最全的 Swift 4 新特性解析

作者：劉鐸
本文為原創(chuàng)文章，轉(zhuǎn)載請注明作者及出處

WWDC 2017 帶來了很多驚喜。Swift 4 也伴隨著 Xcode 9 測試版來到了我們的面前，很多強(qiáng)大的新特性非常值得我們期待在正式項目中去使用它。因為 Swift 4 是開源的，如果你關(guān)注 swift-evolution 這個項目的話，就應(yīng)該已經(jīng)提前了解到它的新特性了。本文參考了 WWDC 2017 以及各種資料，，從語法、字符串、標(biāo)準(zhǔn)庫、構(gòu)建過程等方面，把 Swift 4 的這些新特性一一列舉出來做介紹和分析，讓他們毫無保留地展現(xiàn)在你眼前。

一、語法改進(jìn)

extension 中可以訪問 private 的屬性

考慮以下代碼：

struct Date: Equatable, Comparable {
    private let secondsSinceReferenceDate: Double
    static func ==(lhs: Date, rhs: Date) -> Bool {
        return lhs.secondsSinceReferenceDate == rhs.secondsSinceReferenceDate
    }
    static func <(lhs: Date, rhs: Date) -> Bool {
        return lhs.secondsSinceReferenceDate < rhs.secondsSinceReferenceDate
    }
}

上面代碼定義了一個 Date 結(jié)構(gòu)體，并實現(xiàn) Equatable 和 Comparable 協(xié)議。為了讓代碼更清晰，可讀性更好，一般會把對協(xié)議的實現(xiàn)放在單獨(dú)的 extension 中，這也是一種非常符合 Swift 風(fēng)格的寫法，如下：

struct Date {
    private let secondsSinceReferenceDate: Double
}
extension Date: Equatable {
    static func ==(lhs: Date, rhs: Date) -> Bool {
        return lhs.secondsSinceReferenceDate == rhs.secondsSinceReferenceDate
    }
}
extension Date: Comparable {
    static func <(lhs: Date, rhs: Date) -> Bool {
        return lhs.secondsSinceReferenceDate < rhs.secondsSinceReferenceDate
    }
}

但是在 Swift 3 中，編譯就報錯了，因為 extension 中無法獲取到 secondsSinceReferenceDate 屬性，因為它是 private 的。于是在 Swift 3 中，必須把 private 改為 fileprivate。

struct Date {
    fileprivate let secondsSinceReferenceDate: Double
}
...

但是如果用 fileprivate，屬性的作用域就會比我們需要的更大，可能會不小心造成屬性的濫用。

在 Swift 4 中，private 的屬性的作用域擴(kuò)大到了 extension 中，并且被限定在了 struct 和 extension 內(nèi)部，這樣就不需要再改成 fileprivate 了，這是最好的結(jié)果。

類型和協(xié)議的組合類型

考慮以下代碼：

protocol Shakeable {
    func shake()
}

extension UIButton: Shakeable { /* ... */ }
extension UISlider: Shakeable { /* ... */ }

func shakeEm(controls: [???]) {
    for control in controls where control.state.isEnabled {
    }
    control.shake()
}

在 Swift 3 中，這里的 ??? 應(yīng)該寫什么呢？如果寫 UIControl，那么 control.shake() 就會報錯；如果寫 Shakeable，那么 control.state.isEnabled 就會報錯。其實我們也可以這樣寫：

func shakeEm(controls: [UIControl]) {
    for control in controls where control.isEnabled {
        if control is Shakeable {
            (control as! Shakeable).shake()
        }
    }
}

這樣寫雖然可以跑通了，但是很丑陋。

在 Swift 4 中，可以把類型和協(xié)議用 & 組合在一起作為一個類型使用，就可以像下面這樣寫了：

protocol Shakeable {
    func shake()
}

extension UIButton: Shakeable { /* ... */ }
extension UISlider: Shakeable { /* ... */ }

func shakeEm(controls: [UIControl & Shakeable]) {
    for control in controls where control.state.isEnabled {
        control.shake()
    }// Objective-C API
@interface NSCandidateListTouchBarItem<CandidateType> : NSTouchBarItem
@property (nullable, weak) NSView <NSTextInputClient> *client;
@end
}

