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Swift 烧脑体操(一) - Optional 的嵌套

| 作者 唐巧 关注 13 他的粉丝 发布于 2016年1月25日. 估计阅读时间: 20 分钟 | QCon上海2018 关注大数据平台技术选型、搭建、系统迁移和优化的经验。

前言

Swift 其实比 Objective-C 复杂很多,相对于出生于上世纪 80 年代的 Objective-C 来说,Swift 融入了大量新特性。这也使得我们学习掌握这门语言变得相对来说更加困难。不过一切都是值得的,Swift 相比 Objective-C,写出来的程序更安全、更简洁,最终能够提高我们的工作效率和质量。

Swift 相关的学习资料已经很多,我想从另外一个角度来介绍它的一些特性,我把这个角度叫做「烧脑体操」。什么意思呢?就是我们专门挑一些比较费脑子的语言细节来学习。通过「烧脑」地思考,来达到对 Swift 语言的更加深入的理解。

这是本体操的第一节,练习前请做好准备运动,保持头脑清醒。

准备运动:Optional 的介绍

王巍的《Swifter》一书中,介绍了一个有用的命令:在 LLDB 中输入 fr v -R foo,可以查看 foo 这个变量的内存构成。我们稍后的分析将用到这个命令。

在 Swift 的世界里,一切皆对象,包括 Int Float 这些基本数据类型,所以我们可以这么写:print(1.description)

而对象一般都是存储在指针中,Swift 也不例外,这就造成了一个问题,指针为空的情况需要处理。在 Objective-C 中,向一个 nil 的对象发消息是默认不产生任何效果的行为,但是在 Swift 中,这种行为被严格地禁止了。

Swift 是一个强类型语言,它希望在编译期做更多的安全检查,所以引入了类型推断。而类型推断上如果要做到足够的安全,避免空指针调用是一个最基本的要求。于是,Optional 这种类型出现了。Optional 在 Swift 语言中其实是一个枚举类型:

public enum Optional<Wrapped> : _Reflectable, NilLiteralConvertible {
    case None
    case Some(Wrapped)
}

Optional 的嵌套

Optional 类型的变量,在使用时,大多需要用if let的方式来解包。如果你没有解包而直接使用,编辑器通过类型推断会提示你,所以看起来这套机制工作得很好。但是,如果 Optional 嵌套层次太多,就会造成一些麻烦,下面我们来看一个例子。

let a: Int? = 1
let b: Int?? = a
let c: Int??? = b

在这个机制中,1 这个 Int 值被层层 Optional 包裹,我们用刚刚提到的fr v -R,可以很好的看出来内部结构。如下图:

(lldb) fr v -R a
(Swift.Optional<Swift.Int>) a = Some {
  Some = {
    value = 1
  }
}

(lldb) fr v -R b
(Swift.Optional<Swift.Optional<Swift.Int>>) b = Some {
  Some = Some {
    Some = {
      value = 1
    }
  }
}

(lldb) fr v -R c
(Swift.Optional<Swift.Optional<Swift.Optional<Swift.Int>>>) c = Some {
  Some = Some {
    Some = Some {
      Some = {
        value = 1
      }
    }
  }
}

从这个示例代码中,我们能看出来多层嵌套的 Optional 的具体内存结构。这个内存结构其实是一个类似二叉树一样的形状,如下图所示:

  • 第一层二叉树有两个可选的值,一个值是 .None,另一个值类型是 Optional<Optional<Int>>
  • 第二层二叉树有两个可选的值,一个值是 .None,另一个值类型是 Optional<Int>
  • 第三层二叉树有两个可选的值,一个值是 .None,另一个值类型是 Int

那么问题来了,看起来这个 Optional.None 可以出现在每一层,那么在每一层的效果一样吗?我做了如下实验:

let a: Int? = nil
let b: Int?? = a
let c: Int??? = b
let d: Int??? = nil

如果你在 playground 上看,它们的值都是 nil,但是它们的内存布局却不一样,特别是变量 c 和 变量 d:

