What's New in LLVM 9

导语 :绝不仅仅是一篇 WWDC 2017 Session 411 学习笔记。除了有关 LLVM 9.0 的新特性之外,还有关于静态分析器和 Clang 5 Objective-C ARC 的一点看法和经验。

我觉得 LLVM 9 的亮点如下:

  1. 支持 Objective-C API 可用性检查
  2. 新增一些对隐患代码的静态分析检查和 warning
  3. 更快的 LTO,使其可以真正使用

API Availability Checking for Objective-C

在低版本系统上调用高版本 SDK 的 API 会引发 crash,所以在兼容多版本系统时需要谨慎判断系统版本,然后使用对应的 API。这些在运行时才能生效的代码很容易编写出错,而且需要测试人员付出很大工作量来覆盖到各个版本的系统。检查类、实例方法、类方法等是否可用时需要写的代码也不同,很蛋疼呦。

Swift 3 加入了 #available 语法来检查 API 是否可用,在编译阶段就可以发现哪里漏掉了 API 可用性检查。如今,Objective-C 也有这项功能啦。

Objective-C

假设加入 App 支持的最低版本是 iOS 10,但是直接调用了 iOS 11 的 API,那么编译器会告警,提醒开发者某个 API 只能用于较新版本的系统上。这时需要通过 [@available](https://github.com/available "@available" ) 语法来判断平台和版本:

if(@available(iOS 11, *)) {
    // iOS 11 以上以及其他所有平台
}

* 相当于通配符,代表所有其他平台都可用。

说完了如何检查 API 可用性后,再来谈谈声明 API 可用性的问题:

- (void)foo API_AVAILABLE(ios(11.0));

上面的代码声明了调用 foo 方法需要 iOS 11 以上,而 foo 方法内部的实现中调用 iOS 11 的 API 时无需再用 [@available](https://github.com/available "@available" ) 检查。

声明一个类的可用性也很简单,并且无需给类中的每个方法再次声明可用性,只需要用到 API_AVAILABLE 宏:

API_AVAILABLE(ios(11.0))
@interface MyClassForiOS11OrNewer : NSObject
- (void)foo;
@end

其实类似的有关 API 兼容版本的宏还有好几个:

API_DEPRECATED()
API_UNAVAILABLE()
API_DEPRECATED_WITH_REPLACEMENT()

C & C++

如果是想在 C 或 C++ 中查询 API 的可用性,可以使用 LLVM 新加的 __builtin_available() 函数:

if (__builtin_available(iOS 11, macOS 10.13, *)) {
    // iOS 11 以上或 macOS 10.13 以上平台,以及其他所有平台
}

在 C 或 C++ 中使用 API_AVAILABLE 宏之前需要引入头文件

#include 
class API_AVAILABLE(ios(11.0)) MyClassForiOS11OrNewer;

适用范围

对于旧工程,LLVM 只会对新的 API 进行告警(包含 iOS 11,tvOS 11,macOS 10.13,watchOS 4 以上)。旧的 API 不会被编译器告警,所以不用担心旧项目中已有的代码会产生一大片 warning,只需在采用新 API 的时候加上 [@available](https://github.com/available "@available" )API_AVAILABLE。也可以选择在 Build Settings 中设置 Unguarded availabilityYES(All Versions) 来检查所有的 API。Xcode 9 新建工程 Unguarded availability 项默认为 YES(All Versions)

Static Analyzer Checks

除了在 Xcode->Product->Analyze 中开启静态分析检查外,也可以在 Build 过程中进行静态分析检查。只需在编译设置中将 Analyse During 'Build' 设为 YES

苹果补充了一些检查项,看了下还都是一不留神就容易犯或者根本没注意到的细节。

比较 NSNumber

稍有经验的老司机都懂得 NSNumber 不能直接跟 raw value 直接比较,毕竟前者是类的实例对象,后者是基本类型。然而还是有人会弄错:

NSNumber *count = @0;
NSNumber *check = @YES;
if (count > 0) {
  NSLog(@"肯定会进到这里,因为 count 不为 nil");
}
if (check) {
  NSLog(@"肯定会进到这里,因为 check 不为 nil");
}

现在 LLVM 可以检查出这种情况,也可以关闭这项检查:在编译设置中将 Suspicious Conversions of NSNumber and CFNumberRef 设为 NO

dispatch_once()

Xcode 的 code snippet 很好用,我觉得正常人不会把 dispatch_once() 写错吧。

static dispatch_once_t onceToken;
dispatch_once(&onceToken, ^{
   foo();
});

onceToken 只能是全局变量或静态变量,使得指针地址的唯一性保证了 foo() 只执行一次。但总有奇葩把 onceToken 声明成成员变量,使得指针地址可能会重复,无法保证线程安全地只执行一次。而现在 LLVM 可以检查出这种不规范的使用方式。

