<p>《Swift进阶》涵盖了关于Swift程序设计的进阶话题。如果你已经通读Apple 的《Swift编程指南》，并且想要深入探索关于这门语言的更多内容，那么这《Swift进阶》正适合你！</p>    <p>Swift非常适合用来进行系统编程，同时它也能被用于书写高层级的代码。我们在书中既会研究像泛型、协议这样的高层级抽象的内容，也会涉足像封装C 代码以及字符串内部实现这样的低层级话题。《Swift进阶》将帮助你进一步完善知识体系，带领你从Swift的入门或中级水平迈入Swift高级开发者的大门。</p>

Swift语言在2017年迅速崛起，超越Objective-C，成为编程界的宠儿。Swift的跨平台和开源特性，为开发者提供了前所未有的机遇。然而，要想写出优秀的代码，开发者需要深入理解Swift的底层实现和设计思路。《Swift进阶》这本书深入剖析了Swift的各种语言特性，从集合类型、泛型、协议到字符串等，帮助读者从宏观上理解Swift的设计哲学，提升编程水平。



译者序

本书面向的是有经验的程序员，读者需具备Apple平台开发经验或具备其他语言如Java或C++的转行需求。书中旨在帮助读者将Swift知识提升至与熟悉语言相当的水平，并适合已学习Swift且渴望深入学习的程序员。书中不仅涉及基础概念，还深入探讨如可选值、字符串等主题，并介绍Swift的多种特性，如泛型、协议、值类型等。Swift既支持面向对象编程，也支持函数式编程，同时提供与Objective-C的兼容性。书中强调Swift代码的简洁、精确和可读性，并介绍了一些编程原则和风格指南，以帮助读者写出清晰、高效的代码。



第1章 介绍

Swift编程语言中的数组操作是基础且关键的部分。定义数组时，`let`关键字创建不可变数组，而`var`关键字则用于创建可变数组。不可变数组一旦初始化，其元素就不能被更改，这对于确保数据一致性很有帮助。

Swift数组的操作包括多种方法，例如`append`用于向数组末尾添加元素，`map`和`filter`用于处理数组元素，而`flatMap`则可以用来将嵌套数组展平。这些方法通过实例化清晰地展示了其应用。此外，数组的值语义意味着复制赋值不会影响原数组，这是确保数据独立性的关键。

在处理数组时，避免使用索引计算是一个重要建议，因为这可能导致运行时错误。相反，推荐使用切片、遍历等方法来处理数组。

闭包在数组操作中也扮演了重要角色，通过闭包可以实现复杂的数组操作，如排序和筛选。闭包允许开发者以更简洁的方式表达复杂的逻辑。

对于数组和字典的高级操作，Swift提供了多种高效的方法，如`contains`、`filter`、`reduce`和`flatMap`。通过封装自定义函数，如`all(matching:)`，可以提升代码的可读性。`reduce`方法可以用于从数组中提取总和或字符串等。`flatMap`特别适用于处理嵌套数组，而`forEach`则用于简单的迭代操作。

数组切片的概念在Swift中也很重要，它允许我们选择数组的一部分进行操作。此外，通过桥接技术，Swift数组可以与Objective-C兼容。

除了数组，Swift还提供了其他重要的数据结构，如字典、集合和范围。字典由键和值组成，查找效率高，而集合则是一组无序且元素唯一的集合。范围表示两个值的区间，适用于不同的场景。

对于范围类型，Swift 3之前存在半开和闭合两种类型，但在Swift 3中，这些类型都被视为半开。Swift 4引入了`CountableRange`和`CountableClosedRange`，这使得半开和闭合范围在处理上有所不同。闭合范围可以包含最大值，而半开范围则不包含。整数范围是可数范围，而浮点范围不是，因此只能迭代整数范围。

通过掌握这些数据结构和操作技巧，开发者可以在Swift编程中更高效地处理数据，提升代码性能和可维护性。

第2章 内建集合类型

在Swift编程语言中，序列和迭代器是集合类型的基础，允许开发者通过循环轻松遍历一系列相同类型的值。任何遵循Sequence协议的类型都能提供高级功能，实现这一协议的方式也很简单——只需提供一个`makeIterator()`方法来返回迭代器。迭代器负责生成序列的值，并在遍历过程中管理状态。大多数迭代器的`next()`方法会生成有限数量的元素，最终返回nil。序列可以是有限的，也可以是无限的，而迭代器具有值语义，意味着复制迭代器会创建独立的遍历状态。

