Swift maakt gebruik van een compileroptimalisatie die bekend staat als extra inwonerbenutting (of spare bit packing) om de opslagoverhead voor het none-geval van Optional te elimineren. Voor referentietypen (klassen, sluitingen, AnyObject) omvat de onderliggende pointerrepresentatie een nulladres (0x0) dat geen geldige objectreferentie is; Swift hergebruikt deze nullpointer om Optional.none weer te geven, terwijl alle niet-null pointers Optional.some vertegenwoordigen. Wanneer dit wordt uitgebreid naar algemene enums met meerdere payload-dragende gevallen, analyseert de compiler de bitpatronen van alle bijbehorende waarde types om gemeenschappelijke niet-gebruikte waarden (spare bits) te identificeren. Als alle payload-typen ten minste genoeg spare bits delen om het aantal gevallen te coderen, slaat de enum de gevaldiscriminator op binnen die bits; anders voegt het een aparte tagbyte of woord toe.
Bij het architecten van de scenegraph voor een real-time 3D-renderingengine, had het team de noodzaak om optionele ouderreferenties op te slaan voor 2 miljoen scene knopen. Elke knoop was een klasse-instantie en de hiërarchie vereiste Optional<Node> om de root knopen (die geen ouder hebben) weer te geven.
Opposite A: Parallel boolean array.
Het team overwoog om een aparte ContiguousArray<Bool> naast ContiguousArray<Node> bij te houden om de aanwezigheid van ouders aan te geven.
Voordelen: Expliciete controle, taalagnostisch patroon.
Nadelen: Cache-localiteit wordt vernietigd door toegang tot twee afzonderlijke geheugengebieden; het geheugenovertolligheid nam toe met 2MB (1 byte per bool, gepadded naar uitlijning); synchronisatiecomplexiteit bij het herstructureren van de boom.
Opposite B: Sentinel node pattern.
Gebruikmakend van een globale singleton "null node"-instantie om afwezigheid van ouders weer te geven.
Voordelen: Één pointeropslag, geen optionele overhead.
Nadelen: Schendt type veiligheid; de compiler kan niet per ongeluk operaties op de sentinel voorkomen; vereist defensieve controles door de hele codebase; introduceert referentiewijzes als de sentinel referenties terughoudt naar echte knopen.
Opposite C: Native Swift Optional.
Het direct opnemen van Optional<Node> binnen de knoopstruct.
Voordelen: Volledige compile-tijd veiligheid, idiomatische Swift syntax, nul geheugenovertolligheid omdat de Optional de nullpointerrepresentatie voor none gebruikt.
Nadelen: Vereist begrip dat deze optimalisatie specifiek van toepassing is op referentietypes; waarde types zoals Int zouden padding met zich meebrengen.
Het team koos voor Opposite C. Omdat Node een klasse was, voegde de Optional wrapper geen bytes toe aan de instantie grootte. Het resultaat was een geheugenreductie van ongeveer 16MB vergeleken met de parallelle boolean aanpak (het elimineren van zowel de bool opslag als de bijbehorende uitlijnpadding), terwijl compile-tijd garanties werden verkregen die een hele klasse van null-dereference crashes bij daaropvolgende refactorering elimineerden.
Waarom verbruikt Optional<Int> doorgaans meer geheugen dan Int, terwijl Optional<AnyObject> dezelfde ruimte als AnyObject gebruikt?
Int is een 64-bits tweedelige complement integer die elk mogelijk bitpatroon benut om zijn numerieke bereik (-2^63 tot 2^63-1) weer te geven, zonder ongeldige bitpatronen (extra inwoners) beschikbaar voor de Optional discriminant. Dienovereenkomstig moet de compiler een aparte byte (of woord, vanwege uitlijning) toevoegen om op te slaan of de optie some of none is. Omgekeerd zijn AnyObject (en alle klasse referenties) pointers waarbij het all-zero bitpatroon (null) gegarandeerd ongeldig is als een objectadres; Optional claimt deze nullrepresentatie voor zijn none-geval, waardoor nul aanvullende opslag nodig is.
Hoeveel verschillende machine-niveau representaties bestaan er voor "afwezigheid" in Optional<Optional<T>> wanneer T een klasse is, en waarom is dit belangrijk voor gelijkheid?
Er zijn twee verschillende representaties: de buitenste .none (een null pointer op het buitenste niveau) en .some(.none) (een geldige buitenste pointer die naar een innerlijke null wijst). Omdat de innerlijke Optional al de nullpointerwaarde consumeert om zijn eigen leegheid weer te geven, kan de buitenste Optional zijn eigen none niet onderscheiden van een .some die een innerlijke none bevat met alleen de pointerwaarde. Daarom vereist de buitenste laag een aparte tagbit, en de twee conceptuele "nil"-toestanden zijn niet gelijk (Optional(Optional.none) != Optional.none). Deze differentiatie is cruciaal bij het nestelen van optionals die worden geretourneerd van generieke API's of JSON decodering waarbij ontbrekende sleutels buitenste nils produceren en null-waarden binnenste nils produceren.
Bij het definiëren van een enum met meerdere payload-gevallen, zoals case integer(Int), case boolean(Bool), wat bepaalt of de compiler een aparte tag byte opslaat of de gevaldiscriminator binnen de payload verwerkt?
De compiler voert spare bit-analyse uit op de bijbehorende waarde types. Bool gebruikt alleen het minst significante bit, waardoor 7 bits overblijven. Als alle payloads voldoende spare bits bieden om elk geval uniek te identificeren (bijv. meerdere klasse referenties die de null extra inwoner delen), kan de enum de gevalindex in die niet-gebruikte bits verpakken. Echter, Int en Bool hebben afzonderlijke spare bitpatronen (Int heeft geen), wat de compiler dwingt om een aparte tag byte (of woord) toe te wijzen om integer van boolean te onderscheiden, waardoor de grootte van de enum toeneemt tot boven de maximale payloadgrootte.