面试题：Swift底层原理与性能优化的结合

Question

Swift的结构体和类在底层实现上有什么区别？这种区别如何影响性能？请举例说明在哪些场景下选择结构体而不是类，能获得更好的性能，并阐述原因。

Answer 1

底层实现区别

1. 存储方式：
   • 结构体：结构体是值类型，它的实例存储在栈中（在某些复杂情况下，可能在堆上分配，但逻辑上仍遵循值类型语义）。当结构体实例被传递或赋值时，整个结构体的内容会被复制。
   • 类：类是引用类型，类的实例存储在堆中，栈中只存储指向堆中实例的引用。当类的实例被传递或赋值时，只是引用被复制，而非实例本身。
2. 内存管理：
   • 结构体：由于结构体是值类型，其内存管理由栈的自动分配和释放机制完成。当结构体离开其作用域时，它所占用的内存会自动被释放。
   • 类：类需要使用ARC（自动引用计数）来管理内存。ARC通过跟踪指向类实例的引用数量来决定何时释放实例所占用的堆内存。当对实例的引用计数降为0时，ARC会自动释放该实例的内存。

对性能的影响

1. 值类型复制开销：
   • 结构体：由于结构体在传递和赋值时会进行内容复制，如果结构体包含大量数据，这种复制操作可能会带来较高的性能开销。例如，一个包含大数组的结构体，每次传递或赋值都要复制整个数组。
   • 类：类传递和赋值只是复制引用，开销较小。所以在频繁传递较大数据结构的场景下，类在这方面性能较好。
2. 内存管理开销：
   • 结构体：栈上的内存管理相对简单高效，不需要额外的引用计数操作。
   • 类：ARC虽然简化了手动内存管理，但引用计数的维护需要一定的开销，例如每次引用计数的增加和减少都需要额外的操作。

选择结构体获得更好性能的场景及原因

1. 小型、简单的数据结构：
   • 场景：例如表示一个二维坐标点的 Point 结构体，struct Point { var x: Int; var y: Int }。
   • 原因：这种结构体数据量小，复制开销低，而且由于是值类型，在栈上分配和释放内存高效，并且值类型语义可以避免一些由于引用共享带来的潜在错误，例如意外的修改。
2. 需要大量独立实例且数据量不大的场景：
   • 场景：游戏开发中管理大量独立的小型游戏对象，如星星、子弹等，每个对象可以用结构体表示。
   • 原因：结构体在栈上分配内存，多个实例之间相互独立，不需要额外的引用计数管理。如果使用类，每个实例在堆上分配，且需要ARC管理引用计数，对于大量小型实例，性能开销会较大。
3. 性能敏感且不需要继承的场景：
   • 场景：在高性能计算库中，例如矩阵运算相关的数据结构，如 Matrix 结构体。
   • 原因：结构体的简单内存管理和值类型语义可以提供更好的性能，同时矩阵运算库通常不需要继承等类的特性，使用结构体可以避免类带来的额外开销。