把它聲明為了 UIControl & Shakeable 類型。OK，圓滿解決。

PS:
這個代碼例子是 WWDC 2017 的 PPT 中的，上面的代碼有點(diǎn)問題，control.state.isEnabled 這句代碼中，state 是沒有 isEnabled 這個屬性的，改為 control.isEnabled 就可以了。看來蘋果的工程師做 PPT 有時候還是不太嚴(yán)謹(jǐn)。

另外，iOS SDK 中的 API 也用這個特性做了優(yōu)化，例如：

這個 API 的 Objective-C 版本是沒有問題的，可以知道 client 屬性既是一個 NSView，又符合 NSTextInputClient 協(xié)議。然而它對應(yīng)的 Swift 3 版本為：

class NSCandidateListTouchBarItem<CandidateType: AnyObject> : NSTouchBarItem {
    var client: NSView?
}

僅僅是一個 NSView 類型 /(ㄒoㄒ)/~~

在 Swift 4 中，這類 API 做了優(yōu)化，改成了：

class NSCandidateListTouchBarItem<CandidateType: AnyObject> : NSTouchBarItem {
    var client: (NSView & NSTextInputClient)?
}

這樣類型的聲明就更加嚴(yán)謹(jǐn)了。

Associated Type 可以追加 Where 約束語句

在 Swift 4 中可以在 associatedtype 后面聲明的類型后追加 where 語句

associatedtype Element where <xxx>

看下面是 Swift 4 標(biāo)準(zhǔn)庫中 Sequence 中 Element 的聲明：

protocol Sequence {
    associatedtype Element where Self.Element == Self.Iterator.Element
    // ...
}

它限定了 Sequence 中 Element 這個類型必須和 Iterator.Element 的類型一致。

通過 where 語句可以對類型添加更多的約束，使其更嚴(yán)謹(jǐn)，避免在使用這個類型時做多余的類型判斷。

新的 Key Paths 語法

先來看看 Swift 3 中 Key Paths 的寫法：

@objcMembers class Kid: NSObject {
    dynamic var nickname: String = ""
    dynamic var age: Double = 0.0
    dynamic var friends: [Kid] = []
}

var ben = Kid(nickname: "Benji", age: 5.5)

let kidsNameKeyPath = #keyPath(Kid.nickname)

let name = ben.valueForKeyPath(kidsNameKeyPath)
ben.setValue("Ben", forKeyPath: kidsNameKeyPath)

Swift 4 中創(chuàng)建一個 KeyPath 用 \ 作為開頭：

\Kid.nickname

當(dāng)編譯器可以推導(dǎo)出類型時，可以省略基礎(chǔ)類型部分：

\.nickname

上面的代碼在 Swift 4 中就可以這樣寫：

struct Kid {
    var nickname: String = ""
    var age: Double = 0.0
    var friends: [Kid] = []
}

var ben = Kid(nickname: "Benji", age: 8, friends: [])

let name = ben[keyPath: \Kid.nickname]
ben[keyPath: \Kid.nickname] = "BigBen"

相比 Swift 3，Swift 4 的 Key Paths 具有以下優(yōu)勢：

  1. 類型可以定義為 class、struct
  2. 定義類型時無需加上 @objcMembers、dynamic 等關(guān)鍵字
  3. 性能更好
  4. 類型安全和類型推斷，例如 ben.valueForKeyPath(kidsNameKeyPath) 返回的類型是 Any，ben[keyPath: \Kid.nickname] 直接返回 String 類型
  5. 可以在所有值類型上使用

下標(biāo)支持泛型

有時候會寫一些數(shù)據(jù)容器，Swift 支持通過下標(biāo)來讀寫容器中的數(shù)據(jù)，但是如果容器類中的數(shù)據(jù)類型定義為泛型，以前的下標(biāo)語法就只能返回 Any，在取出值后需要用 as? 來轉(zhuǎn)換類型。Swift 4 定義下標(biāo)也可以使用泛型了。

struct GenericDictionary<Key: Hashable, Value> {
    private var data: [Key: Value]
    
    init(data: [Key: Value]) {
        self.data = data
    }
    
    subscript<T>(key: Key) -> T? {
        return data[key] as? T
    }
}

let dictionary = GenericDictionary(data: ["Name": "Xiaoming"])

let name: String? = dictionary["Name"] // 不需要再寫 as? String

二、字符串

Unicode 字符串在計算 count 時的正確性改善

在 Unicode 中，有些字符是由幾個其它字符組成的，比如 é 這個字符，它可以用 \u{E9} 來表示，也可以用 e 字符和上面一撇字符組合在一起表示 \u{65}\u{301}。

