Swift 的可选值优化

在 Objective-C 中，nil 表示空对象，它本质是一个指向 0x00000000 的指针。但对于非指针的值类型，OC 中是无法表示没有值这个概念的，比如 NSInteger，它可以是 0，也可以是其他任何值，但就是不存在没有值。

Swift 作为一种强类型的语言，它从一开始就引入了没有值这个概念，虽然还是用 nil 关键字，但实际语义上有所不同。比如 Int?，它可以是 nil，也可以是 0，0 是一个具体的值，而 nil 不是。然而，计算机作为一个二进制的机器，它内存中保存的非 0 即 1，如何表示没有值呢？换句话说，nil 在内存中究竟是什么？我们可以通过简单的代码找出它在内存中的真相。

/// 以下方法取 value 的地址，并从地址处向后取它在内存中的大小 size 个字节，转为对应的数组
func bytes<T>(of value: T) -> [UInt8]{  
    var value = value
    let size = MemoryLayout<T>.size
    return withUnsafePointer(to: &value, {
        $0.withMemoryRebound(
            to: UInt8.self,
            capacity: size,
            {
                Array(UnsafeBufferPointer(
                    start: $0, count: size))
            })
    })
}

var int: Int? = 0  
bytes(of: int)    // [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]  
int = nil  
bytes(of: int)    // [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1]

从上面我们可以得知，可选的 Int? 类型比普通 Int 类型多占一个字节，用来表示是不是 没有值。如果这样的话，在 struct 或 class 中用可选类型岂不是会浪费较多内存空间？因为内存对齐的缘故，多一个字节，就要浪费剩下的 7 字节，比如：

struct N {  
    var b: Int? = 2
    var a: Int? = 3
}

var n = N()  
bytes(of: n)    // [2, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 76, 68, 3, 1, 0, 0, 0,  
                //  3, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]

以上原本可以用 16 字节表示的结构体，实际上占了 25 字节（考虑结尾处内存对齐，其实占了 32 字节）。我们在实际开发中，可能会在 class 中声明大量的可选字段，如果都这样的话，那内存使用率也太低了，有优化手段吗？

答案是有的，而且 Swift 编译器已经默默帮我们做了。

Bool

Bool 类型理论上只用 0 1 两个值即可，但它却占了一整个 byte ，剩下的几个 bit 是可以用来区分是否有值的。

var b: Bool? = false  
bytes(of: b) // [0]  
b = true  
bytes(of: b) // [1]  
b = nil  
bytes(of: b) // [2]

从以上结果得知，Swift 用 2 表示 Bool? 的没有值，所以没有内存浪费。这样也使得 Bool? 不再是两态的开关，而是一个三态的开关。

String

String 类型不同于 Int 这种——0 也是合法值，String 的内存值为 0 是可以表示没有值的，所以它也没有内存浪费

var s: String? = "abc"  
bytes(of: s)  // [97, 98, 99, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 227]  
s = ""  
bytes(of: s)  // [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 224]  
s = nil  
bytes(of: s)  // [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]

String 在 Swift 中是一个结构体，无论字符串多长，String 变量本身只占 16 字节，短的字符串通过类似 OC 中 Tag Pointer 的技术直接存在指针中，长的字符串需要指向堆内存地址。

Class

Class 类型同 OC 中的一样，是指针类型，空指针可以表示没有值，没有内存浪费。

class MyObject {  
    var b: Int? = 2
    var a: Int? = 3
}

var o: MyObject? = .init()  
bytes(of: o)  // [160, 142, 188, 2, 0, 96, 0, 0]  
o = nil  
bytes(of: o)  // [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]

无论 Class 中有多少成员变量，Class 变量本身（即指向它的指针）只占 8 字节（64位系统中）。

Enum

枚举类型一般是有限的，最终总可以找到一个不在枚举范围内的值表示 没有值，也可以没有内存浪费。

enum Edge {  
    case left
    case right
    case top
    case bottom
}

var e: Edge? = .left  
bytes(of: e)  // [0]  
e = .bottom  
bytes(of: e)  // [3]  
e = nil  
bytes(of: e)  // [4]，用越界值表示 nil，没有值

当然并不是所有 Enum 类型都能这样，带关联值的就可能不行。

综上所述，Swift 编译器会尽可能地优化可选值的内存占用，日常开发并不需要太多关心，但是部分情况仍要求开发者尽量少使用可选值，如结构体中连续几个可选 Int 的情况，如果 0 也能满足代码逻辑，就使用非可选值，并用 0 初始化它吧！

// 浪费的内存比较可观
struct My {  
   var a: Int?
   var b: Int?
   var c: Int?
   var d: Int?
}

Menu

Bool

String

Class

Enum