当然,想实现线程安全地只执行一次方法,也可以通过加锁和判断标志位的方式来实现。

NSMutable 类型的属性使用 copy 内存管理语义

@property (nonatomic, copy) NSMutableArray *array;

内存管理语义帮开发者自动合成了 set 方法的实现,但是当 copy 应用到了 NSMutable 系列的类上,就会产生问题。因为我们想要的是把新的值 mutableCopy 后赋值给属性,然而内存管理语义中只有 copy 却没有 mutableCopy。而现在 LLVM 可以检查出这种情况。

重写 set 方法可以解决此问题:

- (void)setArray:(NSMutableArray *)array
{
    _array = [array mutableCopy];
}

一些建议

静态分析能做到在编译阶段发现一些程序员容易疏忽的地方,它只能检查特定场景下的一些被认为不符合规范的行为。也就是说它维护了一个 List,编译的时候一项一项检查是否合符规范,但是这个 List 之外的行为并不能被检查出来,这也就是为什么 LLVM 每年都在向这个 List 新增内容。这个 List 包含了程序员容易犯的代码问题,并且这些问题暗涵很严重的逻辑错误。

  1. 随着 Check List 的不断膨胀,静态分析耗时会增加,对于大中型项目,我并不建议开启每次编译时都进行静态分析检查。建议在每个版本测试阶段定期做静态分析检查。
  2. 不要过于相信静态分析检查。首先它会漏检,Check List 之外的情况根本检查不出来。如果将一些 API 包含在宏定义中或者封装在 C 函数中调用,导致语法复杂,静态分析甚至还会误报。(我曾经碰见过几次静态分析检查出 MRC 下一些内存泄露,但其实间接调用了 autorelease 的,根本不会泄露,改为直接调用 autorelease 就 OK 了)
  3. 程序员自身应该有一份 Check List,在平时变成变成过程中不断约束自己。比如判断 NSString 是否有内容时直接看 length 是否大于 0,而不是判断是否为 nil@""。这跟打游戏是否有意识差不多,写代码也要有『意识流』。

New Warnings

Xcode 9 的 LLVM 又新增了一百多个 error 和 warning,然而大多数程序员还不是照样忽视 warning 么?可以在编译设置中将 warning 升级成 error。如果是旧的工程,需要升级工程文件到 Xcode 9,然后才能看到这些新增的 warning 设置项。(点击工程->Editor->Validate Settings)

ARC 中的 Block 捕获参数

- (void)validateDictionary:(NSDictionary<NSString *, NSString *> *)dict error:(NSError **)error
{
    [dict enumerateKeysAndObjectsUsingBlock:^(NSString * _Nonnull key, NSString * _Nonnull obj, BOOL * _Nonnull stop) {
        if (obj.length > 0) {
            if (error) {
                *error = [NSError errorWithDomain:@"FishDomain" code:0 userInfo:nil];
            }
        }
    }];
}

ARC 会将 (NSError **)error 这种 “out-parameter” 隐式修饰为 __autoreleasing,也就是其实会被转化成 (NSError * __autoreleasing *)error。(PS:相关知识参考 Indirect parameters

*error 赋值时,因为它被 __autoreleasing 修饰,所以 ARC 下的 Clang 会隐式调用 retainautorelease。 PS: 相关知识参考 Semantics

enumerateKeysAndObjectsUsingBlock: 方法会在 [@autoreleasepool](https://github.com/autoreleasepool "@autoreleasepool" ) 里面执行 Block,在迭代逻辑中这样做有助于减少内存峰值。

于是 *error 就在 Block 里提前被释放了。Xcode 9 会针对这种情况发出 warning:”Block captures an autoreleasing out-parameter, which may result in use-after-free bugs”。解决方案:”Declare the parameter **strong or capture a **block __strong variable to keep values alive across autorelease pools”

第一个解决方案简单地把参数 (NSError **)error 改成 (NSError *__strong *)error,这要求调用方也使用 ARC。第二个解决方案是利用 __block 让 Block 捕获外部变量,默认是强引用:

- (void)validateDictionary:(NSDictionary<NSString *, NSString *> *)dict error:(NSError **)error
{
    __block NSError *strongError = nil;
    [dict enumerateKeysAndObjectsUsingBlock:^(NSString * _Nonnull key, NSString * _Nonnull obj, BOOL * _Nonnull stop) {
        if (obj.length > 0) {
            strongError = [NSError errorWithDomain:@"FishDomain" code:0 userInfo:nil];
        }
    }];
    if (error) {
        *error = strongError;
    }
}

