 方法在对象被销毁时打印一条消息。reference1 首先创建并持有 Person 对象的强引用，然后 reference2 也持有相同对象的强引用。当 reference1 和 reference2 都被设置为 nil 时，对象的引用计数降为 0，从而触发 deinit 方法，对象内存被释放。
- 循环引用问题及解决：循环引用会导致对象的引用计数永远不会降为 0，从而造成内存泄漏。例如，两个类相互持有强引用：
class Country {
let name: String
var capitalCity: City?
init(name: String) {
self.name = name
}
}
class City {
let name: String
var country: Country?
init(name: String) {
self.name = name
}
}
var france: Country? = Country(name: "France")
var paris: City? = City(name: "Paris")
france?.capitalCity = paris
paris?.country = france
france = nil
paris = nil
// 此时，France 和 Paris 对象的引用计数都不会降为 0，因为它们相互持有强引用
为了解决循环引用问题，Swift 提供了 weak 和 unowned 修饰符。weak 引用是一种弱引用，不会增加对象的引用计数，并且在对象被释放时会自动设置为 nil。unowned 引用也是一种弱引用，但不会自动设置为 nil，因此使用 unowned 时要确保对象在其生命周期内不会被释放。
class Country {
let name: String
var capitalCity: City?
init(name: String) {
self.name = name
}
}
class City {
let name: String
weak var country: Country?
init(name: String) {
self.name = name
}
}
var france: Country? = Country(name: "France")
var paris: City? = City(name: "Paris")
france?.capitalCity = paris
paris?.country = france
france = nil
paris = nil
// 此时，France 和 Paris 对象的引用计数会降为 0，因为 City 对 Country 的引用是 weak
2. 优化函数调用
- 内联函数：Swift 编译器可以将一些函数调用优化为内联函数，即在调用处直接插入函数体的代码，而不是进行传统的函数调用。这样可以减少函数调用的开销，提高性能。
编译器会自动决定哪些函数适合内联，但你也可以使用 @inline(__always) 或 @inline(never) 来强制编译器进行内联或禁止内联。
@inline(__always)
func add(_ a: Int, _ b: Int) -> Int {
return a + b
}
let result = add(3, 5)
// 编译器会将 add 函数内联，直接将 3 + 5 替换 add(3, 5)，减少函数调用开销
- 避免闭包捕获大量变量：闭包可以捕获其定义环境中的变量。然而，如果闭包捕获了大量变量，会增加内存占用和性能开销。
class DataManager {
let largeDataArray: [Int] = Array(repeating: 0, count: 100000)
func processData() {
let closure = { [weak self] in
guard let self = self else { return }
// 这里闭包捕获了 self，而 self 持有 largeDataArray
let sum = self.largeDataArray.reduce(0, +)
print("Sum: \(sum)")
}
closure()
}
}
let manager = DataManager()
manager.processData()
在上述代码中，闭包捕获了 self，而 self 持有一个很大的数组 largeDataArray。为了减少性能开销，可以使用 [weak self] 来避免强引用循环，并且只在闭包内使用需要的变量。
3. 集合类型优化
-
选择合适的集合类型：Swift 提供了多种集合类型，如
Array、Set和Dictionary。选择合适的集合类型对于性能至关重要。Array：适用于需要有序存储和频繁根据索引访问元素的场景。例如，存储用户的历史记录，因为顺序很重要，并且可能需要根据索引快速访问某条记录。
var userHistory: [String] = []
userHistory.append("Action 1")
userHistory.append("Action 2")
let action = userHistory[1]
Set：适用于需要快速判断元素是否存在，并且不需要保持元素顺序的场景。例如，判断用户是否已经点赞过某个帖子。
var likedPosts: Set<Int> = []
likedPosts.insert(123)
if likedPosts.contains(123) {
print("User has liked the post")
}
Dictionary：适用于需要通过键快速查找值的场景。例如，根据用户 ID 查找用户信息。
