Swift 類與結構體

Cocoma發表於2019-03-01

前言
類和結構體是人們構建程式碼所用的一種通用且靈活的構造體。我們可以使用完全相同的語法規則來為類和結構體定義屬性(常量、變數)和新增方法,從而擴充套件類和結構體的功能。
與其他程式語言所不同的是,Swift 並不要求你為自定義類和結構去建立獨立的介面和實現檔案。你所要做的是在一個單一檔案中定義一個類或者結構體,系統將會自動生成面向其它程式碼的外部介面。

Swift 類與結構體

一、類和結構體對比

Swift 中類和結構體有很多共同點。共同處在於:

  • 定義屬性用於儲存值
  • 定義方法用於提供功能
  • 定義下標操作使得可以通過下標語法來訪問例項所包含的值
  • 定義構造器用於生成初始化值
  • 通過擴充套件以增加預設實現的功能
  • 實現協議以提供某種標準功能

與結構體相比,類還有如下的附加功能:

  • 繼承允許一個類繼承另一個類的特徵
  • 型別轉換允許在執行時檢查和解釋一個類例項的型別
  • 析構器允許一個類例項釋放任何其所被分配的資源
  • 引用計數允許對一個類的多次引用

注意
結構體總是通過被複制的方式在程式碼中傳遞,不使用引用計數。

定義語法

類和結構體有著類似的定義方式。我們通過關鍵字class和struct來分別表示類和結構體,並在一對大括號中定義它們的具體內容:

class SomeClass {
    // 在這裡定義類
}
struct SomeStructure {
    // 在這裡定義結構體
}
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注意
在你每次定義一個新類或者結構體的時候,實際上你是定義了一個新的 Swift 型別。因此請使用UpperCamelCase這種方式來命名(如SomeClass和SomeStructure等),以便符合標準 Swift 型別的大寫命名風格(如String,Int和Bool)。相反的,請使用lowerCamelCase這種方式為屬性和方法命名(如framerate和incrementCount),以便和型別名區分。

以下是定義結構體和定義類的示例:

struct Resolution {
    var width = 0
    var height = 0
}
class VideoMode {
    var resolution = Resolution()
    var interlaced = false
    var frameRate = 0.0
    var name: String?
}
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在上面的示例中我們定義了一個名為Resolution的結構體,用來描述一個顯示器的畫素解析度。這個結構體包含了兩個名為widthheight的儲存屬性。儲存屬性是被捆綁和儲存在類或結構體中的常量或變數。當這兩個屬性被初始化為整數0的時候,它們會被推斷為Int型別。

在上面的示例中我們還定義了一個名為VideoMode的類,用來描述一個視訊顯示器的特定模式。這個類包含了四個變數儲存屬性。第一個是解析度,它被初始化為一個新Resolution結構體的例項,屬性型別被推斷為Resolution。新VideoMode例項同時還會初始化其它三個屬性,它們分別是,初始值為false的 interlaced,初始值為0.0的frameRate,以及值為可選Stringnamename屬性會被自動賦予一個預設值nil,意為“沒有name值”,因為它是一個可選型別。

類和結構體例項

Resolution結構體和VideoMode類的定義僅描述了什麼是ResolutionVideoMode。它們並沒有描述一個特定的解析度(resolution)或者視訊模式(video mode)。為了描述一個特定的解析度或者視訊模式,我們需要生成一個它們的例項。

生成結構體和類例項的語法非常相似:

let someResolution = Resolution()
let someVideoMode = VideoMode()
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結構體和類都使用構造器語法來生成新的例項。構造器語法的最簡單形式是在結構體或者類的型別名稱後跟隨一對空括號,如Resolution()VideoMode()。通過這種方式所建立的類或者結構體例項,其屬性均會被初始化為預設值.

