Swift Runtime的核心能力与实践

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 2025/02/13 

一. 概述

对比OC（Objective-C）Swift 在设计上更强调安全性和性能，因此在动态特性上做了一些限制。同时为了兼容OC、支持自身的一些高级功能，保留了部分Runtime能力。

当Swift类继承自NSObject、或者使用@objc修饰时，这些类和成员会暴露给OC的runtime, 从而获取动态派发的能力。

二 . Runtime

2.1 swift 部分兼容OC

继承NSObject
使用@objc or dynamic修饰的成员强制启用动态派发。
与OC代码交互通过桥接机制实现互通。

2.2 swift runtime的核心能力

2.2.1 方法派发机制

静态派发
1. 编译时确定方法地址（struct/final class/private方法)
虚表派发
1. 通过类虚函数表查找（常规class 的实例方法）

动态派发

通过OC Runtime的消息机制（@objc和dynamic修饰）

class MyClass: NSObject {
    @objc dynamic dynamicMethod() {} 动态派发 支持KVO/SWizzling
    func staticMethod() {}  虚表派发
}

2.2.2 动态成员访问

通过@dynamicMemeberLookup和@dynamicCallable实现类似脚本语言的动态特性。

@dynamicMemberLookup
struct DynamicStruct {
    subscript(dynamicMember member: String) -> String {
        return "Accessed property: \(member)"
    }
}

let obj = DynamicStruct()
print(obj.hello) // 输出 "Accessed property: hello"

2.2.3 反射

通过Mirror实现有限的运行时类型检查：

let mirror = Mirror(reflecting: someInstance)
for child in mirror.children {
    print("Property: \(child.label ?? ""), Value: \(child.value)")
}

应用场景：调试日志、JSON序列化工具。

2.2.4 协议扩展与动态类型检查

协议扩展，在运行时根据类型动态分发方法实现。
类型检查（is/as?) 基于Runtime的类型信息判断。

protocol Drawable {
    func draw()
}
extension Circle: Drawable {
    func draw() { print("Drawing a circle") }
}

let shape: Any = Circle()
if let drawable = shape as? Drawable {
    drawable.draw() // 运行时动态调用具体实现
}

2.2.5 泛型特化 Generic Specialization

swift 编译器在编译时生成特定的泛型实现，避免Runtime开销。

1 2	func genericFunc<T>(_ value: T) -> T { ... } // 编译后生成 Int、String 等特定版本的函数

2.2.6 内存管理优化

Swift 的ARC :

结构体在栈上分配，无引用计数开销。
写时复制优化Array/Dictionary等集合类型的性能
弱引用优化 weak和unowned编译时检查。

2.2.7 objc_msgSend 执行流程

分为3步，消息发送、动态方法解析、消息转发。

消息发送

消息接收者为空直接返回，不处理。

通过消息接收者的isa指针从类对象开始查找。（类方法从元类查找）

从类的方法缓存列表找最近使用过的方法。快速查找。

快速查找没找到就走慢速查找，找类的方法列表。

没找到，就向父类找，重复上述过程，直到NSObject

动态方法解析

允许运行时动态增加方法。resolveInstanceMethod.

消息转发阶段

快速转发、forwardingTargetForSelector

完整转发 forwardInvocation

崩溃。

关于动态派发和静态派发边界的选择原因

Swift 中静态派发与动态派发的划分基于类型安全、继承机制和可见性控制，旨在平衡性能与灵活性。以下是具体原因：

一、静态派发的适用场景

1. 结构体（`struct`）

不可继承性：结构体是值类型，不支持继承，所有方法在编译时即可确定唯一实现，无需运行时查找。
值语义优化：直接操作栈内存，无引用计数开销，静态派发进一步提升效率。

2. `final` 类

禁止子类化：final 修饰的类无法被继承，其方法无法被重写（override）。
编译时确定性：方法实现唯一，编译器可直接内联或硬编码调用地址。

3. `private` 方法

作用域限制：仅在当前文件或类型内可见，外部无法覆盖或动态修改。
唯一性保证：编译器能确认方法不会被重写，可直接静态绑定。

二、动态派发的必要场景

1. 类实例方法

支持多态：普通类允许继承，子类可能重写父类方法（override），需运行时根据对象实际类型动态派发。
虚函数表（V-Table）：每个类维护一个方法表，运行时通过对象类型查找正确的方法实现。

2. 普通类方法（非 `final`）

类继承与重写：类方法（class func）可能被派生类重写，需动态派发。

示例：

class Animal {
    class func sound() { print("Animal sound") }
}
class Dog: Animal {
    override class func sound() { print("Bark") } // 需动态派发
}

3. `public` 方法

跨模块继承风险：public 方法可能被其他模块的类继承并重写，编译器无法预知所有实现。
动态绑定保障：确保跨模块调用时执行正确的方法版本。

三、设计哲学与性能权衡

1. 性能优先

静态派发高效：直接调用函数地址，无运行时开销，适合高频调用场景。
动态派发灵活：以轻微性能损失（查表或消息传递）换取多态支持。

2. 安全性约束

显式控制继承：通过 final 和访问控制符（如 private）限制动态派发范围，避免意外重写。
编译时优化：尽可能静态化已知不可变的方法，减少运行时不确定性。

3. 与 Objective-C 的兼容性

动态派发兼容性：@objc 或 dynamic 修饰的方法使用 Objective-C Runtime 的消息传递机制，支持 KVO、Swizzling 等特性。

四、示例对比

1. 静态派发示例

struct Point {
    var x, y: Double
    func distance() -> Double { // 静态派发
        return sqrt(x*x + y*y)
    }
}

final class Logger {
    private func log(_ message: String) { // 静态派发
        print("[LOG] \(message)")
    }
}

2. 动态派发示例

class Shape {
    func draw() { print("Drawing a shape") } // 动态派发（虚表）
}

class Circle: Shape {
    override func draw() { print("Drawing a circle") } // 运行时确定实现
}

public class NetworkManager {
    public func request() { // 动态派发（可能被其他模块重写）
        // 网络请求逻辑
    }
}

五、总结

静态派发：用于不可变场景（如值类型、不可继承类、私有方法），通过编译时优化提升性能。
动态派发：用于需支持多态的场景（如类继承、公开方法），确保运行时灵活性。

高级工程师需根据代码的扩展性和性能需求，合理选择类型（值类型 vs 引用类型）和方法修饰符（final、private），在灵活性与效率间找到最佳平衡。

Author：Ambrose

Link：http://ambrose1.github.io/2025/02/13/Swift-Runtime%E7%9A%84%E6%A0%B8%E5%BF%83%E8%83%BD%E5%8A%9B%E4%B8%8E%E5%AE%9E%E8%B7%B5/

Publish date：February 13th 2025, 4:20:38 pm

Update date：May 29th 2025, 2:58:44 pm

License：本文采用知识共享署名-非商业性使用 4.0 国际许可协议进行许可

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2. 2.2. 2.2 swift runtime的核心能力
3. 关于动态派发和静态派发边界的选择原因