使用AnyIterator和AnySequence，开发者可以创建迭代器和序列，同时`sequence`函数也能用来生成序列。Sequence协议涵盖了迭代器和子序列的概念，子序列允许用户获取原序列的子集，如前缀、后缀、移除首尾元素或分割等。如果未指定子序列类型，编译器默认使用AnySequence。子序列类型需要满足是序列且元素类型与原序列一致的条件。

文章还展示了如何通过扩展Sequence协议来检查序列的开头和结尾是否相同。需要注意的是，在Swift 3.0版本中，某些约束条件无法实现，这将在后续版本中得到改进。

3.1 序列

在Swift中，集合类型是一种稳定的序列，允许多次遍历且保持一致性。这些类型包括数组、字典和字符串等，它们可以通过下标索引来获取元素。Collection协议建立在Sequence协议之上，增加了额外的功能，如计数等。

文章介绍了队列的实现，它使用两个栈来模拟队列行为，并通过两个数组来实现入队和出队操作。同时，队列也被设计为遵守Collection协议和ExpressibleByArrayLiteral协议，使其可以像数组一样使用。

在Swift中，集合类型的迭代器和索引概念非常重要。标准库中的集合类型普遍使用IndexingIterator作为迭代器，而自定义集合无需自行定义迭代器。SubSequence是Sequence的子类型，它应当也是Collection，但当前类型系统无法强制约束。Indices用于表示集合的有效索引，默认类型是DefaultIndices。

在迭代索引时，需要特别注意性能问题，特别是在集合内容变化时。如果计算索引不依赖于集合本身，可以直接使用CountableRange作为Indices类型。这样的设计使得Swift集合类型既灵活又高效。

3.2 集合类型

切片操作，它是所有集合类型的默认实现，通过下标方法实现。例如，`list.dropFirst()`可以通过索引方法得到与它等价的结果。切片是一种轻量级封装，它不仅保存对原集合的引用，还记录了切片的边界。然而，切片不会回收其后续节点的内存，因为切片最后一个节点仍然持有对后续节点的引用。尽管如此，切片与原集合共享索引，这给切片的使用带来了便利。此外，介绍了自定义切片的实现方法，即通过返回自身并持有不同的起始索引和终止索引来表示子序列，这样切片就变成了列表本身，尺寸也得以优化。最后，讨论了切片与原集合索引的互换使用，并提出了在使用整数索引时，集合的索引不一定从0开始的观点。



3.4 切片

Swift中的集合类型及其协议。Swift定义了多种集合类型，每个类型都有其独特的功能和限制。基础协议Collection规定了集合的基本要求，但为了提供更多功能，Swift定义了四个专门的集合类型协议：BidirectionalCollection、RandomAccessCollection、MutableCollection和RangeReplaceableCollection。这些协议扩展了Collection的功能，使得集合类型可以支持双向遍历、随机存取、元素修改和范围替换等操作。通过组合这些协议，Swift为开发者提供了强大的集合操作工具。



3.5 专门的集合类型

第3章 集合类型协议

编程中哨岗值的使用，如EOF、空值和null指针等，它们虽然能表示错误或未找到的状态，但易造成混淆和错误。作者指出，这种设计容易导致问题，因为需要预先的知识才能正确使用，且没有明确的方法表明函数不会失败。他还提到null引用的设计者对这一决策表示痛心，认为它是导致大量错误和损失的原因。



第4章 可选值

在Swift编程语言中，枚举和可选值是两种核心概念，它们大大提升了代码的安全性和便利性。枚举能够安全地表达一组不相关的可能值，并且通过引入关联值，使得枚举可以包含其他类型的值。同时，可选值（Optional）允许变量存储一个值或者nil，为代码带来了更高的灵活性。

Swift中的可选值有多种用法，包括if let、while let、for循环等，这些用法能够安全地处理可选值，避免运行时错误。书中详细介绍了双重可选值的概念，以及如何处理嵌套的可选值，强调了在解包可选值时作用域的限制和改进方法。

在处理可选值时，Swift提供了丰富的技巧，如可选链和nil合并运算符。可选链允许开发者以更简洁的方式访问可选值中的属性或方法，而nil合并运算符则能在可选值为nil时提供一个默认值。此外，可选值map和flatMap函数可以帮助开发者简化对可选值的操作。

为了避免嵌套的可选值带来的复杂性，书中建议开发者注意避免这种情况，并提供了解决方案。同时，书中还详细解释了如何使用flatMap处理可选值，过滤nil值，以及实现自定义的flatten函数。

