汇编带你深入了解String类型底层数据结构

字符串作为最基础的数据类型,在程序开发中使用最为频繁,是每一个程序员必须掌握的基础,但是又有多少程序员知道它的工作原理呢?
作为一名合格的程序员,知其然,当然也要知其所以然!
一、思考

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在 Swift 开发使用字符串的过程中,你是否有思考过以下问题?

  • 1 个字符串变量占用多少内存?
  • 字符串 str1、str2 的底层存储有什么不同?

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  • 如果对 str1、str2 进行拼接操作,str1、str2 的底层存储又会发生什么变化?
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如果你能准确地回答以上问题,那说明对 Swift 字符串的底层存储机制还是比较了解的。

二、1 个字符串变量占用多少内存?

方法 1:MemoryLayout

首先,可以借助 Swift 自带的 MemoryLayout 来测试一下

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方法 2:汇编

另外,我们也可以借助一个强有力的底层分析助手—汇编语言,来窥探一下 String 的底层存储

  • 实际上分析其他语法、系统库的底层,都可以借助汇编语言

    • 比如多态的原理、泛型的原理、Array 的底层、枚举的底层等等
  • 另外,不仅仅是 Swift,C、C++、OC 的底层分析,依然可以借助汇编语言

    • 毕竟你写的每一行有效代码,最终都是要转成机器指令(0 和 1)
    • 而机器指令是跟汇编指令一一对应的,每一条机器指令都能翻译成与之对应的汇编指令
    • 能读懂汇编指令,就相当于能读懂机器指令,知道 CPU 具体在干嘛(操作了什么寄存器,操作了哪块内存)
  • 本教程的代码是直接跑在 Mac 的命令行(CommandLineTools)项目上
    • 因此展示的汇编代码是基于 X64 的 AT&T 格式汇编,并非 iOS 真机设备的 ARM 汇编
    • 其实不同种类的汇编之间有极大的相似性,只是有些指令的叫法不一样

跟微软的 Visual Studio 一样,Xcode 也内置了非常方便的反汇编功能,可以轻松查看每一句代码对应的汇编指令,打开反汇编界面的步骤如下

  • 在某一行需要调试的代码打上断点(反汇编界面会在断点调试状态下显示出来)

  • 菜单:Debug > Debug Workflow > Always Show Disassembly

    • Assembly 译为汇编, Disassembly 译为反汇编
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  • 运行程序,看到反汇编界面

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如果你的反汇编经验十足,根据第 16、17 行的汇编就可以推敲出来,String 是占用 16 个字节

  • 因为它用了 rax、rdx 寄存器存放字符串 str 的内容,而 rax、rdx 都是 8 字节的

汇编的内容太多了,因为时间和篇幅关系,文章里并不会对每一句汇编指令进行详细地讲解,更多的是想说明汇编的重要性。

三、字符串的底层存储

窥探内存

此前我写了个可以窥探 Swift 变量内存的小工具:https://github.com/CoderMJLee/Mems

  • 现在用它来窥探下字符串的 16 字节里面,究竟存储着什么数据

  • Mems.memStr(ofVal:) 默认情况下按照 8 个字节一组来显示内存数据

  • 传递参数 alignment: .one 是按照 1 个字节一组来显示内存数据

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字符 '0'~'9' 的 ASCII 值是 0x30~0x39,认真观察最初 str1 的 16 个字节数据,你发现了什么?

  • 它直接将所有字符的 ASCII 值存储在 str1 的 16 字节中

  • 最后 1 个字节 0xea 中的 0xa 就是字符的数量,也是共 10 个字符

拼接
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可以发现,当对 str1 进行拼接 "ABCDE" 的时候

  • 它最终是将 "0123456789ABCDE"十五个字符的 ASCII 值都存储在了 str1 的 16 字节中

  • 最后 1 个字节 0xef 中的 0xf 就是字符的数量,也是共 15 个字符

  • 可以看得出来,目前 16 个字节已经存满了,那如果再拼接 1 个字符呢?

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可以看到,str1 里面存储的数据发生了非常大的变化,每一个字符的 ASCII 值不见了,

  • 那里面的 16 字节具体是什么含义呢?

  • 所有字符('0'~'9'、'A' 到 'F')的 ASCII 值又存到哪去了呢?

    其他情况

如果一开始初始化的时候(未拼接之前),字符串的内容就是超过 15 个字符呢?

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相信你能猜到是这个结果

  • 这 16 个字节里面并没有出现任何一个字符的 ASCII 值
  • 而且这 16 个字节跟 第27行的str1 还是有所区别
    • 虽然它们的字符串内容都是"0123456789ABCDEF"

如果对 str2 进行拼接操作

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不难发现:这时 str2 的 16 字节又发生了变化,跟 第27行的str1 是有点相似的

如何解决上述疑问?

上述的种种疑问,光看打印出来的内存数据是无法解决的,但是都可以利用【!!!汇编!!!】来解决,分析汇编指令,立马就得出结论,因为文章的篇幅有限,平时工作也比较忙,我把上述问题的详细剖析过程录制成了长达 2 个多小时的视频,有兴趣的朋友可以用 1.5~2 倍速度观看

  • 链接:https://pan.baidu.com/s/1AkS3K1ZKP8zyxhlhLRaBkA

    • 提取码:kzrk
  • 视频对于没有汇编基础的朋友来说,可能会有点难度,最好挑一个头脑清醒的时间去观看

  • 看完视频后,希望大家能够确切地感受到汇编语言的重要性,不要永远只停留在编写高级语言代码、沉迷于语法糖的层面。

四、最后

看到这里,相信你已经知道了从汇编的角度去理解String的工作原理,但汇编不仅可以在你的工作领域给你提供帮助,也可以让你在日常娱乐生活中充当大神!

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文章题目:汇编带你深入了解String类型底层数据结构
本文来源:http://scjbc.cn/article/jshhpo.html

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