考慮以下代碼：

var family = "??"
family += "\u{200D}??"
family += "\u{200D}??" 
family += "\u{200D}??"

print(family)
print(family.characters.count)

這個 family 是一個由多個字符組合成的字符，打印出來的結(jié)果為 ???????????。上面的代碼在 Swift 3 中打印的 count 數(shù)是 4，在 Swift 4 中打印出的 count 是 1。

更快的字符處理速度

Swift 4 的字符串優(yōu)化了底層實現(xiàn)，對于英語、法語、德語、西班牙語的處理速度提高了 3.5 倍。

對于簡體中文、日語的處理速度提高了 2.5 倍。

去掉 characters

Swift 3 中的 String 需要通過 characters 去調(diào)用的屬性方法，在 Swift 4 中可以通過 String 對象本身直接調(diào)用，例如：

let values = "one,two,three..."
var i = values.characters.startIndex

while let comma = values.characters[i...<values.characters.endIndex].index(of: ",") {
    if values.characters[i..<comma] == "two" {
        print("found it!")
    }
    i = values.characters.index(after: comma)
}

Swift 4 可以把上面代碼中的所有的 characters 都去掉，修改如下：

let values = "one,two,three..."
var i = values.startIndex

while let comma = values[i...<values.endIndex].index(of: ",") {
    if values[i..<comma] == "two" {
        print("found it!")
    }
    i = values.index(after: comma)
}

One-sided Slicing

Swift 4 新增了一個語法糖 ... 可以對字符串進(jìn)行單側(cè)邊界取子串。

Swift 3:

let values = "abcdefg"
let startSlicingIndex = values.index(values.startIndex, offsetBy: 3)
let subvalues = values[startSlicingIndex..<values.endIndex]
// defg

Swift 4:

let values = "abcdefg"
let startSlicingIndex = values.index(values.startIndex, offsetBy: 3)
let subvalues = values[startSlicingIndex...] // One-sided Slicing
// defg

String 當(dāng)做 Collection 來用

Swift 4 中 String 可以當(dāng)做 Collection 來用，并不是因為 String 實現(xiàn)了 Collection 協(xié)議，而是 String 本身增加了很多 Collection 協(xié)議中的方法，使得 String 在使用時看上去就是個 Collection。例如：

翻轉(zhuǎn)字符串：

let abc: String = "abc"
print(String(abc.reversed()))
// cba

遍歷字符：

let abc: String = "abc"
for c in abc {
    print(c)
}
/*
a
b
c
*/

Map、Filter、Reduce:

// map
let abc: String = "abc"
_ = abc.map {
    print($0.description)
}

// filter
let filtered = abc.filter { $0 == "b" }

// reduce
let result = abc.reduce("1") { (result, c) -> String in
    print(result)
    print(c)
    return result + String(c)
}
print(result)

Substring

在 Swift 中，String 的背后有個 Owner Object 來跟蹤和管理這個 String，String 對象在內(nèi)存中的存儲由內(nèi)存其實地址、字符數(shù)、指向 Owner Object 指針組成。Owner Object 指針指向 Owner Object 對象，Owner Object 對象持有 String Buffer。當(dāng)對 String 做取子字符串操作時，子字符串的 Owner Object 指針會和原字符串指向同一個對象，因此子字符串的 Owner Object 會持有原 String 的 Buffer。當(dāng)原字符串銷毀時，由于原字符串的 Buffer 被子字符串的 Owner Object 持有了，原字符串 Buffer 并不會釋放，造成極大的內(nèi)存浪費(fèi)。