关于 Clang 隐式调用 retainautorelease 更深入的细节如下:

Clang 5 中的 Objective-C ARC 方法家族

Objective-C 中有五大方法家族,每个家族都有自己的规矩:alloc/new/copy/mutableCopy 四个家族的方法返回的是 “a retainable object pointer”,而 init 家族方法要求必须是实例方法,必须返回 Objective-C 对象。

把一个方法划归到某个方法家族有两种方式:

  1. 按照命名惯例划分方法家族
  2. 使用 __attribute__((objc_method_family( somefamily ))) 直接指定

如果某个方法不遵循所在家族的规矩,会影响到内存管理,造成内存泄露等后果。(PS:如果是使用第二种方式把不守规矩的方法划归到家族,Clang 会报错。)

ARC 下遵循一套内存管理原则:

  1. alloc/new/copy/mutableCopy 家族的方法创建的对象是自己持有的,会被 Clang 隐式标记为 __attribute__((ns_returns_retained))。等效于 Foundation 中的宏 NS_RETURNS_RETAINED
  2. init 家族会被 Clang 隐式标记为 __attribute__((ns_consumes_self))__attribute__((ns_returns_retained)),用 NS_REPLACES_RECEIVER 宏也是等效的。
  3. 不属于任何方法家族的方法会被 Clang 隐式标记为 __attribute__((ns_returns_not_retained)),等效于 Foundation 中的宏 NS_RETURNS_NOT_RETAINED

一般情况下 Clang 会帮我们做这些事情,不必给方法声明手动标记这些属性。而且 Clang 会对最终生成的汇编指令进行优化,去掉多余的 retainautorelease

ARC 会视情况在调用方法时可能会添加 retain,在方法内部返回时可能会添加 autorelease,经过优化后很可能会抵消。

__attribute__ 其实并不是 Objective-C 的语法,而是 Clang 的属性。有关 Clang 的各种属性定义,请查看 Attributes in Clang

探索方法返回值内存管理的奥秘

先做两种情况的实验,查看汇编代码,并总结:

方法为 alloc/new/copy/mutableCopy 家族或方法声明使用 NS_RETURNS_RETAINED
- (id)newFoo;
- (id)foo NS_RETURNS_RETAINED;

- (id)newFoo
{
    return [NSObject new];
}
- (id)foo
{
    return [NSObject new];
}

debug 时从汇编中可以看出:调用方无操作,方法返回时无操作。这显然是优化后的结果。虽然两种方式都能达到优化效果,但更推荐采用让方法加入方法家族,而不是直接使用 NS_RETURNS_RETAINED 宏。

普通方法
- (id)foo;

- (id)foo
{
    return [NSObject new];
}

debug 时从汇编中可以看出:调用方调用 objc_retainAutoreleasedReturnValue(),方法返回时调用 objc_autoreleaseReturnValue()(如果返回值没有赋值给变量,会调用 objc_unsafeClaimAutoreleasedReturnValue())。

优化过程及原理

objc_retainAutoreleasedReturnValue(value) 会尝试将之前调用 objc_autoreleaseReturnValue(value) 时传入参数 value 的所有权(retain count)传递过来。如果没有在 value 上调用过 objc_autoreleaseReturnValue(value),那就调用 retain。具体原理通过查看 Objective-C 源码可以得出(我列举的是 objc-709):

objc_autoreleaseReturnValue() 试图优化流程,如果上一层调用方会调用 objc_retainAutoreleasedReturnValue() 则直接返回参数,否则调用 autorelease:

id 
objc_autoreleaseReturnValue(id obj)
{
    // ReturnAtPlus1 表示倾向直接把对象返回,这样就不需要调用 objc_autorelease(),优化性能
    if (prepareOptimizedReturn(ReturnAtPlus1)) return obj;

    return objc_autorelease(obj);
}

static ALWAYS_INLINE bool 
prepareOptimizedReturn(ReturnDisposition disposition)
{
    assert(getReturnDisposition() == ReturnAtPlus0);
    // __builtin_return_address(0) 获取当前函数返回地址,传入 callerAcceptsOptimizedReturn 判断调用方是否紧接着调用了 objc_retainAutoreleasedReturnValue 或者 objc_unsafeClaimAutoreleasedReturnValue
    if (callerAcceptsOptimizedReturn(__builtin_return_address(0))) {
        // 将标志位 disposition 写入 TLS
        if (disposition) setReturnDisposition(disposition);
        return true;
    }

    return false;
}

static ALWAYS_INLINE void 
setReturnDisposition(ReturnDisposition disposition)
{// 向 TLS 中写入 Disposition
    tls_set_direct(RETURN_DISPOSITION_KEY, (void*)(uintptr_t)disposition);
}

