惊人发现！Swift 循环性能对比，你用对了吗？

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前言

在 Swift 编程中，我们经常需要使用循环来处理数据，那么你有没有想过哪些循环函数的性能最好？

今天我们随便挑几个循环函数来测一下性能。

for 循环、while 循环和高阶函数 reduce 的性能表现如何呢？让我们通过一个简单的性能测试来一探究竟。

性能测试代码

我们使用以下代码来测量不同循环结构的执行时间，如果你想测试其他的循环方法，也可以参考这个代码：

func processTime(_ title: String, closure: () -> ()) {
    let startTime = CFAbsoluteTimeGetCurrent()
    closure()
    let duration = CFAbsoluteTimeGetCurrent() - startTime
    print(title, "Duration = \(String(format : "%.4f", duration))")
}

processTime("for-in") {
  var sum = 0
  for i in 0..<10000000 {
    sum += i
  }
}

processTime("while") {
  var sum = 0
  var i = 0
  while i<10000000 {
    sum += i
    i += 1
  }
}
        
processTime("reduce") {
  let sum = (0..<10000000).reduce(0, +)
}

测试结果

在 Debug 模式下运行上面的代码，结果如下：

• for-in Duration = 1.5586 秒

• while Duration = 0.0115 秒

• reduce Duration = 1.5766 秒

看到这个结果，我不禁好奇，为什么 for 循环和 reduce 比 while 循环慢这么多呢？

深入分析

for-in 循环分析

通过使用 Profiler Instruments 工具，我们可以更深入地了解 for-in 循环在底层的运作：

• for 循环被转换为 IndexingIterator。

• 每次调用下一个索引时，都会触发 next() 函数（97% 的时间都花在调用 next() 函数上）。

• 每次触发 next() 时，它会调用一系列协议方法（动态调度），这需要时间去查找协议表。

为什么 next() 函数使用动态调度呢？让我们看看 IndexingIterator 的实现细节：

public protocol Collection: Sequence {
    ...
}

public struct IndexingIterator<Elements: Collection> { 
    let _elements: Elements
}

extension IndexingIterator: IteratorProtocol, Sequence {
    public mutating func next() -> Elements.Element? {
        if _position == _elements.endIndex { return nil }
        let element = _elements[_position]
        _elements.formIndex(after: &_position)
        return element
    }
}

在 next() 函数中，我们使用了 _elements 属性。由于 _elements 可以是任何 Collection 协议类型，因此在编译时我们并不知道 _elements[_position] 或 _elements.formIndex 指向哪个成员。因此，我们必须在运行时查看虚表并使用协议表。

相比之下，while 循环只需管理一个参数，不需要执行任何表查找。因此，while 循环的工作量更少，性能自然比 for-in 和 reduce 更好。

Swift 编译器探索

我们还可以使用 godbolt 工具来查看代码的编译方式：

在编译时，Swift 会将 for-in 转换为：

let range: Range<Int> = 0..<10000000
let iterator = range.makeIterator()
while iterator.next() {
  ...
}

Release 模式下的表现

在 Release 模式下，开启编译器优化后，结果如下：

• for-in Duration = 0.0063 秒

• while Duration = 0.0053 秒

• reduce Duration = 0.0075 秒

在编译器优化开启的情况下，Swift 不需要执行一堆动态调度。它只需管理一个计数器变量，增加它的值并执行求和操作，直到算出结果为止。🚀

学到什么？

1. Profiler Instrument 是一个调试应用程序性能的有用工具。

2. 测量应用程序性能时，应在 Release 模式下进行。

3. 了解了一些关于 Swift 编译器的知识。

总的来说，while 循环在 Debug 模式下表现更好，而在 Release 模式下，开启编译器优化后，各种循环的性能差异变得不明显，表明编译器优化对性能的影响很大。

这提醒我们，在进行性能优化时，必须考虑编译器优化的影响。

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