在强制解包可选值时，Swift提供了强制解包运算符!?和条件解包运算符!??，它们在调试版本中可以进行断言。书中还探讨了隐式可选值的概念及其使用场景，指出在原生Swift代码中，推荐使用普通可选值而非隐式可选值，尤其是在回调中。

隐式可选值在某些情况下会自动解包，但其行为与普通可选值存在差异，如不能作为函数的inout参数。在需要传递大量信息或错误提示时，更应考虑使用错误处理机制。因此，虽然隐式可选值在某些桥接代码中仍可见，但它们的使用场景应尽可能减少。

通过学习Swift中关于枚举和可选值的知识，开发者能够编写出更加安全、可读性更高的代码。这些内容对于Swift开发者具有重要的指导意义，有助于提高编程技能。

4.1 哨岗值

在Swift中，值类型和引用类型是两种主要的变量类型。值类型，如结构体，在复制时会复制整个值，保证了不可变性，同时提高了线程安全性。引用类型，如类，通过引用来操作，容易产生bug，因为它们可以被多个持有者共享。

值类型，尤其是结构体，在Swift中具有值语义，意味着它们通过复制传递，从而避免了引用循环的问题。编译器还会对值类型进行优化，减少不必要的复制操作，提高效率。在处理对象和数组时，结构体通常比类更直接，效率更高。Swift还提供了写时复制技术，进一步优化了值类型的性能。

Swift中的`mutating`关键字允许结构体中的方法修改其属性，与`let`变量相冲突，因为`let`变量一旦初始化就不能被修改。此外，Swift提供了可变和不可变版本的函数，如数组的`sort()`和`sorted()`方法，以确保效率。

`inout`关键字允许函数参数在函数内部被修改，就像普通变量一样。在处理数组时，下标操作符实际上将元素作为`inout`参数传递。为了确保线程安全，结构体的使用是关键，因为它们不会产生多线程访问的问题。写时复制技术也是一种优化，它只在数据被修改时才进行复制，这对于提高性能至关重要。

`isKnownUniquelyReferenced`函数用于检查对象引用的唯一性，以实现高效的写时复制。

在Swift中，值类型和引用类型的内存管理机制是不同的。值类型和引用类型在内存中的存储方式以及它们的生命周期不同。使用弱引用和`unowned`引用可以避免循环引用。类和结构体在内存管理上的差异表明，选择合适的类型对于避免不必要的复杂性至关重要。

闭包作为引用类型，可以捕获外部变量，但如果这些变量是引用类型，闭包将持有它们的强引用。了解闭包如何影响引用计数，以及如何使用弱引用或捕获列表避免引用循环问题，对于掌握Swift编程语言至关重要。在Swift中使用结构体和类的区别，以及如何根据需求选择合适的类型，是避免不必要的复杂性的关键。

第5章 结构体和类

Swift的排序功能强大而灵活，通过`sorted(by:)`和`sort(by:)`方法，可以轻松对数组进行排序，并自定义排序规则。即使元素不遵循`Comparable`协议，只要定义比较操作符，也能进行排序。Swift还支持使用任意比较函数进行排序，这使得排序功能更为强大。通过将函数作为参数传递，可以实现类似Objective-C中`sortedArray(using:)`的动态排序效果。

自定义运算符可以提升代码的简洁性和可读性，但使用不当会降低代码的可理解性。基于函数的实现方法在处理可选值时更为灵活，但可能会牺牲代码的可读性。文章还探讨了归并排序的实现，包括如何使用内部函数和变量捕获来优化性能。

Swift中的`inout`参数通过值传递，函数内部可以修改它，并最终替换原来的值返回。只有左值（lvalue）可以作为`inout`参数传递，因为它代表了内存地址，而右值（rvalue）只是一个值。

Swift中的闭包是一种特殊类型的函数，可以存储并调用，为代码带来更高的灵活性。自动闭包的概念即在需要时才计算闭包的参数值，提高代码执行效率。逃逸闭包的概念是指闭包在函数返回后仍被保存在内存中等待调用，需要显式标记为`@escaping`。

文章强调了函数在Swift中的重要地位，以及如何利用函数实现代码的灵活性和可维护性。通过重载函数和为闭包提供默认值等方法，可以避免引用循环和引用计数问题，提高代码的安全性。这些特性使得Swift编程语言更加灵活和强大。

