Swift之通過減少動態派發來提升性能


Swift是OO(面向對象)的語言,所以少不了方法和屬性的重載等特性,程序只能在運行時來確定具體的方法或屬性來間接調用或間接訪問,這就叫做動態派發。從性能上考慮,對于動態派發的方法,會有常量時間的運行時開銷。接下來將介紹三種方法來移除這樣的動態性,finalprivate,全模塊優化(Whole Module Optimization),以此提升性能。

考慮下面的例子:

class ParticleModel {
    var point = ( 0.0, 0.0 )
    var velocity = 100.0

    func updatePoint(newPoint: (Double, Double), newVelocity: Double) {
        point = newPoint
        velocity = newVelocity
    }

    func update(newP: (Double, Double), newV: Double) {
        updatePoint(newP, newVelocity: newV)
    }
}

var p = ParticleModel()
for i in stride(from: 0.0, through: 360, by: 1.0) {
    p.update((i * sin(i), i), newV:i*1000)
}

如上述代碼所示,調用過程為:

  1. 調用變量pupdate方法。
  2. 調用pupdatePoint方法。
  3. 獲取p的元組類型變量point
  4. 獲取p的屬性velocity。

由于ParticleModel可以被子類,所以其方法和屬性就能被重載,這就不可避免的需要使用動態調用。

在Swift中,動態調用是通過在一個方法表中找到方法然后執行間接的調用(類似于C++的虛函數表),對于這種先查找再調用的過程,其效率是要低于方法的直接調用,而且間接調用會阻止許多編譯器優化,這將加重間接調用的開銷。接下來將列舉一些技巧來禁用動態派發的行為,以達到提升性能的目的。

當屬性、方法、或類不需要被重載時,可在其聲明的地方加上final關鍵字

在屬性,方法或類聲明時加上final關鍵字,表示其不能被重載,這將允許編譯器安全的移除動態派發。如下代碼所示,pointvelocity將直接從對象的存儲屬性中加載,updatePoint()方法將被直接調用;另外,update()依然會通過動態派發的方式來調用,這樣,ParticleModel的子類就可以重載update()來自定義實現。

class ParticleModel {
    final var point = ( x: 0.0, y: 0.0 )
    final var velocity = 100.0

    final func updatePoint(newPoint: (Double, Double), newVelocity: Double) {
        point = newPoint
        velocity = newVelocity
    }

    func update(newP: (Double, Double), newV: Double) {
        updatePoint(newP, newVelocity: newV)
    }
}

除了上面所示,在屬性和方法聲明前加final關鍵字,還可以直接在類上加final,表示該類將不能作為父類被子類化,隱含的表明該類的所有的方法和屬性都是final的。

final class ParticleModel {
    var point = ( x: 0.0, y: 0.0 )
    var velocity = 100.0
    // ...
}

在屬性、方法、或類聲明前加private關鍵字,將限制其只能在同一個文件中被引用

在聲明前加private關鍵字,將限制其只能在當前文件中被引用,這將允許編譯器在當前文件中找到所有潛在的重載聲明,編譯器會對這些private關鍵字的方法或屬性進行優化,移除間接的方法調用以及屬性訪問。

假設在當前文件中沒有類重載ParticleModel,那么編譯器將移除所有帶有private聲明的動態派發調用。

class ParticleModel {
    private var point = ( x: 0.0, y: 0.0 )
    private var velocity = 100.0

    private func updatePoint(newPoint: (Double, Double), newVelocity: Double) {
        point = newPoint
        velocity = newVelocity
    }

    func update(newP: (Double, Double), newV: Double) {
        updatePoint(newP, newVelocity: newV)
    }
}

如上代碼所示,pointvelocity將直接訪問,updatePoint()方法也將直接被調用,而update()方法由于沒有加private關鍵字,依然是只能間接調用。
同樣,private可以加在類的聲明前,等同于類的所有方法和屬性都將加上private關鍵字。

private class ParticleModel {
    var point = ( x: 0.0, y: 0.0 )
    var velocity = 100.0
    // ...
}

在使用internal的聲明中通過使用Whole Module Optimization來隱式的推斷出final

默認的情況下,Xcode將單獨編譯源文件,這會限制編譯器優化的程度,Xcode 7后,增加了Whole Module Optimization選項,它能允許編譯器在同一個模塊(Module)中分析所有的源文件來進行優化,可以在Xcode的Building Settings中開啟該選項,如下圖所示。

在開啟Whole Module Optimization選項,且聲明為internal(默認級別)的情況下,模塊的所有文件將同時被編譯,這將允許編譯器對整個模塊一起分析,并對沒有被重載且聲明為internal級別的類、方法或屬性添加final關鍵字。
如下代碼所示,我們修改一下ParticleModel類,添加public關鍵字:

public class ParticleModel {
   var point = ( x: 0.0, y: 0.0 )
   var velocity = 100.0

   func updatePoint(newPoint: (Double, Double), newVelocity: Double) {
       point = newPoint
       velocity = newVelocity
   }

   public func update(newP: (Double, Double), newV: Double) {
       updatePoint(newP, newVelocity: newV)
   }
}

var p = ParticleModel()
for i in stride(from: 0.0, through: times, by: 1.0) {
   p.update((i * sin(i), i), newV:i*1000)
}

如上代碼,當開啟Whole Module Optimization選項的情況下,編譯器能在屬性point,velotity,以及updatePoint()方法上推斷出final,既相當于在pointvelocityupdatePoint()聲明前加上final關鍵字,而update()方法由于是public級別,所以無法推斷出final關鍵字,其仍將是間接調用。

總結:

  • 當使用privatefinal關鍵字,或者在開啟Whole Module Optimization選項,聲明為internal級別的沒有被重載的方法下,將直接調用,在編譯時確定。
  • 運行時決定的動態派發的情形包括:
    • 繼承自NSObject或者方法有@objc前綴。
    • 使用Swift的方法表的方式,除去上述情況下,將采用這種方式。
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