Swift从入门到精通第二十二篇 - 内存安全（Memory Safety）初识

2024-02-26 12:33:46

内存安全（Memory Safety）（学习笔记）

环境Xcode 11.0 beta4 swift 5.1
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前言
- 默认情况下，Swift会阻止在你代码中的不安全行为，例如：变量没初始化前不可使用、被销毁的内存不可访问、数组索引越界检查会报错；Swift也能确保在代码修改内存中值时将会独占该，从而确保多处同时访问相同内存时不会冲突。因为Swift自动管理内存，大部时候不需要去关心内存的访问；但了解潜在的内存冲突很重要，这样可以在写代码避免；如果代码包含了冲突，将可能在编译或运行时出现错误。
理解内存访问冲突
- 下面是内存的读和写
```
// write memory
var one = 1
// read memory
print("We'er number \(one)!")
```
- 内存冲突可能发生在不同部分代码访问相同内存时发生，下图中的 Before During After 来说明这个问题
- Before 和 After 状态访问时将获得正确的答案
- 在 During 状态时是一个瞬时的状态，当添加物品时，总价可能还没来得及更改，此时访问可能得到不正确的答案
- 有时候修复冲突的方法有多种，而且在修复之前要搞清楚你的需求是什么，例如在本例中，是要访问5还是300

存储器访问特性，主要有3个特性：一、访问是读还是写；二、访问的持续时间；三、被访问的内存位置；如果有两个访问满足以下条件将会发生冲突
- 至少有一个写访问
- 访问同一块内存
- 访问时间有重叠
读访问和写访问还是有区别的，读要改变内存而写不需要；内存访问可以是瞬时的也可是持续的，如果其它代码无法在访问开始之后且在访问结束之前运行，则访问是瞬时的
从本质上讲，瞬时访问不可能同时发生的，大多数访问是即时的。示例如下：
```
func oneMore(than number: Int) -> Int {
    return number + 1
}
//
var myNumber = 1
myNumber = oneMore(than: myNumber)
print(myNumber)
// Prints "2"
```
有多种方法访问内存，跨度超过其它代码的执行，这叫持续访问；一个持续访问可以与其它持续访问或瞬时访问发生重叠；这种重叠主要发生在 in-out 参数和结构体的 mutating 方法

in-out 参数访问冲突

示例如下

var stepSize = 1;
func increment(_ number: inout Int){
    number += stepSize
}
increment(&stepSize)
// Error: conflicting access to stepSize
// 此处读访问与写时有重叠，如下图

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// 解决冲突的方法
// Make an explicit copy.
var copyOfStepSize = stepSize
increment(&copyOfStepSize)
// Update the original.
stepSize = copyOfStepSize
// stepSize is now 2

将同一个变量作为同一个函数的多个 in-out 参数传递会发生冲突
swift func balance(_ x: inout Int, _ y: inout Int) { let sum = x + y x = sum / 2 y = sum - x } var playerOneScore = 42 var playerTwoScore = 30 balance(&playerOneScore, &playerTwoScore) // OK balance(&playerOneScore, &playerOneScore) // Error: conflicting accesses to playerOneScore

方法内访问self冲突

示例

struct Player {
    var name: String
    var health: Int
    var energy: Int
    static let maxHealth = 10
    mutating func restoreHealth() {
        health = Player.maxHealth
    }
}
extension Player {
    mutating func shareHealth(with teammate: inout Player) {
        balance(&teammate.health, &health)
    }
}
//
var oscar = Player(name: "Oscar", health: 10, energy: 10)
var maria = Player(name: "Maria", health: 5, energy: 10)
oscar.shareHealth(with: &maria)  // OK 访问的内存不同，如下图
oscar.shareHealth(with: &oscar)
// Error: conflicting accesses to oscar 如下下图

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访问属性时冲突

像结构体、元组、枚举是独立的值，因为它们是值类型，读或者写都是整一块内存的访问，如下访问元组的元素

var playerInformation = (health: 10, energy: 20)
balance(&playerInformation.health, &playerInformation.energy)
// Error: conflicting access to properties of playerInformation

访问结构体属性

var holly = Player(name: "Holly", health: 10, energy: 10)
balance(&holly.health, &holly.energy)  // Error
// 但下面的情况是可以的，如果上面的变量 holly 是局部变量而不是全局变量，编译器可以证明这种重复访问是安全的，因为两个存储属性的内存不可能有交叉
func someFunction() {
    var oscar = Player(name: "Oscar", health: 10, energy: 10)
    balance(&oscar.health, &oscar.energy)  // OK
}

当满足以下几点时，SWift编译器可以保证重复访问结构体属性时是安全的
只访问存储属性，不访问计算属性和类型属性
结构体变量是一个局部变量，非全局变量
结构体既没有被闭包捕获也没有非逃逸闭包捕获

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内存安全（Memory Safety）（学习笔记）

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