屬性訪問

通過使用點語法,你可以訪問例項的屬性。其語法規則是,例項名後面緊跟屬性名,兩者通過點號(.)連線:

print("The width of someResolution is (someResolution.width)")
// 列印 "The width of someResolution is 0"
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在上面的例子中,someResolution.width引用someResolutionwidth屬性,返回width的初始值0。

你也可以訪問子屬性,如VideoModeResolution屬性的width屬性:

print("The width of someVideoMode is (someVideoMode.resolution.width)")
// 列印 "The width of someVideoMode is 0"
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你也可以使用點語法為變數屬性賦值:

someVideoMode.resolution.width = 1280
print("The width of someVideoMode is now (someVideoMode.resolution.width)")
// 列印 "The width of someVideoMode is now 1280"
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注意
與 Objective-C 語言不同的是,Swift 允許直接設定結構體屬性的子屬性。上面的最後一個例子,就是直接設定了someVideoMode中resolution屬性的width這個子屬性,以上操作並不需要重新為整個resolution屬性設定新值。

結構體型別的成員逐一構造器

所有結構體都有一個自動生成的成員逐一構造器,用於初始化新結構體例項中成員的屬性。新例項中各個屬性的初始值可以通過屬性的名稱傳遞到成員逐一構造器之中:

let vga = Resolution(width:640, height: 480)
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與結構體不同,類例項沒有預設的成員逐一構造器。

二、結構體和列舉是值型別

值型別被賦予給一個變數、常量或者被傳遞給一個函式的時候,其值會被拷貝。

在之前的章節中,我們已經大量使用了值型別。實際上,在 Swift 中,所有的基本型別:整數(Integer)、浮點數(floating-point)、布林值(Boolean)、字串(string)、陣列(array)和字典(dictionary),都是值型別,並且在底層都是以結構體的形式所實現。

在 Swift 中,所有的結構體和列舉型別都是值型別。這意味著它們的例項,以及例項中所包含的任何值型別屬性,在程式碼中傳遞的時候都會被複制。

請看下面這個示例,其使用了前一個示例中的Resolution結構體:

let hd = Resolution(width: 1920, height: 1080)
var cinema = hd
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在以上示例中,宣告瞭一個名為hd的常量,其值為一個初始化為全高清視訊解析度(1920 畫素寬,1080 畫素高)的Resolution例項。

然後示例中又宣告瞭一個名為cinema的變數,並將hd賦值給它。因為Resolution是一個結構體,所以cinema的值其實是hd的一個拷貝副本,而不是hd本身。儘管hd和cinema有著相同的寬(width)和高(height),但是在幕後它們是兩個完全不同的例項。

下面,為了符合數碼影院放映的需求(2048 畫素寬,1080 畫素高),cinemawidth屬性需要作如下修改:

cinema.width = 2048
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這裡,將會顯示cinema的width屬性確已改為了2048:

print("cinema is now (cinema.width) pixels wide")
// 列印 "cinema is now 2048 pixels wide"
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然而,初始的hd例項中width屬性還是1920:

print("hd is still (hd.width) pixels wide")
// 列印 "hd is still 1920 pixels wide"
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在將hd賦予給cinema的時候,實際上是將hd中所儲存的值進行拷貝,然後將拷貝的資料儲存到新的cinema例項中。結果就是兩個完全獨立的例項碰巧包含有相同的數值。由於兩者相互獨立,因此將cinemawidth修改為2048並不會影響hd中的width的值。

列舉也遵循相同的行為準則:

enum CompassPoint {
    case North, South, East, West
}
var currentDirection = CompassPoint.West
let rememberedDirection = currentDirection
currentDirection = .East
if rememberedDirection == .West {
    print("The remembered direction is still .West")
}
// 列印 "The remembered direction is still .West"
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上例中rememberedDirection被賦予了currentDirection的值,實際上它被賦予的是值的一個拷貝。賦值過程結束後再修改currentDirection的值並不影響rememberedDirection所儲存的原始值的拷貝。

四、類是引用型別

與值型別不同,引用型別在被賦予到一個變數、常量或者被傳遞到一個函式時,其值不會被拷貝。因此,引用的是已存在的例項本身而不是其拷貝。

請看下面這個示例,其使用了之前定義的VideoMode類:

let tenEighty = VideoMode()
tenEighty.resolution = hd
tenEighty.interlaced = true
tenEighty.name = "1080i"
tenEighty.frameRate = 25.0
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以上示例中,宣告瞭一個名為tenEighty的常量,其引用了一個VideoMode類的新例項。在之前的示例中,這個視訊模式(video mode)被賦予了HD解析度(1920*1080)的一個拷貝(即hd例項)。同時設定為interlaced,命名為“1080i”。最後,其幀率是25.0幀每秒。

然後,tenEighty被賦予名為alsoTenEighty的新常量,同時對alsoTenEighty的幀率進行修改:

let alsoTenEighty = tenEighty
alsoTenEighty.frameRate = 30.0
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因為類是引用型別,所以tenEightalsoTenEight實際上引用的是相同的VideoMode例項。換句話說,它們是同一個例項的兩種叫法。

