Swift genel fonksiyonları derlediğinde, genel parametreler için ikame edilen somut türler, ayrı modüllerde veya farklı zamanlarda derlenmiş kütüphanelerde tanımlanabilir. Diğer dillerdeki genel türler için erken yaklaşımlar genellikle monomorfizasyona (her tür için ayrı kod oluşturma) ihtiyaç duyuyordu; bu, ikili şişkinliğe neden olur ve genel türlerin dinamik bağlantısını engeller. Swift, performans ile ayrı derleme ve kütüphane değişikliklerine dayanıklılık esnekliği arasında bir denge sağlayan bir çözüme ihtiyaç duyuyordu.
Sorun: func process<T>(_ value: T) gibi bir genel fonksiyon, T'yi yerel değişkenlere kopyalayabilmeli, taşıyabilmeli veya kapsamdan çıkarken yok edebilmelidir. Ancak, derleyici derleme zamanında T'nin basit bir Int (8 byte), büyük bir yapı (4KB) veya yığın tamponları içeren referans sayımlı bir yapı olup olmadığını bilemez. Bu bilgi olmadan, fonksiyonun ne kadar yığın alanı ayırması gerektiğini, belleği nasıl hizalaması gerektiğini veya T'nin sahip olduğu herhangi bir yığın kaynağının yaşam döngüsünü nasıl yöneteceğini bilemez. Dahası, Array veya Data gibi Copy-on-Write (COW) türleri için, yapının değeri kopyalandığında, tamponun derin kopyaları yerine sadece referans sayısını artırmamız gerekir.
Çözüm: Swift, Değer Tanık Tabloları (VWT) kullanır. Her tür, temel işlemler için işlev işaretçileri içeren bir VWT'ye (veya uyumlu yerleşim türleri için ortak bir VWT'yi paylaşır) sahiptir: size, alignment, stride, destroy, initializeWithCopy, assignWithCopy, initializeWithTake ve assignWithTake. Genel kod derlenirken, LLVM bu tanık işlevlerine çağrılar oluşturur, buna rağmen yerinde talimatlar oluşturmaz. COW optimizasyonu için, bu türler için initializeWithCopy tanığı, bir derin kopya yerine (tampon referansını koruyarak) yüzeysel bir kopyalama işlemi yapar; gerçek benzersizlik kontrolü ve tampon çoğaltma ise, türün kendi yöntemleri aracılığıyla değişim gerçekleşene kadar ertelenir. Bu, genel algoritmaların herhangi bir değer türünü doğru bir şekilde yönetmesine olanak tanırken COW'un performans özelliklerini korur.
Kullanıcıların özel örnek formatları tanımlayabileceği yüksek performanslı bir ses işleme kütüphanesi geliştirildiğini hayal edin. T'yi verimli bir şekilde depolayıp döndüren genel bir RingBuffer<T> uygulamanız gerekiyor ve fazla kopyalamadan bu işlemi gerçekleştirmelisiniz. Tampon, Float (4 byte) gibi küçük basit türleri ve COW semantiklerine sahip 16KB'lik bir yığın tampon saran AudioPacket gibi büyük karmaşık türleri yönetmelidir.
Dikkate alınan bir çözüm, kullanıcıların açık clone() ve dispose() yöntemleri ile bir Clonable protokolüne uymalarını gerektirmekti. Bu yaklaşım tam kontrol sağlasa da, kullanıcıların her tür için şablon yazmalarını zorunlu kılarak, standart kütüphane türlerinin doğrudan kullanılmasını engeller ve dispose() unutulursa bellek sızıntılarına yol açar. Ayrıca, basit türler için derleyici tarafından üretilen optimizasyonlardan yararlanma fırsatını da kaçırır.
Diğer bir yaklaşım, tüm işlemler için UnsafeMutablePointer ve memcpy kullanmayı içeriyordu. Float için hızlı olmasına rağmen, referans sayımlı yapılar veya COW türleri için işlevselliğini kaybediyor; çünkü işaretçi değerlerini çoğaltıyor ancak onları korumuyordu, bu da ring buffer'ın eski verileri üzerine yazdığında use-after-free çökmesine veya tampon bozulmasına neden oluyordu. Hatalı bellek yönetimi gerektiriyor ve Swift'in güvenlik garantilerini bypass ediyordu.
