关于Swift中Struct，Class和Enum的哪些事儿

Owenli_千 2023-03-28 原文

前言

Swift type System

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： struct、enum和 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class和enum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：

都可以当作protocol
都可以使用extension,扩充method
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struct或enum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

给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ColorName或Month。

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let和var写在case前面或者后面。例如：named和rgb。

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

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。
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。

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Point3D从Point2D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

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