第6章 函数

ASCII编码的局限性，它无法满足全球各种语言的需求。随后引出了Unicode编码，这是一种可变长度的编码方式，可以兼容多种语言。Unicode编码分为不同的格式，如UTF-8、UTF-16和UTF-32，每种格式都有其优缺点。Swift的字符串类型支持多种编码方式，如Character、UTF-8、UTF-16和Unicode标量。此外，Swift的Character类型可以表示任意数量的编码点，构成一个“字位簇”。在处理字符串时，需要注意字位簇和标准等价的概念，以及预组合字符的存在。最后，文章还探讨了emoji字符的处理方式。



第7章 字符串

在Swift编程语言中，字符串操作是基础而关键的一环。字符串虽具备索引和符合Collection协议，但本质上并非集合，不能直接用for...in遍历。通过扩展String可以模拟集合行为，但这种方法可能并不高效。字符串的字符集合存储在characters属性中，类似其他集合类型。字符串索引遵循Comparable协议，能通过index(_:offsetBy:)方法迭代，但需注意避免越界。字符串支持split方法进行切片操作，有多种分割方式。

Swift字符串操作包含切片、可选值、字符串字面量及编码单元等概念。切片可以遍历所有子串，但不能直接迭代索引范围。通过实现ExpressibleByStringLiteral协议，可以使用字符串字面量创建正则表达式匹配器。Swift字符串内部结构复杂，包括存储和优化内存使用，以及处理非ASCII字符。

Unicode编码单元和UTF16表示方式在字符串操作中至关重要。Swift提供了CustomStringConvertible和CustomDebugStringConvertible协议，使自定义类型打印输出更友好。print和dump函数将文本输出到标准输出，而TextOutputStream协议支持将文本输出到字符串、文件等。自定义输出流和输出流链接也是讨论的要点。

性能方面，Swift中字符串和正则表达式有优劣之分。UTF16和UnicodeScalar表示方式性能最佳，而UTF8和Character表示方式相对较慢。Swift团队计划优化字符串处理，并为正则表达式添加自然语言支持。

7.1 不再固定宽度

Swift的`Result`类型是一个枚举，用于处理函数执行时可能出现的成功或失败情况。通过将结果封装在`Result`类型中，开发者可以更清晰地表达函数的潜在失败点，并利用模式匹配来处理成功或失败的结果。此外，Swift的`throw`关键字用于标记可能抛出错误的函数，而`do/catch`语句则用于捕获和处理这些错误。

为了提升错误管理，Swift允许定义自定义错误类型，并通过遵循错误处理协议提供更丰富的错误信息。同时，Swift还引入了带类型的`Result`和`rethrows`关键字，增强了错误处理的灵活性和效率。

在错误处理方面，Swift提供了类似`try/finally`的错误处理结构，通过`try`、`catch`和`throw`关键字实现。`defer`关键字则确保资源清理代码在函数执行过程中始终被执行，无论是否出现错误。为了简化错误处理，Swift还提供了`try?`和`or`等函数。

对于异步函数，`Result`类型在错误处理中扮演着重要角色，它能够封装值和错误信息，提高错误处理的效率。然而，Swift在处理异步错误时仍存在局限性，这需要借助`Result`类型来改进。

Swift的错误处理机制不仅适用于同步函数，也适用于异步函数。通过这种方式，开发者可以更有效地管理错误，并保持代码的简洁性和可读性。

第8章 错误处理

Swift中方法重载的概念，通过不同的参数类型或返回类型实现同名方法的多种版本。文章详细解释了如何使用类型检查器根据参数类型选择最合适的方法。此外，还介绍了自由函数重载和运算符重载，以及如何使用泛型约束进行重载。文章以isSubset函数为例，展示了如何通过泛型约束和闭包表达式实现更加灵活和高效的代码。最后，文章强调了重载在编译时决定，而非运行时，并解释了为什么类型检查器倾向于选择非泛型重载。



9.1 重载

在Swift中实现泛型算法时，集合的索引和切片问题尤为重要。以二分查找和洗牌算法为例，我们可以看到如何应对这些挑战。二分查找要求集合支持随机访问，且元素必须按照严格弱序排列。同时，处理非整数索引类型时也需要特别注意。

对于洗牌算法，集合的可变性是关键。我们需要确保集合类型支持随机索引的整数运算。泛型编程在这一过程中发挥着重要作用，它帮助我们在处理集合时注意到细节和技巧。

在处理不可变集合的洗牌操作时，由于依赖于复制集合并对其操作，这要求集合必须具有值语义。然而，并非所有集合类型如NSMutableArray都具有值语义。因此，作者提供了一个适用于支持RangeReplaceableCollection的集合的shuffle函数版本，以确保返回同样类型的集合。