(lldb) fr v -R a
(Swift.Optional<Swift.Int>) a = None {
  Some = {
    value = 0
  }
}

(lldb) fr v -R b
(Swift.Optional<Swift.Optional<Swift.Int>>) b = Some {
  Some = None {
    Some = {
      value = 0
    }
  }
}

(lldb) fr v -R c
(Swift.Optional<Swift.Optional<Swift.Optional<Swift.Int>>>) c = Some {
  Some = Some {
    Some = None {
      Some = {
        value = 0
      }
    }
  }
}

(lldb) fr v -R d
(Swift.Optional<Swift.Optional<Swift.Optional<Swift.Int>>>) d = None {
  Some = Some {
    Some = Some {
      Some = {
        value = 0
      }
    }
  }
}
  • 变量 c 因为是多层嵌套的 nil,所以它在最外层的二叉树上的值,是一个 Optional<Optional<Int>>
  • 变量 d 因为是直接赋值成 nil,所以它在最外层的二叉树上的值,是一个 Optional.None

麻烦的事情来了,以上原因会造成用 if let 来判断变量 c 是否为 nil 失效了。如下代码最终会输出 c is not none

let a: Int? = nil
let b: Int?? = a
let c: Int??? = b
let d: Int??? = nil

if let _ = c {
    print("c is not none")
}

解释

在我看来,这个问题的根源是:一个 Optional 类型的变量可以接受一个非 Optional 的值。拿上面的代码举例,a 的类型是 Int?,b 的类型是 Int??,但是 a 的值却可以赋值给 b。所以,变量 b(类型为 Int??),它可以接受以下几种类型的赋值:

  1. nil 类型
  2. Int? 类型
  3. Int?? 类型

按理说,Swift 是强类型,等号左右两边的类型不完全一样,为什么能够赋值成功呢?我查了一下 Optional 的源码,原来是对于上面第 1,2 种类型不一样的情况,Optional 定义了构造函数来构造出一个 Int?? 类型的值,这样构造之后,等号左右两边就一样了。源码来自 https://github.com/apple/swift/blob/master/stdlib/public/core/Optional.swift,我摘录如下:

public enum Optional<Wrapped> : _Reflectable, NilLiteralConvertible {
  case None
  case Some(Wrapped)

  @available(*, unavailable, renamed="Wrapped")
  public typealias T = Wrapped

  /// Construct a `nil` instance.
  @_transparent
  public init() { self = .None }

  /// Construct a non-`nil` instance that stores `some`.
  @_transparent
  public init(_ some: Wrapped) { self = .Some(some) }

}

以上代码中,Optional 提供了两种构造函数,完成了刚刚提到的类型转换工作。

烧脑体操

好了,说了这么多,我们下面开始烧脑了,以下代码来自傅若愚在不久前 Swift 大会上的一段分享:

var dict :[String:String?] = [:]
dict = ["key": "value"]
func justReturnNil() -> String? {
    return nil
}
dict["key"] = justReturnNil()
dict

以下是代码执行结果:

我们可以看到,我们想通过给这个 Dictionary 设置一个 nil,来删除掉这个 key-value 对。但是从 playground 的执行结果上看,key 并没有被删掉。

为了测试到底设置什么样的值,才能正常地删掉这个 key-value 键值对,我做了如下实验:

var dict :[String:String?] = [:]
// first try
dict = ["key": "value"]
dict["key"] = Optional<Optional<String>>.None
dict

// second try
dict = ["key": "value"]
dict["key"] = Optional<String>.None
dict

// third try
dict = ["key": "value"]
dict["key"] = nil
dict

// forth try
dict = ["key": "value"]
let nilValue:String? = nil
dict["key"] = nilValue
dict

// fifth try
dict = ["key": "value"]
let nilValue2:String?? = nil
dict["key"] = nilValue2
dict

执行结果如下:

我们可以看到,以下三种方式可以成功删除 key-value 键值对:

  • dict["key"] = Optional<Optional<String>>.None
  • dict["key"] = nil
  • let nilValue2:String?? = nil; dict["key"] = nilValue2

所以,在这个烧脑之旅中,我们发现,一个 [String: String?] 的 Dictionary,可以接受以下类型的赋值:

  • nil
  • String
  • String?
  • String??

