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百度App Objective-C/Swift 组件化混编之路(一)

作者:技术蓝猫2022.02.18 11:04浏览量:112

简介:百度APP Objective-C/Swift组件化混编之路(一)

作者丨郭金、陈佳
来源丨百度App技术

一. 背景
1.1 Swift 发展历史
2010 年 7 月,克里斯(Chris Lattner)开始设计 Swift。完成基础架构后,克里斯带领开发小组陆续完成语法设计、编译器、运行时、框架、IDE 和文档等相关工作。
WWDC 2014,经历四年的开发,Swift 发布。
WWDC 2015,Swift 2.0,苹果宣布 Swift 开源,包含编译器和标准库。这一阶段发展迅速,变动也非常频繁。因此开发者也都处于尝试或观望状态。
2016 Swift 3.0,是语法和接口变化最大的一个版本,大量直接从 OC 移植过来的方法名被简化了,大量常用 Foundation 的类在 Swift 中改成了去掉 “NS” 前缀的结构体和类,原来 OC 方法名的很多描述性语句变成了 label,一些开发框架中的 C 语法 API(如 GCD、CoreGraphics等)也统一了风格, Swift 语法风格基本定型。
2019 Swift 5.0,ABI 稳定,并且向后兼容。2019 年 3 月,Swift 5.0 正式发布。目前,Swift 的当前版本包含跨 Apple 平台的应用程序二进制接口(ABI)的稳定版本。这是朝着帮助开发人员在专用操作系统(如 iOS,macOS,tvOS,watchOS 和 iPadOS)上使用Swift迈出的一大步。苹果正在构建一个坚实的生态系统,因为现在标准的 Swift 库已包含在 OS 版本中。
1.2 ABI 稳定
ABI(Application Binary Interface),即应用程序二进制接口,描述了应用程序和操作系统之间,一个应用和它的库之间的接口。在 iOS 和 macOS 平台,Swift 编写的二进制程序在运行时通过 ABI 与其他程序库或组件进行交互。程序的编译会产生一个或者多个二进制实体,这些二进制实体必须在一些很底层的细节上达成一致,才能被链接在一起执行。可以说ABI就是一个规范,一种协议。它会规定如何调用函数,如何在内存中表示数据,甚至是如何存储和访问 metadata。Xcode 10.2 集成了 Swift 5.0 编译器,只要使用这个版本以上的编译器,编译出来的二进制就是 ABI 稳定的。

在此示例中,使用 Swift 5.0 构建的应用程序将在安装了 Swift 5 标准库的系统以及 Swift 5.1 或将来的 Swift 6 的系统上运行。
ABI 稳定的好处:
减小包体积:iOS 12.2 以前版本,用 Swift 开发的 App 打包时需要将当前版本的 Swift 内置动态库打包进去;而 iOS 12.2 及以上版本,系统内置了 Swift 动态库,不用每个 App 单独内置,大大减小了包体积(实际减小的包体积大小和 App 用到的 Swift 标准库和系统版本都有关系)。
节省内存:所有 App 使用同一个 Swift 运行时, App 启动不需要额外加载内置 Swift 动态库,在 iOS 12.2 及以上系统会更节省内存。
减小启动耗时:同理,在 iOS 12.2 及以上系统因为启动时无需加载内置 Swift 动态库,也节省了启动耗时。
不强依赖编译器:ABI 稳定之前,两个二进制组件需在同一编译器下编译。ABI 兼容性保障应用程序和各二进制组件可以分开编译,不强依赖编译器,应用和二进制形态组件也不用在同一编译器下编译。
Pure Swift:对于 Apple 工程师来说,可以直接在系统框架使用 Swift,而不必用 Objective-C 来 wrap 一遍,运行效率更高,维护成本更低。得益于 ABI 稳定,在 2019 年,Apple 也确实推出了 SwiftUI、RealityKit、Combine、CreateML 4个 Pure Swift 框架。
1.3 Module 稳定
Swift 库和库的 API 以 module 的方式导出,module 文件被编译创建和使用。Swift 5.1 引入了稳定基于文本的 module 接口文件,不同版本的编译器具备兼容性。Module 稳定使我们创建的 Swift framework 能够兼容未来的 Swift 版本。Module 稳定代表着描述模块 API 的信息格式稳定。这个信息会在编译时使用,它表明了这个库所有的类和函数都是什么,如同 C 语言的 header 文件一样。Swift 把这个信息存在一个名为 .swiftmodule 的二进制文件中。由于这个文件在不同编译器间不兼容,这意味着如果应用程序开发人员无法使用其他版本的 Swift 编译器引入该 framework。

