Swift 2.0 之初识面向协议编程

在 WWDC 2015上,苹果发布了 Swift 2.0 版本,这是自 Swift 发布以来进行的第二次重大改版,这次改进推出了很多新特性来帮助我等程序员写出更优雅的代码。

在这些新特性里面,最让人兴奋的莫过于 协议扩展(protocol extensions) 了。在第一版的 Swift 当中,我们可以使用扩展来为 类(class)、结构体(struct) 以及 枚举(enum) 增加新功能。在新版的 Swift 2.0 当中,我们也可以对 协议(protocol) 进行扩展了。

这乍看起来好像只是一个很小的改变,事实上,协议扩展的功能是相当强大的,它甚至能改变我们编写代码的方式。在本教程中,你不仅可以学习到创建和使用协议扩展的方法,同时还可以体会到这项新技术和面向协议编程范式给你带来的新视野。

同时还能看到 Swift 开发小组是如何使用协议扩展来对 Swift 的标准库进行改进,以及它将会对我们编写代码带来怎样的影响。

从这里开始(Getting Started)

我们先从新建一个 playground开始。打开 Xcode 7 选择 File\New\Playground… 并命名为 SwiftProtocols。可以选择任意的平台,因为本教程中的代码是与平台无关的。选择保存的位置后点击 Next,最后点击 Create。

打开 playground 后,添加如下代码:

 

这里定义了一个简单的 Bird 协议,它拥有 name 和 canFly 两个属性,同时还定义了一个拥有 airspeedVelocity 属性的 Flyable 协议。

在没有协议的远古时期,我们可能会将 Flyable 定义为一个基类,然后使用继承的方式来定义 Bird 以及其它会飞的东西,比如飞机之类的。然而这里并不用这么做,所有一切都是从协议开始的。

当我们接下来开始定义具体类型的时候,你将会看到这种方法将会使我们的整个系统更加灵活。

定义遵守协议的类型

在代码区底部增加如下的 结构体 定义:

这里定义了一个新的结构体 Flappybird,这个结构体遵守了 Bird 和 Flyable 协议。它的 airspeedVelocity 属性的值是通过 flappyFrequency 和 flappyAmplitue 计算出来的。作为一只愤怒的小鸟,它的 canFly 当然是返回 true的 :]。

接着,再定义两个结构体:

企鹅(Penguin)是一种鸟(Bird),不过它是不能飞的。啊哈,应该庆幸我们没有采用继承的方法,使用继承会让所有的子类都拥有飞的能力。雨燕(SwiftBird)不仅能飞,它还拥有超快的速度!

我们可以发现,上面的代码里面有一些冗余。尽管我们已经有了 Flyable 的信息,但是我们还是得为每个 Bird 类型指定 canFly 属性来表明它是否可以飞行。

拥有默认实现的扩展协议

对于协议扩展,我们可以为它指定默认的实现。在定义 Bird 协议的下方增加如下代码:

这里通过对 Bird 协议进行扩展,为它增加了默认行为。当一个类同时遵守 Bird 和 Flyable 协议时,它的 canFly 属性就默认返回 true。即是说,所有遵守 Flyable 协议的鸟类都不必再显式指定它是否可以飞行了。

Swift 1.2 将 where 判断语法增加到了 if-let 绑定中,而 Swift 2.0 更进一步地将这个语法带到了协议扩展中。

将 FlappyBird 和 SwiftBird 结构体定义中的 let canFly = true 语句删除。可以看到,playground 可以顺利通过编译,因为扩展协议的默认实现已经帮你处理了这些琐事。

protocols-extend-480x280.png

为何不使用基类?

或许你会发现,使用协议扩展和它的默认实现与使用基类,或者其它语言中的抽象类很相似,但是它有几个关键的优势:

  • 因为一个类型可以遵守多个协议,所以它可以从各个协议中接收到不同的默认实现。与其它语言中所支持的多重继承不同(吐槽:说的就是C++吧),协议扩展不会为遵守它的类型增加额外的状态。
  • 所有的类,结构体和枚举都可以遵守协议,而基类只能被类所继承。

换句说就是,协议拥有为值类型(value types)增加默认实现的能力,而不仅仅是类。

我们已经体验过了结构体的实战,接下来在 playground 的底部增加如下的枚举的定义:

与其它值类型一样,你所需要做的就是定义一些属性,好让 UnladenSwallow 能够遵守这两个协议。因为这个枚举同时遵守了 Bird 和 Flyable 所以它也得到了 canFly 的默认实现。

你不会真的以为这篇教程只是为了演示一些小鸟的飞行把戏吧?
接下来,让我们看一些更有实战意义的代码。

扩展协议(Extending Protocols)