static ALWAYS_INLINE ReturnDisposition 
getReturnDisposition()
{// 从 TLS 中读取 Disposition
    return (ReturnDisposition)(uintptr_t)tls_get_direct(RETURN_DISPOSITION_KEY);
}

callerAcceptsOptimizedReturn() 函数在不同架构的 CPU 上实现也是不一样的,这是因为不同架构 CPU 的对齐方式不同,偏移量也不同。比如在 arm64 上由于指令对齐方式较好,只需判断函数返回的地址指向的值是不是 0xaa1d03fd 即可;而在 x86_64 平台上则要用一大坨代码来判断。有兴趣的可以查看 objc-object.h 文件。

objc_retainAutoreleasedReturnValue() 试图查看是否已优化过并直接返回参数,否则 retain:

id
objc_retainAutoreleasedReturnValue(id obj)
{   // 如果之前 objc_autoreleaseReturnValue() 存入的标志位为 ReturnAtPlus1,则直接返回对象,无需调用 objc_retain(),优化性能
    if (acceptOptimizedReturn() == ReturnAtPlus1) return obj;

    return objc_retain(obj);
}

// 负责从 TLS 中取标志位 ReturnDisposition,然后将其重置
static ALWAYS_INLINE ReturnDisposition 
acceptOptimizedReturn()
{
    ReturnDisposition disposition = getReturnDisposition();
    setReturnDisposition(ReturnAtPlus0);  // reset to the unoptimized state
    return disposition;
}

TLS 全称为 Thread Local Storage,是每个线程专有的键值存储。在某个线程上的函数调用栈上相邻两个函数对 TLS 进行了存取,这中间肯定不会有别的程序『插手』。所以 getReturnDisposition()setReturnDisposition() 的实现比较简单,不需要判断考虑是针对哪个对象的 Disposition 进行存取,因为当前线程上下文中只处理唯一的对象,保证不会乱掉。

无参数函数的声明

如果函数没有参数,需要用 void 显式声明。否则可能调用方会传入其他类型和数量的参数,在运行时引发 crash。如果用 void 显式声明,在编译阶段就会产生 error。

int foo() // warning:This function declaration is not a prototype
int foo(void) // OK

C++ Refactoring

对于一个带有 C++ 或 Objective-C++ 代码的工程来说,想重命名某个类名真的是艰难,Xcode 会提示不支持 C++!现在,各种操作也支持 C++ 咯:

LLVM 的重构代码功能极大节省了开发者的时间。

Features from C++17

其实这些都是 C++17 的新特性罢了,LLVM 9.0 积极响应支持。可以在编译选项 C++ Language Dialect 中选择使用的 C++ 标准库。GNU++17 比 C++17 多了语言扩展。

Structured Binding

解析 Tuple 可以一句搞定了:

std::tuple<int, double, char> compute();
void run() {
    auto [a, b, c] = compute();
}

甚至也可以解析类似 tuple 的类型:

struct Point { double x; double y; double z; };
Point computeMidPoint(Point p1, Point p2);
...
auto [x, y, z] = computeMidPoint(src, dest);

更多内容详见 C++17 的 Stuctured Binding

在条件判断语句中声明初始化变量

在判断某个条件之前,可能会产生一些中间变量,如果变量名与外界的有冲突,还会造成一些影响。所以需要一种只在条件判断语句范围内生效的局部变量,避免与无关逻辑代码有冲突:

if (auto a = getNumber(); a > 0) 
    foo();

...

a = 5; // error! a 只在上面的 if 作用域中有效。

constexpr if

if constexpr 开始的语句被称为 constexpr if 语句。— cppreference.com

举个栗子:advance 函数可以向前或向后迭代指定步数,但对于字符串和数组来说有更快的方式:无需一步步迭代,可以直接访问。但 advance 的参数是通用的,编译不通过:

传统解决方法是 Compile Time Dispatch:

C++17 的 constexpr if 可以一行搞定:

详见 constexpr if

string_view

简单来说它是指向字符串的指针,但不会拷贝一份字符串。一旦指向的字符串被修改或者被释放了,string_view 的内容也会跟跟着变,毕竟是同一份内存。所以,虽然会优化性能,慎用。就像 OC 中的字符串和数组传递赋值时一般都 copy,string_view 相当于是 assign,搞不好野指针呢。

详见 string_view

Link-Time Optimization

去年搞了个 LTO 和 增量 LTO,今年优化得编译速度更快了,于是建议我们打开 增量 LTO 啊:在编译选项中 Code Generation-&gt ;Link-Time Optimization

其实我看了 2016 年的 What’s New in LLVM, LTO 确实占了很大篇幅,不过当时还不建议开启。经过一年的优化后算是修成正果了。

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