Swift 弱引用比强引用慢得多

Question

我正在用 Swift 构建一个物理引擎。在对引擎进行了一些最近的添加并运行了基准测试之后，我注意到性能大大降低了。例如，在下面的屏幕截图中，您可以看到 FPS 如何从 60 FPS 下降到 3 FPS（FPS 位于右下角）。最终，我将问题归结为一行代码：

final class Shape {
    ...
    weak var body: Body! // This guy
    ...
}

在我添加的某个时候，我添加了一个从Shape类到Body类的弱引用。这是为了防止强引用循环，因为Body也有对Shape.

不幸的是，弱引用似乎有很大的开销（我想将它清零的额外步骤）。我决定通过构建下面物理引擎的大规模简化版本并对不同的参考类型进行基准测试来进一步研究这一点。

---

import Foundation

final class Body {
    let shape: Shape
    var position = CGPoint()
    init(shape: Shape) {
        self.shape = shape
        shape.body = self
        
    }
}

final class Shape {
    weak var body: Body! //****** This line is the problem ******
    var vertices: [CGPoint] = []
    init() {
        for _ in 0 ..< 8 {
            self.vertices.append( CGPoint(x:CGFloat.random(in: -10...10), y:CGFloat.random(in: -10...10) ))
        }
    }
}

var bodies: [Body] = []
for _ in 0 ..< 1000 {
    bodies.append(Body(shape: Shape()))
}

var pairs: [(Shape,Shape)] = []
for i in 0 ..< bodies.count {
    let a = bodies[i]
    for j in i + 1 ..< bodies.count {
        let b = bodies[j]
        pairs.append((a.shape,b.shape))
    }
}

/*
 Benchmarking some random computation performed on the pairs.
 Normally this would be collision detection, impulse resolution, etc.
 */
let startTime = CFAbsoluteTimeGetCurrent()
for (a,b) in pairs {
    var t: CGFloat = 0
    for v in a.vertices {
        t += v.x*v.x + v.y*v.y
    }
    for v in b.vertices {
        t += v.x*v.x + v.y*v.y
    }
    a.body.position.x += t
    a.body.position.y += t
    b.body.position.x -= t
    b.body.position.y -= t
}
let time = CFAbsoluteTimeGetCurrent() - startTime

print(time)

---

结果

以下是每种参考类型的基准时间。在每次测试中，body对Shape类的引用都发生了变化。代码是使用发布模式 [-O] 构建的，Swift 5.1 面向 macOS 10.15。

weak var body: Body!: 0.1886 秒

var body: Body!: 0.0167 秒

unowned body: Body!: 0.0942 秒

您可以看到在上面的计算中使用强引用而不是弱引用可将性能提高 10 倍以上。使用unowned帮助，但不幸的是它仍然慢了 5 倍。通过探查器运行代码时，似乎会执行额外的运行时检查，从而导致大量开销。

所以问题是，在不产生这种 ARC 开销的情况下，我有什么选择可以让一个简单的返回指向 Body 的指针。此外，为什么这种开销看起来如此极端？我想我可以保持强引用循环并手动打破它。但我想知道是否有更好的选择？

更新： 根据答案，这里是结果
unowned(unsafe) var body: Body!： 0.0160 s

更新 2： 从 Swift 5.2 (Xcode 11.4) 开始，我注意到 unowned(unsafe) 有更多的开销。这是现在的结果 unowned(unsafe) var body: Body!： 0.0804 s

注意：从 Xcode 12/Swift 5.3 开始，这仍然是正确的

Answer 1

在我撰写/调查此问题时，我最终找到了解决方案。要拥有一个简单的后向指针，而无需检查weakor的开销，unowned您可以将 body 声明为：

unowned(unsafe) var body: Body!

根据 Swift 文档：

Swift 还为需要禁用运行时安全检查的情况提供不安全的无主引用——例如，出于性能原因。与所有不安全的操作一样，您有责任检查该代码的安全性。

您可以通过编写 unowned(unsafe) 来指示不安全的无主引用。如果您在其引用的实例被释放后尝试访问不安全的无主引用，您的程序将尝试访问该实例曾经所在的内存位置，这是一个不安全的操作

所以很明显，这些运行时检查会在性能关键代码中产生严重的开销。

更新：从 Swift 5.2 (Xcode 11.4) 开始，我注意到unowned(unsafe)有更多的开销。我现在只是使用强引用并手动中断保留循环，或者尝试在性能关键代码中完全避免它们。

注意：从 Xcode 12/Swift 5.3 开始，这仍然是正确的