协议扩展最常用的约莫就是扩展外部协议了,不管这些协议来自 Swift 标准库还是来自第三方框架。

在 playground 的底部再增加如下代码:

这里对标准库中的 CollectionType 进行了扩展,定义了一个方法。这个方法会对一个集合类型中的元素以 skip 步进行跳跃,然后返回集合中没有被跳过的元素。

在 Swift 中,CollectionType 协议被类似数组以及字典这样的集合类型所遵守。这意味着,现在你的整个 app 中,所有遵守 CollectionType 的类型都拥有这个方法了。接着在底部增加下面的代码:

这里我们定义了一个数组,这个数组包含了大部分之前定义过的鸟类。因为数组类型遵守了 CollectionType 协议,所以,我们可以直接对这个数组使用 skip 方法。

扩展自己的协议(Extending Your Own Protocols)

跟为标准库增加方法同样令人兴奋的是,我们也可以为它增加默认行为。

修改鸟类的协议,使其遵守 BooleanType 协议:

遵守 BooleanType 协议意味着所有 Bird 类型都要有一个 boolValue 属性,使得它能够像布尔值一样被使用。这是不是说我们得为所有的定义过的,还有将来要定义的 Bird 类型添加这个属性?

当然不是,使用协议扩展能让我们有更简便的方法。在 Bird 的定义下面添加如下代码:

这个扩展可以让 canFly 属性来表示每个 Bird 类型的布尔值。

通过下面的代码来试验一下:

可以看到控制台打印出了 “I can fly!”。然而更值得注意的是,我们这里直接把 UnladenSwallow.African 丢到了 if 判断里面!

对 Swift 标准库的影响

我们已经看到了,使用协议扩展可以极大地增强了我们代码的功能和可定制性。你可能不知道的是,Swift 开发小组甚至使用了协议扩展对 Swift 标准库的写法进行了改进。

Swift 通过在标准库中增加了 map、reduce 和 filter 等方法,使它自身的函数式编程属性得到了大大的提升。

这些方法存在于不同的 CollectionType 成员中,比如 Array:

对数组调用 map 方法返回了另一个数组,再对这个数组调用 reduce 方法,使其计算出整个数组中的字符数。

在这里,map 和 reduce 是包含在 Array当中的。如果我们按住 command 键点击 map,就可以看到它的定义。

在 Swift 1.2 里,我们可以看到类似下面的定义:

在这里 map 函数是作为 Array 的扩展被定义的。但是 Swift 的函数式函数不止是对 Array ,而是对所有的 CollectionType 都起作用,那么 Swift 1.2 是如何处理的呢?

如果对一个 Range 类型调用 map 函数,并且从那里跳到它的实现,我们可以看到如下的定义:

可以发现,对于 Swift 1.2 来说,标准库中不同的 CollectionType 都需要重新实现 map 函数。
这是因为虽然 Array 与 Range 都遵守了 CollectionType 协议,但是由于结构体不能被继承,因此也就无法定义通用的实现。

这不仅仅是标准库实现上的一点细微差别,这实际上限制对 Swift 类型的使用。

下面这个范型函数接受一个 Flyable 类型的 CollectionType,然后返回拥有最快速度(airspeedVelocity)的元素:

在 Swift 1.2 当中没有协议扩展,因此这段代码会报错。map 和 reduce 函数只存在预定义的一些类型中,并不能对任意的 CollectionType 起作用。

然而在 Swift 2.0 中使用了协议扩展,对于 Array 和 Range 的 map 函数都是这样定义的:

虽然无法看到 map 方法的实现 — 至少在 Swift 2.0 开源之前,但是我们可以知道所有的 CollectionType 都有一个 map 方法的默认实现。即是说,所有遵守 CollectionType 的类型,都能随机附赠一个 map 方法。

在 playground 的最底部增加如下的泛型函数:

可以对保存 Flyable 类型的集合调用 map 和 reduce 方法了。如果,你还对上面定义的鸟类中哪个速度最快持有疑惑的话,就可以使用这个函数来得到最终的答案了:

接下来做什么(Where To Go From Here)

你可以在这里下载到完整的 `playground。

通过定义自己的简单协议,并对它们使用协议扩展,我们已经见识到了面向协议编程的强大了。通过默认实现,我们可以给已经存在的协议增加通用和默认的行为,类似使用基类,但是更灵活,因为它也适用于结构体和枚举。

更进一步,协议扩展不仅可以用来扩展自定义的协议,还可以对 Swift 标准库,Cocoa 和 CocoaTouch 的协议进行扩展,并提供默认行为。

如果想知道 Swift 2 还更新了哪些其它新特性,可以参考我们的另一篇文章Swift 2 新特性,或者 Swift 2 公布的官方博客。

可以观看 WWDC 的Protocol Oriented Programming来进行更加深入的学习,以及获得更底层的理论知识。

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