Seçilen çözüm, ring buffer'ı ContiguousArray<T> ile destekleyerek Swift'in yerleşik genel mekanizmasından yararlandı, bu da tüm eleman işlemleri için VWT kullanır. Dönüş mantığı için, withUnsafeMutableBufferPointer ile moveInitialize(from:count:) kombinasyonunu kullandık; bu, VWT'nin taşıma tanıklarını çağırır. Bu, kopya yapıcıları devreye sokmadan değerlerin sahipliğini aktarır ve gereksiz referans sayısı artışlarını önleyerek COW semantiklerini korur. Bu yaklaşım, bellek güvenliğini sağlarken, derleyicinin en sıcak yolları uzmanlaştırma yeteneği sayesinde neredeyse optimal performansa ulaşılmasını sağlar.
Sonuç olarak, sıfır kopya döngüsü ile büyük COW ses paketlerini yönetebilen, basit türler için O(1) performans sağlar; özel protokol gereksinimleri veya kamu API'sinde tehlikeli kod bulundurmaz.
Büyük bir yapıyı genel bir fonksiyon içinde kopyalamak bazen neden özel bir genel olmayan bağlamda kopyalamaktan daha yavaş görünüyor; her ikisi de değer semantiği kullanmasına rağmen?
Somut türün bilindiği özel bir bağlamda, Swift derleyicisi kopyalama işlemine doğrudan memcpy veya hatta vektörleştirilmiş SIMD talimatları olarak inline yapabilir. Ancak, özel olmayan genel kodda, kopyalama işlemi VWT'nin initializeWithCopy işlev işaretçisi aracılığıyla dağıtılır. Bu dolaylılık inline yapmayı engeller ve ölü depolama temizleme veya vektörleştirme gibi sonraki optimizasyonları engeller. Derleyici, kopyanın yan etkileri olmadığına dair kanıt üretemediğinden (örneğin, referanslar için saklama sayıları), daha ihtiyatlı, daha yavaş kod üretmek zorunda kalır. Bu ayrımı anlamak, performans kritik genel algoritmaları için çok önemlidir.
Swift, genel bir başlatıcı bir özelliği atama sürecinin ortasında hata fırlatıldığında kısmen başlatılmış değerlerin yıkımını nasıl yönetir?
Bir genel yapının başlatıcısı, bazı özellikleri başlattıktan sonra hata fırlatıyorsa, Swift zaten başlatılmış değerlerin sızmasını önlemelidir. Derleyici, başlatılmış her özelliği ters başlatma sırasına göre yıkanmak için VWT'nin destroy tanığını hesaba katan bir hata temizleme yolu oluşturur. VWT, somut türün kesin yerleşimini ve temizleme prosedürünü bildiği için, hangi belirli özelliklerin ayarlandığını bilmeden kısmen oluşturulmuş değeri doğru bir şekilde yok edebilir. Bu mekanizma, karmaşık değer türleri ile başarısızlık senaryolarında bile bellek güvenliğini sağlar.
Değer Tanık Tabloları ile Varoluşsal Konteynerler arasındaki ilişki nedir ve neden büyük değer türleri any protokollerine silindiğinde yığında tahsis edilir?
Bir Varoluşsal Konteyner (herhangi bir Protokol için kutu), tipik olarak 3 kelimenin (64 bit sistemlerde 24 byte) çevrimiçi depolamasını içerir. Bu çevrimiçi tamponun üzerinde daha büyük bir değeri silindiğinde, Swift değeri yığında tahsis eder ve konteyner içinde bir işaretçi depolar. Altyapı türünün VWT'si, tür meta verileri ile birlikte konteyner içinde saklanır. VWT, yığın kutusunu tahsis etmek için gereken size ve alignment'ı sağlar ve varoluşsal kapsam dışına çıktığında silinmesi için destroy tanığını sunar. Bu ayrım, varoluşsal konteynerin sabit bir boyuta sahip olmasını sağlar, ancak büyük değer türleri için yığın tahsisi ve dolaylılık maliyetiyle birlikte gelir.