下面,通過檢視tenEightyframeRate屬性,我們會發現它正確的顯示了所引用的VideoMode例項的新幀率,其值為30.0:

print("The frameRate property of tenEighty is now (tenEighty.frameRate)")
// 列印 "The frameRate property of theEighty is now 30.0"
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需要注意的是tenEightyalsoTenEighty被宣告為常量而不是變數。然而你依然可以改變tenEighty.frameRatealsoTenEighty.frameRate,因為tenEightyalsoTenEighty這兩個常量的值並未改變。它們並不“儲存”這個VideoMode例項,而僅僅是對VideoMode例項的引用。所以,改變的是被引用的VideoModeframeRate屬性,而不是引用VideoMode的常量的值。

恆等運算子

因為類是引用型別,有可能有多個常量和變數在幕後同時引用同一個類例項。(對於結構體和列舉來說,這並不成立。因為它們作為值型別,在被賦予到常量、變數或者傳遞到函式時,其值總是會被拷貝。)

如果能夠判定兩個常量或者變數是否引用同一個類例項將會很有幫助。為了達到這個目的,Swift 內建了兩個恆等運算子:

  • 等價於(===)
  • 不等價於(!==)

運用這兩個運算子檢測兩個常量或者變數是否引用同一個例項:

if tenEighty === alsoTenEighty {
    print("tenEighty and alsoTenEighty refer to the same Resolution instance.")
}
//列印 "tenEighty and alsoTenEighty refer to the same Resolution instance."
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請注意,“等價於”(用三個等號表示,===)與“等於”(用兩個等號表示,==)的不同:

  • 等價於”表示兩個類型別(class type)的常量或者變數引用同一個類例項。
  • 等於”表示兩個例項的值“相等”或“相同”,判定時要遵照設計者定義的評判標準,因此相對於“相等”來說,這是一種更加合適的叫法。

當你在定義你的自定義類和結構體的時候,你有義務來決定判定兩個例項“相等”的標準。

指標

如果你有 C,C++ 或者 Objective-C 語言的經驗,那麼你也許會知道這些語言使用指標來引用記憶體中的地址。一個引用某個引用型別例項的 Swift 常量或者變數,與 C 語言中的指標類似,但是並不直接指向某個記憶體地址,也不要求你使用星號(*)來表明你在建立一個引用。Swift 中的這些引用與其它的常量或變數的定義方式相同。

五、類和結構體的選擇

在你的程式碼中,你可以使用類和結構體來定義你的自定義資料型別。

然而,結構體例項總是通過值傳遞,類例項總是通過引用傳遞。這意味兩者適用不同的任務。當你在考慮一個工程專案的資料結構和功能的時候,你需要決定每個資料結構是定義成類還是結構體。

按照通用的準則,當符合一條或多條以下條件時,請考慮構建結構體:

  • 該資料結構的主要目的是用來封裝少量相關簡單資料值。
  • 有理由預計該資料結構的例項在被賦值或傳遞時,封裝的資料將會被拷貝而不是被引用。
  • 該資料結構中儲存的值型別屬性,也應該被拷貝,而不是被引用。
  • 該資料結構不需要去繼承另一個既有型別的屬性或者行為。

舉例來說,以下情境中適合使用結構體:

  • 幾何形狀的大小,封裝一個width屬性和height屬性,兩者均為Double型別。
  • 一定範圍內的路徑,封裝一個start屬性和length屬性,兩者均為Int型別。
  • 三維座標系內一點,封裝x,y和z屬性,三者均為Double型別。

在所有其它案例中,定義一個類,生成一個它的例項,並通過引用來管理和傳遞。實際中,這意味著絕大部分的自定義資料構造都應該是類,而非結構體。

六、字串、陣列、和字典型別的賦值與複製行為

Swift 中,許多基本型別,諸如String,Array和Dictionary型別均以結構體的形式實現。這意味著被賦值給新的常量或變數,或者被傳入函式或方法中時,它們的值會被拷貝。

Objective-C 中NSString,NSArray和NSDictionary型別均以類的形式實現,而並非結構體。它們在被賦值或者被傳入函式或方法時,不會發生值拷貝,而是傳遞現有例項的引用。

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