var userInfo: [Int: String] = [1: "Alice", 2: "Bob"]
let name = userInfo[1]
- 减少集合操作的开销：对集合进行操作时，尽量减少不必要的中间操作。例如，避免在循环中频繁修改集合的大小，因为这可能导致内存重新分配。
var numbers: [Int] = []
for i in 1...1000 {
numbers.append(i)
}
// 错误做法：在循环中删除元素，可能导致频繁的内存重新分配
for number in numbers {
if number % 2 == 0 {
if let index = numbers.firstIndex(of: number) {
numbers.remove(at: index)
}
}
}
// 正确做法：先过滤出需要保留的元素，再重新赋值
let filteredNumbers = numbers.filter { $0 % 2 != 0 }
numbers = filteredNumbers
4. 优化字符串操作
- 字符串拼接：在 Swift 中，使用
+运算符拼接字符串会创建新的字符串实例，性能较低。对于大量字符串的拼接，推荐使用String的append方法或StringBuilder类（需要自己实现或使用第三方库）。
// 性能较低的字符串拼接
var sentence1 = ""
for word in ["Hello", "world", "!"] {
sentence1 = sentence1 + word + " "
}
// 性能较高的字符串拼接
var sentence2 = ""
for word in ["Hello", "world", "!"] {
sentence2.append(word)
sentence2.append(" ")
}
- 字符串比较：使用
==运算符比较字符串时，Swift 会进行字符逐一比较。对于较长的字符串，这种比较方式可能性能较低。如果只需要判断字符串是否相等，可以考虑使用hashValue进行比较，因为hashValue的计算通常更快。
let longString1 = "a very long string that needs to be compared"
let longString2 = "a very long string that needs to be compared"
// 直接比较
if longString1 == longString2 {
print("Strings are equal")
}
// 使用 hashValue 比较
if longString1.hashValue == longString2.hashValue {
print("Strings might be equal")
}
需要注意的是，hashValue 可能会有哈希冲突，即不同的字符串可能有相同的 hashValue，所以最终确认字符串相等还需要使用 == 运算符。
5. 多线程与并发优化
-
GCD（Grand Central Dispatch）：GCD 是 Apple 提供的用于并发编程的技术，它基于队列来管理任务。通过合理使用 GCD，可以充分利用多核处理器的性能，提高应用程序的响应速度。
- 同步和异步任务：同步任务在当前线程执行，而异步任务在后台线程执行。例如，将一些耗时的计算任务放在异步队列中执行，以避免阻塞主线程。
DispatchQueue.global().async {
// 耗时计算任务
let result = (1...1000000).reduce(0, +)
DispatchQueue.main.async {
// 更新 UI
print("Result: \(result)")
}
}
- 队列优先级：GCD 提供了不同优先级的队列，如
DispatchQueue.global(qos:.userInteractive)用于用户交互相关的任务，DispatchQueue.global(qos:.userInitiated)用于用户发起的任务，DispatchQueue.global(qos:.background)用于后台任务等。合理设置队列优先级可以确保重要任务优先执行。
DispatchQueue.global(qos:.userInteractive).async {
// 处理用户交互相关的任务，如更新 UI 动画
}
- 线程安全：在多线程编程中，确保数据的线程安全非常重要。如果多个线程同时访问和修改相同的数据，可能会导致数据竞争和不一致。可以使用
DispatchQueue的同步方法来保证线程安全。
var sharedData = 0
let queue = DispatchQueue(label: "com.example.sharedDataQueue")
let group = DispatchGroup()
for _ in 1...10 {
group.enter()
queue.async {
sharedData += 1
group.leave()
}
}
group.wait()
print("Shared data: \(sharedData)")
在上述代码中，通过 DispatchQueue 来同步对 sharedData 的访问，确保每个线程对 sharedData 的修改是安全的。
6. 优化视图渲染
- 减少视图层级：视图层级过深会增加渲染的开销。尽量简化视图层级，避免不必要的嵌套。例如，在一个复杂的界面中，如果可以通过布局约束来实现相同的效果，就不要使用过多的容器视图。
// 不好的做法：过多的容器视图嵌套