在 Swift 4 中，做取子串操作的結(jié)果是一個 Substring 類型，它無法直接賦值給需要 String 類型的地方。必須用 String(<substring>) 包一層，系統(tǒng)會通過復(fù)制創(chuàng)建出一個新的字符串對象，這樣原字符串在銷毀時，原字符串的 Buffer 就可以完全釋放了。

let big = downloadHugeString()
let small = extractTinyString(from: big)

mainView.titleLabel.text = small // Swift 4 編譯報錯

mainView.titleLabel.text = String(small) // 編譯通過

多行字符串字面量

Swift 3 中寫很長的字符串只能寫在一行。

func tellJoke(name: String, character: Character) {
    let punchline = name.filter { $0 != character }
    let n = name.count - punchline.count
    let joke = "Q: Why does \(name) have \(n) \(character)'s in their name?\nA: I don't know, why does \(name) have \(n) \(character)'s in their name?\nQ: Because otherwise they'd be called \(punchline)."
    print(joke)
}
tellJoke(name: "Edward Woodward", character: "d")

字符串中間有換行只能通過添加 \n 字符來代表換行。

Swift 4 可以把字符串寫在一對 """ 中，這樣字符串就可以寫成多行。

func tellJoke(name: String, character: Character) {
    let punchline = name.filter { $0 != character }
    let n = name.count - punchline.count
    let joke = """
        Q: Why does \(name) have \(n) \(character)'s in their name?
        A: I don't know, why does \(name) have \(n) \(character)'s in their name?
        Q: Because otherwise they'd be called \(punchline).
        """
    print(joke)
}
tellJoke(name: "Edward Woodward", character: "d")

三、Swift 標(biāo)準(zhǔn)庫

Encoding and Decoding

當(dāng)需要將一個對象持久化時，需要把這個對象序列化，往常的做法是實現(xiàn) NSCoding 協(xié)議，寫過的人應(yīng)該都知道實現(xiàn) NSCoding 協(xié)議的代碼寫起來很痛苦，尤其是當(dāng)屬性非常多的時候。幾年前有一個工具能自動生成 Objective-C 的實現(xiàn) NSCoding 協(xié)議代碼，當(dāng)時用著還不錯，但后來這個工具已經(jīng)沒有人維護(hù)很久了，而且不支持 Swift。

Swift 4 中引入了 Codable 幫我們解決了這個問題。

struct Language: Codable {
    var name: String
    var version: Int
}

我們想將這個 Language 對象的實例持久化，只需要讓 Language 符合 Codable 協(xié)議即可，Language 中不用寫別的代碼。符合了 Codable 協(xié)議以后，可以選擇把對象 encode 成 JSON 或者 PropertyList。

Encode 操作如下：

let swift = Language(name: "Swift", version: 4)
if let encoded = try? JSONEncoder().encode(swift) {
    // 把 encoded 保存起來
}

Decode 操作如下：

if let decoded = try? JSONDecoder().decode(Language.self, from: encoded) {
    print(decoded.name)
}

Sequence 改進(jìn)

Swift 3:

protocol Sequence {
    associatedtype Iterator: IteratorProtocol
    func makeIterator() -> Iterator
}

Swift 4:

protocol Sequence {
    associatedtype Element
    associatedtype Iterator: IteratorProtocol where Iterator.Element == Element
    func makeIterator() -> Iterator
}

由于 Swift 4 中的 associatedtype 支持追加 where 語句，所以 Sequence 做了這樣的改進(jìn)。
Swift 4 中獲取 Sequence 的元素類型可以不用 Iterator.Element，而是直接取 Element。

SubSequence 也做了修改：

protocol Sequence {
    associatedtype SubSequence: Sequence 
        where SubSequence.SubSequence == SubSequence,
              SubSequence.Element == Element
}