Swift 5.1 实现了一个文本的方案来实现 Module 稳定,使用一个名为 .swiftinterface 的文本文件替换二进制的 .swiftmodule 文件,内容类似于 Xcode 中 swift 文件的 generated interface。

例如,你可以使用 Swift 6 构建框架,而该框架的接口将可由 Swift 6 和以后的 Swift 7 编译器读取。
Swift 不同版本的编译器编译出的产物可以互相引用,不会出现以下错误:
“Module compiled with Swift 5.1 cannot be imported by the Swift 5.2 compiler”
1.4 Library Evolution
Library Evolution 允许二进制组件发生变化时,不用再重新编译其宿主。这样无论是系统框架发生变化时,还是开发者依赖的第三方框架发生变化时,开发者都不需要重新编译自己的应用(或框架)就能直接运行。

在此示例中,应用是基于框架的原始版本(黄色)构建的。由于 Library Evolution,它可以运行在包含黄色版本框架的系统上,也可以直接运行在升级后的红色版本框架的系统上。
1.5 ABI 稳定 、 Module 稳定和 Library Evolution

1.6 开源社区:

从图中可以看到,从 2016 年年中开始,github Swift 代码 push 的量已经超过了 OC,Swift 的新活跃开源项目也远超过 OC。开源推动了外部贡献者参与 Swift 生态建设,长期看 OC 三方开源库面临年久失修和新功能不支持的风险。
1.7 官方推荐
Apple 已经在开发文档中将 Swift 设置为默认示例语言,2019年 WWDC 发布了4个纯 Swift 的 Framework,不排除后面发布的 Framework 只有 Swift 版本的可能;另外 Apple 也积极开展高校合作,目前在美国已经有 18 所大学和学院将 Swift 纳入教学课程,同时也开发了面向高中和高等院校的《使用 Swift 开发》课程,和面向 4 年级至 8 年级学生的《人人能编程》课程;随着 Swift 语言的普及和编程门槛的降低,我们能做的就是为优秀的 Swift 开发者敞开大门。
另外,OC 和 Swift 也有良好的互操作性。至此,所有准备工作已就绪,对 iOS 开发者来说普及已经是大势所趋了。

二. Swift 的优势

2.1 开发效率
Swift 拥有简单而富有表现力的语法,即使你以前没有任何编码经验,也很容易理解。事实上,根据苹果公司的说法,Swift 被设计成第一种供任何人学习的编程语言。Swift 也同时吸收了很多语言的特性, 以至于各种不同语言的开发者写 Swift 的时候都会觉得特别熟悉特别亲切。以下是 Swift 从其他语言借鉴的特性或表示方法:
Dictionaries(或Hash Table):简洁的中括号初始化语法从 JavaScript 而来。
数据类型推断:编译器通过变量的初始值很容易推断变量的数据类型。这个功能最早出现在 Haskell、Scala、Opa、微软也在 .Net 3.0 中引入了这个功能。
泛型数据结构声明:Java 5 引入了泛型,通过尖括号中的数据类型,告诉编译器 HashMap,Array,Collection 等集合类中存储了何种数据类型。同一时间微软把这一功能引入到 C# 中。
字符串模板:从 Cold Fusion、JSP 等语言而来。
程序行尾可选分号:从 JavaScript、Python 而来。
Protocol(或 Interface):从 Java 和 C# 而来。
元组(Tuples):元组是通过逗号分割,小括号括起来的类型列表,可以让一个函数有多个返回值,这种特性从 Lisp 和 Python 而来。

闭包:闭包的概念出现于 60 年代,最早实现闭包的程序语言是 Scheme。之后,闭包被广泛使用于函数式编程语言如 ML 语言和 LISP。
协程(async/await):即将引入的协程,作为取代线程的更优雅的异步模型,来源于 Smalltalk、Ruby、Lua、Julia 和 Go 等语言。(Coming soon)
毕加索:(Good artists borrow, Great artists steal)

