字符串作爲最基礎的數據類型,在程序開發中使用最爲頻繁,是每一個程序員必須掌握的基礎,但是又有多少程序員知道它的工作原理呢?
作爲一名合格的程序員,知其然,當然也要知其所以然!
一、思考
在 Swift 開發使用字符串的過程中,你是否有思考過以下問題?
- 1 個字符串變量佔用多少內存?
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字符串 str1、str2 的底層存儲有什麼不同?
- 如果對 str1、str2 進行拼接操作,str1、str2 的底層存儲又會發生什麼變化?
如果你能準確地回答以上問題,那說明對 Swift 字符串的底層存儲機制還是比較瞭解的。
二、1 個字符串變量佔用多少內存?
方法 1:MemoryLayout
首先,可以藉助 Swift 自帶的 MemoryLayout 來測試一下
方法 2:彙編
另外,我們也可以藉助一個強有力的底層分析助手—彙編語言,來窺探一下 String 的底層存儲
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實際上分析其他語法、系統庫的底層,都可以藉助彙編語言
- 比如多態的原理、泛型的原理、Array 的底層、枚舉的底層等等
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另外,不僅僅是 Swift,C、C++、OC 的底層分析,依然可以藉助彙編語言
- 畢竟你寫的每一行有效代碼,最終都是要轉成機器指令(0 和 1)
- 而機器指令是跟彙編指令一一對應的,每一條機器指令都能翻譯成與之對應的彙編指令
- 能讀懂彙編指令,就相當於能讀懂機器指令,知道 CPU 具體在幹嘛(操作了什麼寄存器,操作了哪塊內存)
- 本教程的代碼是直接跑在 Mac 的命令行(CommandLineTools)項目上
- 因此展示的彙編代碼是基於 X64 的 AT&T 格式彙編,並非 iOS 真機設備的 ARM 彙編
- 其實不同種類的彙編之間有極大的相似性,只是有些指令的叫法不一樣
跟微軟的 Visual Studio 一樣,Xcode 也內置了非常方便的反彙編功能,可以輕鬆查看每一句代碼對應的彙編指令,打開反彙編界面的步驟如下
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在某一行需要調試的代碼打上斷點(反彙編界面會在斷點調試狀態下顯示出來)
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菜單:
Debug
>Debug Workflow
>Always Show Disassembly
Assembly
譯爲彙編,Disassembly
譯爲反彙編
- 運行程序,看到反彙編界面
如果你的反彙編經驗十足,根據第 16、17 行的彙編就可以推敲出來,String 是佔用 16 個字節
- 因爲它用了 rax、rdx 寄存器存放字符串 str 的內容,而 rax、rdx 都是 8 字節的
彙編的內容太多了,因爲時間和篇幅關係,文章裏並不會對每一句彙編指令進行詳細地講解,更多的是想說明彙編的重要性。
三、字符串的底層存儲
窺探內存
此前我寫了個可以窺探 Swift 變量內存的小工具:https://github.com/CoderMJLee/Mems
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現在用它來窺探下字符串的 16 字節裏面,究竟存儲着什麼數據
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Mems.memStr(ofVal:)
默認情況下按照 8 個字節一組來顯示內存數據 - 傳遞參數
alignment: .one
是按照 1 個字節一組來顯示內存數據
字符 '0'~'9' 的 ASCII 值是 0x30~0x39,認真觀察最初 str1 的 16 個字節數據,你發現了什麼?
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它直接將所有字符的 ASCII 值存儲在 str1 的 16 字節中
- 最後 1 個字節 0xea 中的 0xa 就是字符的數量,也是共 10 個字符
拼接
可以發現,當對 str1 進行拼接 "ABCDE" 的時候
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它最終是將 "0123456789ABCDE"十五個字符的 ASCII 值都存儲在了 str1 的 16 字節中
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最後 1 個字節 0xef 中的 0xf 就是字符的數量,也是共 15 個字符
- 可以看得出來,目前 16 個字節已經存滿了,那如果再拼接 1 個字符呢?
可以看到,str1 裏面存儲的數據發生了非常大的變化,每一個字符的 ASCII 值不見了,
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那裏面的 16 字節具體是什麼含義呢?
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所有字符('0'~'9'、'A' 到 'F')的 ASCII 值又存到哪去了呢?
其他情況
如果一開始初始化的時候(未拼接之前),字符串的內容就是超過 15 個字符呢?
相信你能猜到是這個結果
- 這 16 個字節裏面並沒有出現任何一個字符的 ASCII 值
- 而且這 16 個字節跟
第27行的str1
還是有所區別- 雖然它們的字符串內容都是"0123456789ABCDEF"
如果對 str2 進行拼接操作
不難發現:這時 str2 的 16 字節又發生了變化,跟 第27行的str1
是有點相似的
如何解決上述疑問?
上述的種種疑問,光看打印出來的內存數據是無法解決的,但是都可以利用【!!!彙編!!!】來解決,分析彙編指令,立馬就得出結論,因爲文章的篇幅有限,平時工作也比較忙,我把上述問題的詳細剖析過程錄製成了長達 2 個多小時的視頻,有興趣的朋友可以用 1.5~2 倍速度觀看
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鏈接:https://pan.baidu.com/s/1AkS3K1ZKP8zyxhlhLRaBkA
- 提取碼:kzrk
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視頻對於沒有彙編基礎的朋友來說,可能會有點難度,最好挑一個頭腦清醒的時間去觀看
- 看完視頻後,希望大家能夠確切地感受到彙編語言的重要性,不要永遠只停留在編寫高級語言代碼、沉迷於語法糖的層面。
四、最後
看到這裏,相信你已經知道了從彙編的角度去理解String的工作原理,但彙編不僅可以在你的工作領域給你提供幫助,也可以讓你在日常娛樂生活中充當大神!比如你還能玩轉軟件破解、外掛等,這是我此前用【彙編\C++】編寫的一個外掛:https://github.com/CoderMJLee/SeemygoPVZCheater
這些都只是編程中的一個小版塊,奈何篇幅有限,但內容無限,想要獲取更多免費學習資源及乾貨,手動添加微信:19950277730!
帶你一起在編程的世界裏,升級打怪!