通過 where 語句的限定，保證了類型正確，避免在使用 Sequence 時做一些不必要的類型判斷。

Collection 也有一些類似的修改。

Protocol-oriented integers

整數(shù)類型符合的協(xié)議有修改，新增了 FixedWidthInteger 等協(xié)議，具體的協(xié)議繼承關(guān)系如下：

                +-------------+   +-------------+
        +------>+   Numeric   |   | Comparable  |
        |       |   (+,-,*)   |   | (==,<,>,...)|
        |       +------------++   +---+---------+
        |                     ^       ^
+-------+------------+        |       |
|    SignedNumeric   |      +-+-------+-----------+
|     (unary -)      |      |    BinaryInteger    |
+------+-------------+      |(words,%,bitwise,...)|
       ^                    ++---+-----+----------+
       |         +-----------^   ^     ^---------------+
       |         |               |                     |
+------+---------++    +---------+---------------+  +--+----------------+
|  SignedInteger  |    |  FixedWidthInteger      |  |  UnsignedInteger  |
|                 |    |(endianness,overflow,...)|  |                   |
+---------------+-+    +-+--------------------+--+  +-+-----------------+
                ^        ^                    ^       ^
                |        |                    |       |
                |        |                    |       |
               ++--------+-+                +-+-------+-+
               |Int family |-+              |UInt family|-+
               +-----------+ |              +-----------+ |
                 +-----------+                +-----------+

Dictionary and Set enhancements

這里簡單列一下 Dictionary 和 Set 增強(qiáng)了哪些功能：

  1. 通過 Sequence 來初始化
  2. 可以包含重復(fù)的 Key
  3. Filter 的結(jié)果的類型和原類型一致
  4. Dictionary 的 mapValues 方法
  5. Dictionary 的默認(rèn)值
  6. Dictionary 可以分組
  7. Dictionary 可以翻轉(zhuǎn)

NSNumber bridging and Numeric types

let n = NSNumber(value: 999)
let v = n as? UInt8 // Swift 4: nil, Swift 3: 231

在 Swift 4 中，把一個值為 999 的 NSNumber 轉(zhuǎn)換為 UInt8 后，能正確的返回 nil，而在 Swift 3 中會不可預(yù)料的返回 231。

MutableCollection.swapAt(::)

MutableCollection 現(xiàn)在有了一個新方法 swapAt(::) 用來交換兩個位置的值，例如：

var mutableArray = [1, 2, 3, 4]
mutableArray.swapAt(1, 2)
print(mutableArray)
// 打印結(jié)果：[1, 3, 2, 4]

四、構(gòu)建過程改進(jìn)

New Build System

Xcode 9 引入了 New Build System，可在 Xcode 9 的 File -> Project Settings... 中選擇開啟。

預(yù)編譯 Bridging Headers 文件

對于 Swift 和 Objective-C 混合的項目，Swift 調(diào)用 Objective-C 時，需要建立一個 Bridging Headers 文件，然后把 Swift 要調(diào)用的 Objective-C 類的頭文件都寫在里面，編譯器會讀取 Bridging Headers 中的頭文件，然后生成一個龐大的 Swift 文件，文件內(nèi)容是這些頭文件內(nèi)的 API 的 Swift 版本。然后編譯器會在編譯每一個 Swift 文件時，都要編譯一遍這個龐大的 Swift 文件的內(nèi)容。

有了預(yù)編譯 Bridging Headers 以后，編譯器會在預(yù)編譯階段把 Bridging Headers 編譯一次，然后插入到每個 Swift 文件中，這樣就大大提高了編譯速度。

蘋果宣稱 Xcode 9 和 Swift 4 對于 Swift 和 Objective-C 混合編譯的速度提高了 40%。

Indexing 可以在編譯的同時進(jìn)行

用 Swift 開發(fā)項目時，近幾個版本的 Xcode 進(jìn)行 Indexing 的速度慢的令人發(fā)指。Xcode 9 和 Swift 4 在這方面做了優(yōu)化，可以在編譯的同時進(jìn)行 Indexing，一般編譯結(jié)束后 Indexing 也會同時完成。

COW Existential Containers

Swift 中有個東西叫 Existential Containers，它用來保存未知類型的值，它的內(nèi)部是一個 Inline value buffer，如果 Inline value buffer 中的值占用空間很大時，這個值會被分配在堆上，然而在堆上分配內(nèi)存是一個性能比較慢的操作。

Swift 4 中為了優(yōu)化性能引入了 COW Existential Containers，這里的 COW 就代表 "Copy-On-Write"，當(dāng)存在多個相同的值時，他們會共用 buffer 上的空間，直到某個值被修改時，這個被修改的值才會被拷貝一份并分配內(nèi)存空間。