2.2 安全
Swift 语言的语法鼓励你编写简洁一致的代码,有时甚至会变得严格,同时提供了保护措施以防止错误并提高可读性。
静态类型语言:IDE 在编译前就会检查代码中的错误,类型检查更加严格。
类型推断:编译器可以在编译代码的时候通过表达式的值自动推断出表达式的类型。
guard: 我们可以使用 guard 语句来对后面的代码块加以保护,使代码块在未满足条件时能提前正常返回(return)或结束循环(break/continue)或异常退出(throw/fatalError())。
optional:默认情况下,Swift 对象不能定为 nil — 这在另一方面保证了 Swift 的安全性。实际上,Swift 编译器会在你尝试创建或使用 nil 对象时显示编译时错误,阻止你继续操作。这使得代码编写变得更简洁、更安全,并且可以防止 app 中出现大量的运行时崩溃。但是,在某些情况下,运用 nil 是适当合理的。针对这类情况,Swift 提供了一项创新功能,称为“可选类型”。可选类型可以包含 nil,但是 Swift 语法会强制要求你使用 ? 语法来安全地处理 nil。使用该语法,等于向编译器表明你理解此行为并将安全地进行处理。
2.2 编译优化
SIL(Swift Intermediate Language):SIL 会对 Swift 进行较高级别的语义分析和优化。包括高级别的语义分析,诊断转换,去虚拟化,特化,引用计数优化,TBAA(Type Based Alias Analysis)等。

WMO:全模块编译优化。首先,编译器了解模块中所有函数的实现,所以它能够执行诸如函数内联和函数特殊化等优化。函数特化主要应该是指通过调用上下文传递的类型来生成一个基于特定类型的版本。但是很多情况下,会导致二级制级别的代码膨胀。有了全模块优化,能够把多处基于相同类型生成的函数优化为一个。
2.3 运行性能
静态类型语言:静态类型语言比动态类型语言更快,因为类、方法、数据类型定义更清晰,编译器可以进行内联等优化、减少为支持引用类型而额外分配的内存空间,同时由于采用静态派发的方式也大幅提高了运行时方法的调用效率。
静态派发:是在编译期就能确定的调用方法的派发方式。静态派发相比于动态派发更快,而且静态派发还会进行内联等一些优化,减少函数的寻址及内存地址的偏移计算等一系列操作,使函数的执行速度更快,性能更高。
Fast, Whole Module Optimization:开启 -O -whole-module-optimization,Swift 编译器将会同时考虑整个 module 中所有源码的情况,并将那些没有被继承和重载的类型和方法标记为 final,这将尽可能地避免动态派发的调用,或者甚至将方法进行内联处理以加速运行。
结构体:结构体除了属性的存储更安全、效率更高之外,其函数的派发也更高效。由于结构体不能被继承,也就是结构体的类型被 final 修饰,其内部函数应该是属于静态派发,在编译期就确定了函数的执行方式,其函数的调用通过内联(inline)的方式进行优化,其内存连续,减少了函数的寻址及内存地址的偏移计算,其运行相比于动态派发更加高效。
Swift 的运行效率甚至能比肩 C++。可以参考 http://www.primatelabs.com/blog/2014/12/swift-performance/ 对 Swift 和 C++ 性能的比较。
2.4 内存管理
ARC:OC ARC 支持范围包含 Cocoa Touch framework,但不包含 CoreGraphics、CoreFoundation 等底层框架;Swift 所有 API 都支持 ARC。
COW:Copy On Write,写时复制,Swift 针对标准库中的集合类型(Array、Dictionary、Set)进行优化,当变量指向的内存空间并没有发生改变,进行拷贝时,并没有真正发生拷贝,而是指向原来的内存。只有当值发生改变时才会进行深拷贝。
值类型:在 Swift 中定长的值类型都是保存在栈上的,操作时不会涉及堆上的内存。变长的值类型(字符串、集合类型是可变长度的值类型)会分配堆内存。
引用类型:引用类型的存储属性不会直接保存在栈上,系统会在栈上开辟空间用来保存实例的指针,栈上的指针负责去堆上找到相应的对象。
所有权:独占性原则——阻止以互相冲突的方式同时访问某个变量 ;允许被“共享”的值传递下去;允许标记某个类型不能被隐式复制。(Coming soon)

