iOS objc_msgSend尾调用优化机制详解

级别：★★☆☆☆

标签：「objc_msgSend」「尾调用优化」「尾递归」

作者：WYW、 MrLiuQ

审校：QiShare团队

这篇文章的出现起因于Q·i Share团队对 iOS 编写高质量Objective-C代码（二）中 （六、理解objc_msgSend（对象的消息传递机制）） 的激烈讨论。

_{注：Q·i Share是我们的团队名称，QiShare是我们的分享品牌。}

这篇文章将认真彻底地分析 OC对 objc_msgSend 的 尾调用优化 。同时欢迎路过的大神留言讨论。

Q1：什么是尾调用？

尾调用（ Tail Call ）：某个函数的最后一步 仅仅 只是调用了一个函数（可以是自身，可以是另一个函数）。

QiShare提醒：注意 “仅仅” 两个字。

尾调用例子：

// 尾调用：
- (NSInteger)funcA:(NSInteger)num {

    /*  Some codes... */

    if (num = 0) {
        return [self funcA:num];// 尾调用->自身
    }    

    if (num > 0) {
        return [self funcB:num];// 尾调用->函数funcB
    }    

    return [self funcC:num];// 尾调用->函数funcC
}
复制代码

正例解释：funcA的最后一步仅仅调用了另一个函数。不论是调用funcA、funcB还是funcC都属于尾调用。~（不论调用函数的位置在哪，只要最后一步仅仅调用一个函数就行）~

反例：不是尾调用的例子

// 不是尾调用1：
- (NSInteger)funcA:(NSInteger)num {

    NSInteger num = [self funcB:(num)];

    return num;// 不是尾调用->最后一步是返回一个值，而不是调用一个函数
}
复制代码

反例解释：不是尾调用。因为最后一步是返回一个值，而不是仅仅调用一个函数

// 不是尾调用2：
- (NSInteger)funcA:(NSInteger)num {

    return [self funcB:(num)] + 0;// 不是尾调用->原因：最后一步不仅调用了函数还有 +0 操作
}
复制代码

反例解释：不是尾调用。因为最后一步不仅调用了函数还有 +0 操作

Q2：OC的尾调用优化体现在哪里？

小编准备了一个demo：通过“断点”和“当前内存情况”查看有无尾调用优化

场景一：无优化 - 追加了0.0不属于尾调用

无优化Demo效果图：

解释： 这种场景下，每次函数调用一直在进栈，不断申请栈空间，最后会栈溢出，最终导致崩溃。
空间复杂度O(n)，时间复杂度O(n)。

下面请看图解：

场景二：有尾调用优化

优化Demo效果图：

解释： 这种场景下，每次函数调用一直在重用栈帧，不申请栈空间。
空间复杂度O(1)，时间复杂度O(n)。

下面请看图解：

Q3：OC是如何实现尾调用优化的？

这次讨论起因于《Effective Objective-C 2.0》作者的原话：

如果某函数的最后一项操作是调用另外一个函数，那么就可以运用 “ 尾调用优化 ” 技术。编译器会生成调转至另一函数所需的指令码，而且不会向调用堆栈中推入新的 “栈帧” （frame stack）。只有当某函数的最后一个操作仅仅是调用其他函数而 不会将其返回值另作他用 时，才能执行 “ 尾调用优化 ” 。

这项优化对 objc_msgSend 非常关键，如果不这么做的话，那么每次调用Objective-C方法之前，都需要为调用objc_msgSend函数准备“栈帧”，大家在“栈踪迹”（stack trace）中可以看到这种“栈帧”。此外，如果不优化，还会过早地发生“栈溢出”（stack overflow）现象。

作者这一段概括的话，很精简。而小编第一次看时，感觉很懵懂。在这里，QiShare对这段话进行了详细的分析：

1. 尾调用优化的本质：很简单，就是栈帧的复用。

2. 尾调用优化的条件有三点：

   • 尾调用函数不需要访问当前栈帧中的变量。（变量是形参可以，变量是实参不行）
   • 尾调用返回后，函数没有语句需要执行。（最后一步仅仅只能执行一个函数）
   • 尾调用结果就是函数的返回值。（不能有别的“附加品”，最后一步仅仅只能是执行一个函数）

3. 函数调用的过程：函数调用会在内存中申请一块“栈帧”，保存调用的地址和内部变量等信息。如果函数A内部调用函数B，那么在函数A的栈帧上就会加上一个函数B的栈帧 。如果函数B再调用了函数C，那么函数A的栈帧上就会有序加上函数B和函数C的栈帧。如果C运行结束了，返回到函数B，C的栈帧才会消失。

4. 尾调用优化实现原理：当函数A的最后一步仅仅是调用另一个函数B时（或者调用自身函数A），这时，因为函数A的位置信息和内部变量已经不会再用到了，直接把函数A的栈帧交给函数B使用。

5. 尾调用优化关键图解：

   

总结：

1. 尾调用：某个函数的最后一步 仅仅 调用了一个函数（可以是自身，可以是另一个函数）。

2. OC的尾调用优化的本质是：栈帧的复用

3. 尾调用优化实现 原理 ：当函数A的最后一步仅仅是调用另一个函数B时（或者调用自身函数A），这时，因为函数A的位置信息和内部变量已经不会再用到了，直接把函数A的栈帧交给函数B使用。

本文Demo源码地址

关注我们的途径有：

QiShare(简书)

QiShare(掘金)

QiShare(知乎)

QiShare(GitHub)

QiShare(CocoaChina)

QiShare(StackOverflow)

QiShare(微信公众号)