Swift 弱引用比强引用慢得多

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基准测试后，我注意到性能大幅下降。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，我将问题追溯到一行代码：

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

在我的补充中的某个时刻，我添加了来自Shape类到Body班级。这是为了防止强引用循环，因为Body也有很强的参考意义Shape.

不幸的是，弱引用似乎有很大的开销（我想将其消除的额外步骤）。我决定通过构建下面的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)

Results

以下是每种参考类型的基准时间。在每次测试中，body参考Shape班级被改变了。该代码是使用发布模式 [-O] 和面向 macOS 10.15 的 Swift 5.1 构建的。

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会导致性能提高 10 倍以上。使用unowned有帮助，但不幸的是它仍然慢 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，我有什么选择可以让一个简单的返回指针指向 Body 而不会产生这种 ARC 开销。此外，为什么这种开销看起来如此极端？我想我可以保留强引用循环并手动打破它。但我想知道是否有更好的选择？

Update:根据答案，这是结果
unowned(unsafe) var body: Body!：0.0160秒

Update2:从 Swift 5.2 (Xcode 11.4) 开始，我注意到 unowned(unsafe) 的开销要大得多。这是现在的结果unowned(unsafe) var body: Body!：0.0804秒

注意：从 Xcode 12/Swift 5.3 开始仍然如此

当我撰写/调查这个问题时，我最终找到了解决方案。拥有一个简单的后退指针，无需进行开销检查weak or unowned您可以将 body 声明为：

unowned(unsafe) var body: Body!

根据 Swift 文档：

Swift 还为您需要的情况提供不安全的无主引用 禁用运行时安全检查——例如，出于性能原因。 与所有不安全操作一样，您承担以下责任： 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。 如果您尝试在实例之后访问不安全的无主引用 它所指的已被释放，您的程序将尝试访问 实例曾经所在的内存位置，这是不安全的 手术

因此，很明显，这些运行时检查可能会在性能关键型代码中产生严重的开销。

Update: 从 Swift 5.2 (Xcode 11.4) 开始，我注意到unowned(unsafe)有更多的开销。我现在只是简单地使用强引用并手动中断保留周期，或者尝试在性能关键的代码中完全避免它们。

注意：从 Xcode 12/Swift 5.3 开始仍然如此