三. Swift 使用现状

3.1 百度App 及矩阵产品
全量工程化和工程改造前,百度App 在 Watch App、各独立 Widget、以及很少一部分 SDK 中使用 Swift。不过百度内部 柠檬爱美、古物潮玩、有噗等创新产品都广泛的使用 Swift 开发。
3.2 国内其他 App
根据现有公开资料,我们了解到手淘已全面支持 Swift,微信部分使用 Swift,今日头条的飞书(Lark)使用了 Swift。
3.3 国外 App

这篇文章(https://blog.csdn.net/Desgard_Duan/article/details/105872728)统计了国内外使用的 Swift 开发的 Top 100 应用列表,但并不明确各 App Swift 的应用范围,也不明确各 App 已经系统化解决 OC 和 Swift 在大型工程或组件化开发模式下的问题。

四. 影响面评估

4.1 应用体积的影响
对于 iOS 12.2 以下的系统,使用 Swift 编写的代码打包成 App 后需要额外内置 Swift 动态库。而 iOS 12.2 及以上版本,使用 Swift 5.0 以上编写的 Swift 代码,不再需要打包 Swift 运行时,相比之前,减小了 7.9 MB。
在”Swift 的优势”部分,我们已经看到 Swift 在开发效率、安全性、运行性能、内存管理方面的优势,也无明显劣势,所以普及也是顺其自然的事情了。

五. 落地步骤

在单工程源码模式下,我们为 Swift 访问 OC 建立 bridge 文件,Swift 编译时也会生成 *-Swift.h 头文件供 OC 调用;这样就可以实现 OC 和 Swift 混合开发。
在以并行开发,或者以 App 工厂为目标的 App ,都会对工程进行组件化拆分,不仅需要依赖管理工具的支撑,也需要对工程进行改造。百度App 目前使用组件化模式开发,同时兼容 源码、二进制 两种组件形态;因此需要保障组件间互操作性,保障对源码、二进制两种形态下的组件编译、链接过程的完整支撑。
百度App 整体落地步骤如下:
Swift 优势调研
影响面评估
编码规范制定及约束工具开发
EasyBox 工具链混编支持
工程改造与实践
这篇文章介绍了前两部分,Swift 编码规范及约束工具有创新团队同学提供支持。后面两篇文章将重点介绍这里面的两个重点环节,工具链层面系统化支持 OC 和 Swift 混编,以及如何进行工程改造以支撑全面Swift全面应用开发。

六. 参考

WWDC 2019 - What’s New In Swift:
https://devstreaming-cdn.apple.com/videos/wwdc/2019/402fd460n3p3w5c/402/402_whats_new_in_swift.pdf?dl=1
WWDC 2016 - Understanding Swift Performance:
https://developer.apple.com/videos/play/wwdc2016/416/
What is Module Stability in Swift and why should you care?
https://www.donnywals.com/what-is-module-stability-in-swift-and-why-should-you-care/
ABI Stability and More:
https://swift.org/blog/abi-stability-and-more/
一次关于 Swift 在 iOS 生态圈里的现状调研:
https://blog.csdn.net/Desgard_Duan/article/details/105872728
手淘航母级 App 恋上 Swift 之路:
https://mp.weixin.qq.com/s/_ecHx0-r_od1-AfpYNvchg
Swift vs Objective-C: Out with the Old, In with the New:
https://www.altexsoft.com/blog/engineering/swift-vs-objective-c-out-with-the-old-in-with-the-new/
10 features Apple ‘stole’ for the Swift programming language:
https://www.infoworld.com/article/2606431/155797-10-prominent-features-stolen-by-Apple-s-Swift-and-where-they-came-fro.html#slide12
Writing High-Performance Swift Code:
https://github.com/apple/swift/blob/master/docs/OptimizationTips.rst
Swift 性能探索和优化分析:
https://onevcat.com/2016/02/swift-performance/
Swift Concurrency Manifesto:
https://gist.github.com/lattner/31ed37682ef1576b16bca1432ea9f782
Ownership Manifesto:
https://github.com/apple/swift/blob/main/docs/OwnershipManifesto.md
Swift性能优化分析:
https://juejin.cn/post/688786214412648449
Swift, C++ Performance:
http://www.primatelabs.com/blog/2014/12/swift-performance/

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