此外，文章还讨论了如何实现一个搜索给定子序列的算法，并介绍了处理泛型切片时可能遇到的问题。作者通过逐步调整约束，最终使代码编译通过，并展示了如何通过改进约束来优化泛型算法。

在实现二分查找时，确保集合支持随机访问和元素按照严格弱序排列至关重要。非整数索引类型的处理也是关键。而洗牌算法需要集合的可变性，以及处理随机索引类型的整数运算。泛型编程在这一过程中发挥了重要作用，帮助我们关注细节和技巧。通过调整约束，我们能够优化泛型算法，实现更高效的集合操作。

9.2 对集合采用泛型操作

泛型在代码设计中的应用，通过泛型函数和泛型数据类型，可以提取出共通的功能，减少代码冗余，提高代码可读性和可维护性。以加载用户和博客文章的函数为例，通过将URL路径和解析转换函数作为参数传入，可以避免代码重复，并且方便后续的扩展和测试。此外，通过将路径和解析函数打包到Resource结构体中，进一步解耦了代码，使得网络请求和资源描述分离，便于管理和扩展。



9.3 使用泛型进行代码设计

泛型的工作原理，它允许编写可复用的代码，同时又能根据不同类型的数据灵活地工作。Swift泛型通过引入一层间接的中间层，利用容器和目击表来处理类型信息，从而解决编译器在处理未知类型时的信息不足问题。这些目击表包含了类型的大小、操作指针以及协议实现的映射关系。此外，泛型特化能够针对特定类型进行优化，提升运行效率。然而，泛型特化需要考虑编译时间、二进制大小和运行时性能之间的平衡。全模块优化则允许泛型特化在整个代码库中生效，提高性能的同时也可能导致编译时间变长。



9.4 泛型的工作方式

第9章 泛型

在面向协议编程中，定义一个绘图API的最小功能集的协议，如添加椭圆和矩形，可以扩展任意类型以支持这些功能。例如，扩展CGContext以支持Drawing协议，使其能够渲染到屏幕上，同时创建SVG格式的图形文件。SVG结构体包含一个XML节点，可以通过append方法添加子节点。通过扩展SVG以支持Drawing协议，可以方便地将图形元素添加到SVG文件中。协议扩展提供了代码共享的优势，如不需要使用特定父类，支持结构体和类，以及无需担心方法重写问题。此外，通过协议扩展重写方法，可以针对特定类型提供更具体的实现，如SVG中的addCircle方法。

Swift中，协议作为接口定义，允许类型遵循它并实现特定的功能。定义一个名为AnyProtocolName的结构体或类，并添加泛型参数，可以为关联类型创建一个抹消的简单算法。这种方式对于简单协议如IteratorProtocol只需少量代码，但对于更复杂的协议如Sequence，则需要更多工作。AnyIterator封装了实现细节，并探讨了带有Self要求的协议，如Equatable。实现Equatable，可以方便地进行类型比较。

协议的内部机制包括存在容器和目击表，与泛型参数在性能上有差异。文章最后提醒读者不要过度使用协议，并强调了协议在提供最小实现接口和简化测试方面的优势。

第10章 协议

Swift可以通过封装C语言库来增强其功能，例如使用CommonMark库将Markdown转换为HTML。文章介绍了如何在Swift中处理C字符串和指针，并将C类型转换为Swift中的类。Markdown文本被解析成结构化节点树，而Swift类用于表示这些节点。文章还探讨了如何通过枚举和关联值创建安全易用的接口，简化Markdown文档的操作。

处理Markdown文档的节点时，根据节点类型选择不同的处理方式。文本节点直接提取内容，而强调和粗体节点递归处理其子节点。内联函数用于处理子节点，以避免代码重复。节点也可转换为Block元素，利用值类型在操作节点时的便利性。文章还介绍了将Block元素转换回Node的方法，包括添加初始化方法和简便的初始化方法。公开的初始化方法接受Block元素数组生成文档节点。

在Swift中，`UnsafeMutablePointer`和`UnsafeRawPointer`提供了直接操作内存的能力，这在处理C语言API时非常关键。文章详细说明了如何通过`allocate`和`deallocate`来申请和释放内存，以及如何使用`qsort`和`qsort_r`函数进行排序。此外，文章还提到了`OpaquePointer`处理不透明指针类型的方法，以及`Array`和`UnsafeBufferPointer`在处理连续数据时的作用。文章最后强调了在处理C API时要注意的类型安全和泛型接口的封装技巧。