前言

Swift type System

types.png

Swift是强类型的,尽管只有六种类型。

  • 命名类型: protocol, class , struct , enum
  • 复合类型:tuple, function

可能会有疑问,那些基本类型:Bool,Int,UInt, Float, Double, Character, String, Array, Set, Dictionary, Optional。实际上他们都是通过命名类型创建的。

Struct Class and Enum 比较

Swift中提供了多种可以结构化存储数据的方式,它们是: structenum
class。Swift标准库中的绝大多数类型都是struct,甚至Foundation中的一些类也提供了它们在Swift中的struct版本,而classenum只占很少一部分。

Class,Struct and Enum对比表

copy by inheritance static variable instance variable static method instance method
Class Reference
Struct Value
Enum Value

共同点:

  1. 都可以当作protocol
  2. 都可以使用extension,扩充method
  3. 都可以使用泛型

如何抉择?

通常,在平时的编程中,按照对象的生命周期形态,可以把使用的类型分成两大类:

  • 一类必须有明确生命周期的,它们必须被明确的初始化、使用、最后明确的被释放。例如:文件句柄、数据库连接、线程同步锁等等。这些类型的初始化和释放都不是拷贝内存这么简单,通常,这类内容,我们会选择使用class来实现。
  • 另一类,则是没有那么明显的生命周期。 例如:整数、字符串、URL等等。这些对象一旦被创建之后,就很少被修改,我们只是需要使用这些对象的值,用完之后,我们也无需为这些对象的销毁做更多额外的工作,只是把它们占用的内存回收就好了。这类内容,通常我们会选择使用structenum来实现。

Struct

Struct的定义和初始化

定义结构体
下面定义了一个二维空间坐标的类型:

struct Point {
    var x: Double
    var y: Double
}

这个结构体包含两个名x和y的存储属性。存储属性是被绑定和存储在结构体中的常量或变量。

初始化

  • 结构体类型的逐一初始化
    所有的结构体都有一个自动生成的成员逐一构造器
    var pointA = Point(x: 10, y: 20)
  • 默认初始化
    我们也可以在定义的时候直接给属性初始化
    struct Point {
    var x = 0.0
    var y = 0.0
    }
    var pointB = Point()

    使用这种方法,必须给每一个属性指定默认值。因为Swift中要求init方法必须初始化自定义类型每个属性。如果无法做到,我们可以自定义逐一初始化方法。

    struct Point {
    var x : Double
    var y : Double
    init(_ x : Double = 0.0, y : Double = 0.0) {
        self.x = x
        self.y = y
    }
    }

    当我们自定义init方法之后,Swift将不会再自动创建逐一初始化方法。

Struct 值类型本质

var pointB = Point(200, y: 100)
var pointC = Point(100, y: 200) {
    didSet {
        print("\(pointC)")
    }
}
pointC = pointB
// Point(x: 200.0, y: 100.0)
pointC.x = 200
//Point(x: 200.0, y: 100.0)

通过didSet观察pointC的变化。当修改pointC变量值时,控制台输出Point(x: 200.0, y: 100.0), 但是,修改pointC的修改某个属性,也会触发didSet

这就是值语义的本质:即使字面上修改了pointC变量的某个属性,但实际执行的逻辑是重新给pointC赋值一个新的Point对象。

为Struct添加方法

struct添加的方法,默认的都是只读的。计算Point之间的距离

extension Point {
    func distance(to: Point) -> Double {
        let distX = self.x - to.x
        let distY = self.y - to.y
        return sqrt(distX * distX + distY * distY)
    }
}
pointC.distance(to: Point(0, y: 0))

当我们定义一个移动X轴坐标点的方法时,会导致编译错误:

extension Point {
    func move(to: Point) {
        self = to 
    }
}

这里提示self is immutable , 必须使用mutating修饰这个方法, Swift编译器就会在所有的mutating方法第一个参数的位置,自动添加一个 inout Self参数。

extension Point {
    /* self: inout Self */
    mutating func move(to: Point) {
        self = to
    }
}

以上,是关于Struct类型的基本内容。

  • init方法的合成规则
  • 值语义在struct上的表现

Enum

在Swift中,对enum做了诸多改进和增强,它可以有自己的属性,方法,还可以遵从protocol

定义enum

定义了一个colorName枚举

enum ColorName {
    case black
    case silver
    case gray
    case white
    case red
    //.... and so on ....
}
// 也可以写在同一行上,用逗号隔开:
enum Month {
    case january, februray, march,
    april, may, june, july,
    august, september, october,
    november, december
}