移除未調(diào)用的協(xié)議實現(xiàn)

struct Date {
    private let secondsSinceReferenceDate: Double
}

extension Date: Equatable {
    static func ==(lhs: Date, rhs: Date) -> Bool {
        return lhs.secondsSinceReferenceDate == rhs.secondsSinceReferenceDate
    }
}

extension Date: Comparable {
    static func <(lhs: Date, rhs: Date) -> Bool {
        return lhs.secondsSinceReferenceDate < rhs.secondsSinceReferenceDate
    }
}

看上面例子，Date 實現(xiàn)了 Equatable 和 Comparable 協(xié)議。編譯時如果編譯器發(fā)現(xiàn)沒有任何地方調(diào)用了對 Date 進(jìn)行大小比較的方法，編譯器會移除 Comparable 協(xié)議的實現(xiàn)，來達(dá)到減小包大小的目的。

減少隱式 @objc 自動推斷

在項目中想把 Swift 寫的 API 暴露給 Objective-C 調(diào)用，需要增加 @objc。在 Swift 3 中，編譯器會在很多地方為我們隱式的加上 @objc，例如當(dāng)一個類繼承于 NSObject，那么這個類的所有方法都會被隱式的加上 @objc。

class MyClass: NSObject {
    func print() { ... } // 包含隱式的 @objc
    func show() { ... } // 包含隱式的 @objc
}

這樣很多并不需要暴露給 Objective-C 也被加上了 @objc。大量 @objc 會導(dǎo)致二進(jìn)制文件大小的增加。

在 Swift 4 中，隱式 @objc 自動推斷只會發(fā)生在很少的當(dāng)必須要使用 @objc 的情況，比如：

  1. 復(fù)寫父類的 Objective-C 方法
  2. 符合一個 Objective-C 的協(xié)議

其它大多數(shù)地方必須手工顯示的加上 @objc。

減少了隱式 @objc 自動推斷后，Apple Music app 的包大小減少了 5.7%。

五、 Exclusive Access to Memory

在遍歷一個 Collection 的時候可以去修改每一個元素的值，但是在遍歷時如果去添加或刪除一個元素就可能會引起 Crash。

例如為 MutableCollection 擴(kuò)展一個 modifyEach 方法來修改每個元素的值，代碼如下：

extension MutableCollection {
    mutating func modifyEach(_ body: (inout Element) -> ()) {
        for index in self.indices {
            body(&self[index])
        }
    }
}

假如在調(diào)用 modifyEach 時去刪除元素：

var numbers = [1, 2, 3]
numbers.modifyEach { element in
    element *= 2
    numbers.removeAll()
}

就會在運(yùn)行時 Crash。Swift 4 中引入了 Exclusive Access to Memory，使得這個錯誤可以在編譯時被檢查出來。

六、 兼容性

Xcode 9 中同時集成了 Swift 3.2 和 Swift 4。

  1. Swift 3.2 完全兼容 Swift 3.1，并會在過時的語法或函數(shù)上報告警告。
  2. Swift 3.2 具有 Swift 4 的一些寫法，但是性能不如 Swift 4。
  3. Swift 3.2 和 Swift 4 可以混合編譯，可以指定一部分模塊用 Swift 3.2 編譯，一部分用 Swift 4 編譯。
  4. 遷移到 Swift 4 后能獲得 Swift 4 所有的新特性，并且性能比 Swift 3.2 好。

總結(jié)：當(dāng) Xcode 正式版發(fā)布后，現(xiàn)有的 Swift 代碼可以直接升級到 Swift 3.2 而不用做任何改動，后續(xù)可以再遷移到 Swift 4?；蛘咧苯舆w移到 Swift 4 也可以，Swift 4 相比 Swift 3 的 API 變化還是不大的，很多第三方庫都可以直接用 Swift 4 編譯。Swift 1 到 2 和 Swift 2 到 3 的遷移的痛苦在 3 到 4 的遷移上已經(jīng)大大改善了。

七、參考資料

更多有關(guān) Swift 的技術(shù)文章，請關(guān)注「滬江技術(shù)學(xué)院」微信公眾號。

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