let containerView1 = UIView()
let containerView2 = UIView()
let subView = UIView()
containerView2.addSubview(subView)
containerView1.addSubview(containerView2)
// 好的做法：减少容器视图，通过布局约束实现相同效果
let subView1 = UIView()
let subView2 = UIView()
let mainView = UIView()
mainView.addSubview(subView1)
mainView.addSubview(subView2)
// 设置布局约束
subView1.translatesAutoresizingMaskIntoConstraints = false
subView2.translatesAutoresizingMaskIntoConstraints = false
NSLayoutConstraint.activate([
subView1.topAnchor.constraint(equalTo: mainView.topAnchor),
subView1.leadingAnchor.constraint(equalTo: mainView.leadingAnchor),
subView2.topAnchor.constraint(equalTo: mainView.topAnchor),
subView2.trailingAnchor.constraint(equalTo: mainView.trailingAnchor)
])
- 使用
CATiledLayer进行大视图渲染：对于大型视图，如地图或长图片，可以使用CATiledLayer来进行分块渲染。CATiledLayer会将大视图分成多个小块，按需加载和渲染，从而提高性能。
import UIKit
import QuartzCore
class LargeImageView: UIView {
override class var layerClass: AnyClass {
return CATiledLayer.self
}
override func draw(_ rect: CGRect) {
guard let context = UIGraphicsGetCurrentContext() else { return }
// 绘制大图片或复杂图形
let image = UIImage(named: "largeImage")
image?.draw(in: rect)
}
}
在上述代码中，LargeImageView 的 layerClass 设置为 CATiledLayer，当视图需要绘制时，CATiledLayer 会根据需要分块调用 draw 方法，减少一次性渲染的压力。
7. 深入Swift的底层原理
-
Swift 编译器优化：Swift 编译器在编译过程中会进行多种优化，如常量折叠、死代码消除、循环优化等。
- 常量折叠：编译器会在编译时计算常量表达式的值，而不是在运行时计算。
let result = 3 + 5
// 编译器在编译时就会计算出 3 + 5 的结果为 8，而不是在运行时计算
- 死代码消除：编译器会删除永远不会执行的代码。
func someFunction() {
if false {
// 这段代码永远不会执行，编译器会将其删除
print("This is dead code")
}
print("This code will be executed")
}
- 循环优化：编译器会对循环进行优化，如循环展开、循环不变代码外提等。循环展开是将循环体展开成多个顺序执行的语句，减少循环控制的开销。循环不变代码外提是将循环中不依赖于循环变量的代码提取到循环外部。
// 循环展开示例
for i in 0..<4 {
print(i)
}
// 编译器可能会将其展开为
print(0)
print(1)
print(2)
print(3)
-
Swift 运行时：Swift 运行时提供了动态类型检查、内存管理、函数派发等功能。
- 动态类型检查：在运行时，Swift 会检查对象的实际类型，以确保方法调用的正确性。例如，在使用
is和as操作符时，运行时会进行类型检查。
- 动态类型检查：在运行时，Swift 会检查对象的实际类型，以确保方法调用的正确性。例如，在使用
class Animal {}
class Dog: Animal {}
let animal: Animal = Dog()
if animal is Dog {
let dog = animal as! Dog
// 这里运行时会检查 animal 是否实际为 Dog 类型
}
- 函数派发：Swift 支持静态派发和动态派发。静态派发在编译时确定调用哪个函数，性能较高；动态派发在运行时根据对象的实际类型确定调用哪个函数，提供了多态性。
class Shape {
func draw() {
print("Drawing a shape")
}
}
class Circle: Shape {
override func draw() {
print("Drawing a circle")
}
}
let shape: Shape = Circle()
shape.draw()
// 这里的 draw 方法调用是动态派发，运行时根据 shape 的实际类型（Circle）确定调用 Circle 的 draw 方法
通过深入理解 Swift 的底层原理，可以更好地进行性能优化，写出高效的 Swift 代码。在实际开发中，结合以上各种优化技巧和底层原理分析，能够显著提升 Swift 应用程序的性能。