使用

let black = ColorName.black
let jan = Month.january

注意:
与C和Objective-C不同,Swift的枚举成员在被创建时不会被赋予一个默认的整数值。上面定义的枚举成员是完备的值,这些值的类型就是定义好的枚举ColorNameMonth

理解Enum的“Value”

case 本身就是值

func myColor(color: ColorName) -> String {
    switch color {
    case .black:
        return "black"
    case .red:
        return "red"
    default :
        return "other"
    }
}

注意

  • color的类型可以通过type inference推导出是ColorName。因此,可以省略enum的名字。
  • 当Switch...case...将color的所有的值都列举出来时,可以省略default

绑定值(raw values)

在Swift中,enum默认不会为case绑定一个整数值。但是我们可以手动的绑定值,这个“绑定”来的值,叫做raw values。

enum Direction : Int {
    case east
    case south
    case west
    case north
}

现在定义Direction,Swift就会依次把case绑定上值。

let east = Direction.east.rawValue // 0

关联值(Associated value)

在Swift中, 我们可以给每一个case绑定不同类型的值,我们管这种值叫做Associated value

定义了一个表示CSSColor的enum:

enum CSSColor {
    case named(ColorName)
    case rgb(UInt8, UInt8, UInt8)
}

使用:

var color1 = CSSColor.named(.black)
var color2 = CSSColor.rgb(0xAA, 0xAA, 0xAA)
switch color2 {
case  let  .named(color):
     print("\(color)")
case .rgb(let r, let g, let b):
    print("\(r), \(g), \(b)")
}

注意:
提取”关联值“的内容时,可以把letvar写在case前面或者后面。例如:namedrgb

协议和方法(Protocol and Method)

在Swift中,enum和其他的命名类型一样,也可以采用protocol

例如: 给CSSColor添加一个文本表示。

extension CSSColor: CustomStringConvertible {
    var description: String {
        switch self {
        case .named(let colorname):
            return colorname.rawValue
        case .rgb(let red, let green, let blue):
            return String(format: "#%02X%02X%02X", red, green, blue)
        }
    }
}

结果:

let color3 = CSSColor.named(.red)
let color4 = CSSColor.rgb(0xBB, 0xBB, 0xBB)
print("color3=\(color3), color4=\(color4)") 
//color3=red, color4=#BBBBBB

什么是Copy on write (COW) ?

COW是一种常见的计算机技术,有助于在复制结构时提高性能。例如:一个数组中有1000个元素,如果你复制数组到另一个变量,Swift将复制全部的元素,即使最终两个数组的内容相同。

这个问题可以使用COW解决:当将两个变量指向同一数组时,他们指向相同的底层数据。两个变量指向相同的数据可能看起来矛盾。解决方法:当修改第二个变量的时候,Swift才会去复制一个副本,第一个不会改变。
通过延迟复制操作,直到实际使用到的时候 才去复制,以此确保没有浪费的工作。

注意:COW是特别添加到Swift数组和字典的功能,自定义的数据类型不会自动实现。

值类型和引用类型(Value vs. Reference Type)

Class和Struct有很多相似的地方,他们都可以用来自定义类型、都可以有属性、都可以有方法。作为Swift中的引用类型,class表达的是一个具有明生命周期的对象,我们关心的是类的生命周期。而值类型,我关注的是值本身。

差异对比

  1. 引用类型必须明确指定init方法
    Swift中class不会自动生成init方法。如果不定义编译器报错。
  2. 引用类型关注的是对象本身
    Circle (定义为Class)

    var a = Circle()
    a.radius = 80
    var b = a
    a.radius = 1000
    b.radius // 1000

    Circle(定义为Struct)

    var a = Circle()
    a.radius = 80
    var b = a
    a.radius = 1000
    b.radius // 80

    使用值类型创建新对象时,将复制;使用引用类型时,新变量引用同一个对象。这是两者的关键区别。

  3. 引用类型的默认值是可以修改的
    我们之前提到过,给struct添加的方法,默认的都是只读的。如果要修改必须用mutating来修饰。class中则不同,我们可以直接给 self赋值。

Class

理解class类型的各种init方法

由于class之间可以存在继承关系,因此它的初始化过程要比struct复杂,为了保证一个class中的所有属性都被初始化,Swift中引入一系列特定规则。

class Point2D {
    var x : Double
    var y : Double
}

这项写是不行了,因为没有定义初始化方法。

指定构造器(Designated init)

上面的Point2D有一个默认的初始化方法,有两种办法:第一种给每一个属性都添加默认值。

class Point2D {
    var x : Double = 0
    var y : Double = 0
}
let origin = Point2D()

