【iOS】Swift系列六 - 结构体与类的本质区别

在Swift标准库中，绝大多数的公开类型都是结构体，而枚举和类只占很小一部分。

一、结构体

常见的Bool、Int、Double、String、Array、Dictionary等常见类型都是结构体。

自定义结构体：

struct Date {
    var year: Int;
    var month: Int;
    var day: Int;
}
var date = Date(year: 2019, month: 06, day: 02)

所有结构体都有一个编译器自动生成的初始化器（initializer、初始化方法、构造器、构造方法）。

Date(year: 2019, month: 06, day: 02)传入的是所有成员值，用来初始化所有成员（叫做存储属性）。

1.1. 结构体的初始化器

编译器会根据情况，可能会为结构体生成多个初始化器，宗旨是：保证所有成员都有初始值。

从上面案例可以看出，编译器帮助生成初始化器的条件就是：让所有存储属性都有值。

思考：下面的代码能否编译通过？

可选项都有个默认值nil，所以可以编译通过。

1.2. 自定义初始化器

一旦在定义结构体时自定义了初始化器，编译器就不会再帮它自动生成其他初始化器。

1.3. 探究结构体初始化器的本质

下面的两段代码是等效的：

代码一：

代码二：

经过对比发现，代码一和代码二的init方法完全一样。也就是说，存储属性的初始化是在初始化构造方法中完成的。

1.4. 结构体的内存结构

struct Point {
    var x = 10
    var y = 20
    var b = true
}
var p = Point()
print(Mems.memStr(ofVal: &p))
print(MemoryLayout<Point>.size)
print(MemoryLayout<Point>.stride)
print(MemoryLayout<Point>.alignment)

/*
 输出：
 0x000000000000000a 0x0000000000000014 0x0000000000000001
 17
 24
 8
 */

因为存储属性x和y各占8个字节（连续内存地址），Bool在内存中占用1个字节，所以Point一共占用17个字节，由于内存对齐是8，所以一共分配了24个字节。

二、类

类的定义和结构体类似，但编译器并没有为类自动生成可以传入成员值的初始化器。

定义类：

如果存储属性没有初始值，无参的初始化器也不会自动生成：

如果把上面的类换成结构体（struct）类型就不会报错：

2.1. 类的初始化器

如果类的所有成员都在定义的时候指定了初始值，编译器会为类生成无参的初始化器。

成员的初始化是在这个初始化器中完成的。

下面的两段代码是等效的：
代码一：

class Point {
    var x: Int = 0
    var y: Int = 0
}

var p1 = Point()

代码二：

class Point {
    var x: Int
    var y: Int
    init() {
        self.x = 0
        self.y = 0
    }
}

var p1 = Point()

三、结构体与类的本质区别

结构体时值类型（枚举也是值类型），类是引用类型（指针类型）。

3.1. 内存分析结构体与类

示例代码：

class Size {
    var width: Int = 1
    var height: Int = 2
}

struct Point {
    var x: Int = 3
    var y: Int = 4
}

func test() {
    var size = Size()
    print("class-size对象的内存",Mems.memStr(ofRef: size))
    print("class-size指针的内存地址",Mems.ptr(ofVal: &size))
    print("class-size对象的内存地址",Mems.ptr(ofRef: size))
    print("class-size.width的内存地址",Mems.ptr(ofVal: &size.width))
    print("class-size.height的内存地址",Mems.ptr(ofVal: &size.height))
    var point = Point()
    print("struct-point对象的内存",Mems.memStr(ofVal: &point))
    print("struct-point的内存地址",Mems.ptr(ofVal: &point))
    print("struct-point.x的内存地址",Mems.ptr(ofVal: &point.x))
    print("struct-point.y的内存地址",Mems.ptr(ofVal: &point.y))
}
test()
/*
 输出：
 class-size对象的内存 0x00000001000092a8 0x0000000200000002 0x0000000000000001 0x0000000000000002
 class-size指针的内存地址 0x00007ffeefbff4d0
 class-size对象的内存地址 0x000000010061fe80
 class-size.width的内存地址 0x000000010061fe90
 class-size.height的内存地址 0x000000010061fe98
 
 struct-point对象的内存 0x0000000000000003 0x0000000000000004
 struct-point的内存地址 0x00007ffeefbff470
 struct-point.x的内存地址 0x00007ffeefbff470
 struct-point.y的内存地址 0x00007ffeefbff478
 */

示例代码的在内存中：

经过分析可以看到，结构体的数据是直接存到栈空间的，类的实例是用指针指向堆空间的内存，指针在栈空间。上面示例代码中类的实例占用32个字节，其中前面16个字节分别存储指向类型信息和引用计数，后面16个字节才是真正用来存储数据的。而结构体占用的内存大小等于存储属性所占内存大小之和。

注意：在C语言中，结构体是不能定义方法的，但是在C++和Swift中，可以在结构体和类中定义方法。在64bit环境中，指针占用8个字节。

扩展：值类型（结构体、枚举）的内存根据所处的位置不同，内存的位置也不一样。例如，定义一个全局的结构体，内存在数据段（全局区）中；如果在函数中定义，内存存放在栈空间；如果在类中定义一个结构体，内存跟随对象在堆空间。

3.2. 汇编分析结构体与类

在Swift中，创建类的实例对象，要向堆空间申请内存，大概流程如下：

Class.__allocating_init()
libswiftCore.dylib:_swift_allocObject_
libswiftCore.dylib:swift_slowAlloc
libsystem_malloc.dylib:malloc

在Mac，iOS中的malloc函数分配的内存大小总是16的倍数（为了做内存优化）。

通过class_getInstanceSize可以得知类的对象真正使用的内存大小。

import Foundation

class Point {
    var x: Int = 3
    var y: Int = 4
    var b: Bool = true
}
var p = Point()
print(class_getInstanceSize(type(of: p)))
print(class_getInstanceSize(Point.self))
/*
 输出：
 40
 40
 */