如果要删除这个 Dictionary 中的元素,必须传入 nil 或 Optional<Optional<String>>.None ,而如果传入Optional<String>.None,则不能正常删除元素。

好吧,实验出现象了,那这种现象的原因是什么呢?

还好苹果把它的实现开源了,那我们来一起看看吧,源文件来自:https://github.com/apple/swift/blob/master/stdlib/public/core/HashedCollections.swift.gyb,以下是关键代码。

  public subscript(key: Key) -> Value? {
    get {
      return _variantStorage.maybeGet(key)
    }
    set(newValue) {
      if let x = newValue {
        // FIXME(performance): this loads and discards the old value.
        _variantStorage.updateValue(x, forKey: key)
      }
      else {
        // FIXME(performance): this loads and discards the old value.
        removeValueForKey(key)
      }
    }
  }

所以,当 Dictionary 的 value 类型为 String 时,如果你要设置它的值,它接受的是一个 String? 类型的参数。而因为我们刚刚例子中的 value 类型为 String?,所以正常情况下它需要的是一个 String?? 类型的参数。在上面的失败的例子中,我们传递的是一个 String? 类型的值,具体值为 Optional<String>.None,于是在执行时就会按以下的步骤来进行:

  1. 我们传递一个值为 Optional<String>.None,类型为 String? 的参数。
  2. 因为传的参数类型是 String?,而函数需要的是 String??,所以会执行 Optional 的构造函数,构造一个两层的 Optional。
  3. 这个两层 Optional 的值为 Optional.Some(<Optional<String>.None>)
  4. 进入到 Dictionary 的实现时,会用 if let 进行是否为 nil 的判断,因为两层的 Optional,所以 if let 判断它不是 nil。
  5. 所以代码执行到 _variantStorage.updateValue(x, forKey: key),把 Optional.None 当成值,设置给了相应的 key。

如果你没理解,可以再翻翻最初我们对多层嵌套 nil 变量的实验和分析。

我们再看看传递参数是 Optional<Optional<String>>.None 的情况,步骤如下:

  1. 我们传递一个值为 Optional<Optional<String>>.None,类型为 String?? 的参数。
  2. 因为参数类型是 String??,函数需要的类型也是 String??,所以参数不经变换,直接进入函数调用中。
  3. 这个时候参数的值不变,还是 Optional<Optional<String>>.None
  4. 进入到 Dictionary 的实现时,会用 if let 进行是否为 nil 的判断,Optional<Optional<String>>.None 用 if let 判断,得到它是 nil。
  5. 所以代码执行到 removeValueForKey(key),Dictionary 删除了相应的 key-value 键值对。

总结

好了,「烧脑体操」第一节就做完了,运动一下是不是感觉神清气爽?

总结一下本次烧脑锻炼到的脑细胞:

  • Optional 可以多层嵌套。
  • 因为 Optional 的构造函数支持,所以可以将一个类型为 T 的值,赋值给一个类型为 T? 的变量。
  • 因为 Optional 的构造函数支持,所以可以将 nil 赋值给一个任意嵌套层数的 Optional 变量。
  • 将 Optional 嵌套的内容是 nil 时,大家要小心 if let 操作失效问题。
  • 多层 Optional 嵌套容易烧脑细胞,尽量避免在工程中使用或触发。
  • 遇到问题可以翻翻苹果在 Github 开源的 Swift 源码

愿大家玩得开心!

本套体操计划共五节,尽请期待。

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