这种方法只能创建一个固定的class。另外一种,添加一个memberwise init 方法

class Point2D {
    var x : Double = 0
    var y : Double = 0
    init(x: Double, y: Double) {
        self.x = x
        self.y = y
    }
}

添加个一个memberwise init方法,我们可以使用

let point = Point2D(x: 1, y: 1)

但是,如果你现在使用

let point = Point2D()  // Error 

结果会导致编译错误。 因为,我们接手了init的定义后,编译就不会插手init工作。所以,在定义init方法时添加默认参数, 我们称这种初始化为 designated init

class Point2D {
    var x : Double = 0
    var y : Double = 0
    init(x: Double = 0, y: Double = 0) {
        self.x = x
        self.y = y
    }
}

便利构造器 (convenience init)

class Point2D {
    var x : Double = 0
    var y : Double = 0
    init(x: Double = 0, y: Double = 0) {
        self.x = x
        self.y = y
    }
    convenience init(at: (Double, Double) ) {
        self.init(x: at.0, y: at.1)
    }
}
  • 使用convenience关键字修改;
  • 必须调用designated init完成对象的初始化;如果直接调用self.x或self.y,会导致编译错误。

可失败构造器 (Failable init )

class Point2D {
    // .... 
    convenience init?(at: (String, String)) {
        guard let x = Double(at.0),   let y = Double(at.1) else {
          return nil
        }
        self.init(at:(x, y))
    }
}

由于String tuple版的init可能失败,所以需要用init?形式定义。在实现里面,如果String无法转换为成Double, 则返回nil

注意:
严格来说,构造器都不支持返回值。因为构造器本身的作用,只是为了确保对象能被正确构造。因此,return nil表示构造失败,而不能return表示成功。

类的继承和构造过程

当类之间存在继承关系的时候,为了保证派生类和基类的属性都被初始化,Swift采用以下三条规则限制构造器之间的代理调用:

  • 指定构造器必须调用其直接父类的指定构造器
  • 便利构造器必须调用同类中定义的其它构造器
  • 便利构造器必须最终导致一个指定构造器被调用

简单说:

  • 指定构造器必须总是向上代理
  • 便利构造器必须总是横向代理

init的继承

class Point3D: Point2D {
    var z: Double = 0
}
let origin3D = Point3D()
let point31 = Point3D(x: 1, y: 1)
let point33 = Point3D(at: (2, 3)) // 继承基类 convenience init
  • 如果派生类没有定义任何designated initializer,那么它将自动继承所有基类的designated initializer
  • 如果一个派生类定义了所有基类的designated init,那么它将自动继承基类所有的convenience init

重载init方法

class Point3D: Point2D {
    var z: Double
    init(x: Double = 0, y: Double = 0, z: Double = 0) {
        self.z = z
        super.init(x: x, y: y)
    }
}

在派生类自定义designated init, 表示明确控制派生类的初始化构造过程, Swift 就不会干涉构造过程。那么,之前创建Point3D就会出现错误。

let point33 = Point3D(at: (2, 3))  // Error 

如果想让Point3DPoint2D继承所有的convenience init,只有在派生类中实现所有的designated init方法。

class Point3D: Point2D {
    var z: Double
    init(x: Double = 0, y: Double = 0, z: Double = 0) {
        self.z = z
        super.init(x: x, y: y)
    }
    override init(x: Double, y: Double) {
        // 注意先后顺序
        self.z = 0
        super.init(x: x, y: y)
    }
}

此时,就可以正常工作了。只要派生类拥有基类所有的designated init方法,他就会自动获得所有基类的convenience init方法。另外,重载基类convenience init方法,是不需要override关键字修饰的。

两段式构造过程

Swift为了保证在一个继承关系中,派生类和基类的属性都可以正确初始化而约定的初始化机制。简单来说,这个机制把派生类的初始化过程分成了两个阶段。

  • 阶段一: 从派生类到基类,自下而上让类的每个属性有初始值
  • 阶段二:所有属性都有初始值之后,从基类到派生类,自上而下对类的每个属性进行进一步加工。

两段式构造过程让构造过程更安全,同时整个类层级结构中给予了每个类完全的灵活性。两段式构造过程可以防止属性值在初始化之前被访问,也可以防止属性被另外一个构造器意外赋予不同的值。

参考

[The swift Programming Language]()
Swift Standard Library
如何学习Swift编程语言-泊学
Getting to Know Enums, Structs and Classes in Swift - raywenderlich