String背后的匯編奧秘——探索數據結構

String，相信大家都不陌生，我們在編寫程序時，使用String類型還算比較多。那么你經常使用它，是否真的“了解”它？請帶著問題，一步一步揭開它神秘的面紗，看看它究竟何許“人”也！

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 個字符串變量占用多少內存？

• 字符串 str1、str2 的底層存儲有什么不同？
  

• 如果對 str1、str2 進行拼接操作，str1、str2 的底層存儲又會發生什么變化？
  

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了解的。

二、1 個字符串變量占用多少內存？

方法 1：MemoryLayout

首先，可以借助 Swift 自帶的 MemoryLayout 來測試一下

方法 2：匯編

另外，我們也可以借助一個強有力的底層分析助手—匯編語言，來窺探一下 String 的底層存儲

• 實際上分析其他語法、系統庫的底層，都可以借助匯編語言

  • 比如多態的原理、泛型的原理、Array 的底層、枚舉的底層等等

• 另外，不僅僅是 Swift，C、C++、OC 的底層分析，依然可以借助匯編語言

  • 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）
  • 而機器指令是跟匯編指令一一對應的，每一條機器指令都能翻譯成與之對應的匯編指令
  • 能讀懂匯編指令，就相當于能讀懂機器指令，知道 CPU 具體在干嘛（操作了什么寄存器，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
  • 因此展示的匯編代碼是基于 X64 的 AT&T 格式匯編，并非 iOS 真機設備的 ARM 匯編
  • 其實不同種類的匯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匯編功能，可以輕松查看每一句代碼對應的匯編指令，打開反匯編界面的步驟如下

• 在某一行需要調試的代碼打上斷點（反匯編界面會在斷點調試狀態下顯示出來）

• 菜單：Debug > Debug Workflow > Always Show Disassembly
  • Assembly 譯為匯編， Disassembly 譯為反匯編

• 運行程序，看到反匯編界面

如果你的反匯編經驗十足，根據第 16、17 行的匯編就可以推敲出來，String 是占用 16 個字節

• 因為它用了 rax、rdx 寄存器存放字符串 str 的內容，而 rax、rdx 都是 8 字節的

匯編的內容太多了，因為時間和篇幅關系，文章里并不會對每一句匯編指令進行詳細地講解，更多的是想說明匯編的重要性。

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

• 現在用它來窺探下字符串的 16 字節里面，究竟存儲著什么數據

• 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，你發現了什么？

• 它直接將所有字符的 ASCII 值存儲在 str1 的 16 字節中

• 最后 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

• 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

• 最后 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 里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，

• 那里面的 16 字節具體是什么含義呢？

• 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 個字節里面并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【！！！匯編！！！】來解決，分析匯編指令，立馬就得出結論，因為文章的篇幅有限，平時工作也比較忙，我把上述問題的詳細剖析過程錄制成了長達 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

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

  • 提取碼：kzrk

• 視頻對于沒有匯編基礎的朋友來說，可能會有點難度，最好挑一個頭腦清醒的時間去觀看

• 看完視頻后，希望大家能夠確切地感受到匯編語言的重要性，不要永遠只停留在編寫高級語言代碼、沉迷于語法糖的層面。

四、最后

匯編語言雖然是編程中的基礎語言，但確是我們用到最多的計算機語言，應用領域也不僅僅是在你的工作當中，日常生活中也是可以用到的。

我作為一個在IT行業摸爬滾打了數年的人，也確實積累了比較多的經驗及資源，平時也會給大家做分享，如果想獲取更多免費的編程學習資源及干貨，可以手動添加微信：19950277730！來跟我一起探索編程的世界吧！