最全的 Swift 4 新特性解析

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作者:刘铎(沪江高级 iOS 开发工程师)

本文为原创文章,转载请注明作者及出处

WWDC 2017 带来了很多惊喜,Swift 4 也伴随着 Xcode 9 测试版来到了我们的面前,很多强大的新特性非常值得我们期待在正式项目中去使用它。因为 Swift 4 是开源的,如果你关注 swift-evolution 这个项目的话,就应该已经提前了解到它的新特性了。本文参考了 WWDC 2017 以及各种资料,从语法、字符串、标准库、构建过程等方面,把 Swift 4 的这些新特性一一列举出来做介绍和分析,让他们毫无保留地展现在你的眼前。

一、语法改进

extension 中可以访问 private 的属性

参考以下代码:

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
   }
}

上面代码定义了一个 Date 结构体,并实现 Equatable 和 Comparable 协议。为了让代码更清晰,可读性更好,一般会把对协议的实现放在单独的 extension 中,这也是一种非常符合 Swift 风格的写法,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,编译就报错了,因为 extension 中无法获取到 secondsSinceReferenceDate 属性,因为它是 private 的。于是在 Swift 3 中,必须把 private 改为 fileprivate。

struct Date {
   fileprivate let secondsSinceReferenceDate: Double
}

但是如果用 fileprivate,属性的作用域就会比我们需要的更大,可能会造成属性的滥用。

在 Swift 4 中,private 的属性的作用域扩大到了 extension 中,并且被限定在了 struct 和 extension 内部,这样就不需要再改成 fileprivate 了,这是最好的结果。

类型和协议的组合类型

参考以下代码:

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,这里的 ??? 应该写什么呢?如果写 UIControl,那么 control.shake() 就会报错;如果写 Shakeable,那么 control.state.isEnabled 就会报错。其实我们也可以这样写:

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

这样写虽然可以跑通了,但是很丑陋。

在 Swift 4 中,可以把类型和协议用 & 组合在一起作为一个类型使用,就可以像下面这样写了:

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()
   }
}

把它声明为了 UIControl & Shakeable 类型,OK,圆满解决。

PS:这个代码例子是 WWDC 2017 的 PPT 中的,上面的代码有点问题,control.state.isEnabled 这句代码中,state 是没有 isEnabled 这个属性的,改为 control.isEnabled 就可以了。看来苹果的工程师做 PPT 有时候还是不太严谨。

另外,iOS SDK 中的 API 也用这个特性做了优化,例如:

// Objective-C API
@interface NSCandidateListTouchBarItem<CandidateType> : NSTouchBarItem
@property (nullable, weak) NSView <NSTextInputClient> *client;
@end

这个 API 的 Objective-C 版本是没有问题的,可以知道 client 属性既是一个 NSView,又符合 NSTextInputClient 协议。然而它对应的 Swift 3 版本为:

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

仅仅是一个 NSView 类型 /(ㄒoㄒ)/~~

在 Swift 4 中,这类 API 做了优化,改成了:

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

这样类型的声明就更加严谨了。

Associated Type 可以追加 Where 约束语句

在 Swift 4 中可以在 associatedtype 后面声明的类型后追加 where 语句

associatedtype Element where <xxx>

看下面是 Swift 4 标准库中 Sequence 中 Element 的声明:

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

它限定了 Sequence 中 Element 这个类型必须和 Iterator.Element 的类型一致。

通过 where 语句可以对类型添加更多的约束,使其更严谨,避免在使用这个类型时做多余的类型判断。

新的 Key Paths 语法

先来看看 Swift 3 中 Key Paths 的写法:

@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 中创建一个 KeyPath 用 \ 作为开头:

\Kid.nickname

当编译器可以推导出类型时,可以省略基础类型部分:

\.nickname

上面的代码在 Swift 4 中就可以这样写:

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 具有以下优势:

  1. 类型可以定义为 class、struct

  2. 定义类型时无需加上 @objcMembers、dynamic 等关键字

  3. 性能更好

  4. 类型安全和类型推断,例如 ben.valueForKeyPath(kidsNameKeyPath) 返回的类型是 Any,ben[keyPath: \Kid.nickname] 直接返回 String 类型

  5. 可以在所有值类型上使用

下标支持泛型

有时候会写一些数据容器,Swift 支持通过下标来读写容器中的数据,但是如果容器类中的数据类型定义为泛型,以前的下标语法就只能返回 Any,在取出值后需要用 as? 来转换类型。Swift 4 定义下标也可以使用泛型了。

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"] // 不需要再写 as? String

二、字符串

Unicode 字符串在计算 count 时的正确性改善

在 Unicode 中,有些字符是由几个其它字符组成的,比如 é 这个字符,它可以用 \u{E9} 来表示,也可以用 e 字符和上面一撇字符组合在一起表示 \u{65}\u{301}

考虑以下代码:

var family = "👩"
family += "\u{200D}👩"
family += "\u{200D}👧"
family += "\u{200D}👦"

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

这个 family 是一个由多个字符组合成的字符,打印出来的结果为 👩‍👩‍👧‍👦。上面的代码在 Swift 3 中打印的 count 数是 4,在 Swift 4 中打印出的 count 是 1。

更快的字符处理速度

Swift 4 的字符串优化了底层实现,对于英语、法语、德语、西班牙语的处理速度提高了 3.5 倍。

对于简体中文、日语的处理速度提高了 2.5 倍。

去掉 characters

Swift 3 中的 String 需要通过 characters 去调用的属性方法,在 Swift 4 中可以通过 String 对象本身直接调用,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 可以把上面代码中的所有的 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 新增了一个语法糖 ... 可以对字符串进行单侧边界取子串。

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 当做 Collection 来用

Swift 4 中 String 可以当做 Collection 来用,并不是因为 String 实现了 Collection 协议,而是 String 本身增加了很多 Collection 协议中的方法,使得 String 在使用时看上去就是个 Collection。例如:

翻转字符串:

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

遍历字符:

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 的背后有个 Owner Object 来跟踪和管理这个 String,String 对象在内存中的存储由内存其实地址、字符数、指向 Owner Object 指针组成。Owner Object 指针指向 Owner Object 对象,Owner Object 对象持有 String Buffer。当对 String 做取子字符串操作时,子字符串的 Owner Object 指针会和原字符串指向同一个对象,因此子字符串的 Owner Object 会持有原 String 的 Buffer。当原字符串销毁时,由于原字符串的 Buffer 被子字符串的 Owner Object 持有了,原字符串 Buffer 并不会释放,造成极大的内存浪费。

在 Swift 4 中,做取子串操作的结果是一个 Substring 类型,它无法直接赋值给需要 String 类型的地方。必须用 String( ) 包一层,系统会通过复制创建出一个新的字符串对象,这样原字符串在销毁时,原字符串的 Buffer 就可以完全释放了。

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

mainView.titleLabel.text = small // Swift 4 编译报错

mainView.titleLabel.text = String(small) // 编译通过

多行字符串字面量

Swift 3 中写很长的字符串只能写在一行。

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")

字符串中间有换行只能通过添加 \n 字符来代表换行。

Swift 4 可以把字符串写在一对 """ 中,这样字符串就可以写成多行。

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 标准库

Encoding and Decoding

当需要将一个对象持久化时,需要把这个对象序列化,往常的做法是实现 NSCoding 协议,写过的人应该都知道实现 NSCoding 协议的代码写起来很痛苦,尤其是当属性非常多的时候。几年前有一个工具能自动生成 Objective-C 的实现 NSCoding 协议代码,当时用着还不错,但后来这个工具已经没有人维护很久了,而且不支持 Swift。

Swift 4 中引入了 Codable 帮我们解决了这个问题。

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

我们想将这个 Language 对象的实例持久化,只需要让 Language 符合 Codable 协议即可,Language 中不用写别的代码。符合了 Codable 协议以后,可以选择把对象 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 保存起来
}

Decode 操作如下:

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

Sequence 改进

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 语句,所以 Sequence 做了这样的改进。Swift 4 中获取 Sequence 的元素类型可以不用 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
}

通过 where 语句的限定,保证了类型正确,避免在使用 Sequence 时做一些不必要的类型判断。

Collection 也有一些类似的修改。

Protocol-oriented integers

整数类型符合的协议有修改,新增了 FixedWidthInteger 等协议,具体的协议继承关系如下:

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

Dictionary and Set enhancements

这里简单列一下 Dictionary 和 Set 增强了哪些功能:

  1. 通过 Sequence 来初始化

  2. 可以包含重复的 Key

  3. Filter 的结果的类型和原类型一致

  4. Dictionary 的 mapValues 方法

  5. Dictionary 的默认值

  6. Dictionary 可以分组

  7. Dictionary 可以翻转

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,把一个值为 999 的 NSNumber 转换为 UInt8 后,能正确的返回 nil,而在 Swift 3 中会不可预料的返回 231。

MutableCollection.swapAt(_:_:)

MutableCollection 现在有了一个新方法 swapAt(_:_:) 用来交换两个位置的值,例如:

var mutableArray = [1, 2, 3, 4]
mutableArray.swapAt(1, 2)
print(mutableArray)
// 打印结果:[1, 3, 2, 4]

四、构建过程改进

New Build System

Xcode 9 引入了 New Build System,可在 Xcode 9 的 File -> Project Settings... 中选择开启。

预编译 Bridging Headers 文件

对于 Swift 和 Objective-C 混合的项目,Swift 调用 Objective-C 时,需要建立一个 Bridging Headers 文件,然后把 Swift 要调用的 Objective-C 类的头文件都写在里面,编译器会读取 Bridging Headers 中的头文件,然后生成一个庞大的 Swift 文件,文件内容是这些头文件内的 API 的 Swift 版本。然后编译器会在编译每一个 Swift 文件时,都要编译一遍这个庞大的 Swift 文件的内容。

有了预编译 Bridging Headers 以后,编译器会在预编译阶段把 Bridging Headers 编译一次,然后插入到每个 Swift 文件中,这样就大大提高了编译速度。

苹果宣称 Xcode 9 和 Swift 4 对于 Swift 和 Objective-C 混合编译的速度提高了 40%。

Indexing 可以在编译的同时进行

用 Swift 开发项目时,近几个版本的 Xcode 进行 Indexing 的速度慢的令人发指。Xcode 9 和 Swift 4 在这方面做了优化,可以在编译的同时进行 Indexing,一般编译结束后 Indexing 也会同时完成。

COW Existential Containers

Swift 中有个东西叫 Existential Containers,它用来保存未知类型的值,它的内部是一个 Inline value buffer,如果 Inline value buffer 中的值占用空间很大时,这个值会被分配在堆上,然而在堆上分配内存是一个性能比较慢的操作。

Swift 4 中为了优化性能引入了 COW Existential Containers,这里的 COW 就代表 “Copy-On-Write”,当存在多个相同的值时,他们会共用 buffer 上的空间,直到某个值被修改时,这个被修改的值才会被拷贝一份并分配内存空间。

移除未调用的协议实现

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 实现了 Equatable 和 Comparable 协议。编译时如果编译器发现没有任何地方调用了对 Date 进行大小比较的方法,编译器会移除 Comparable 协议的实现,来达到减小包大小的目的。

减少隐式 @objc 自动推断

在项目中想把 Swift 写的 API 暴露给 Objective-C 调用,需要增加 @objc。在 Swift 3 中,编译器会在很多地方为我们隐式的加上 @objc,例如当一个类继承于 NSObject,那么这个类的所有方法都会被隐式的加上 @objc。

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

这样很多并不需要暴露给 Objective-C 也被加上了 @objc。大量 @objc 会导致二进制文件大小的增加。

在 Swift 4 中,隐式 @objc 自动推断只会发生在很少的当必须要使用 @objc 的情况,比如:

  1. 复写父类的 Objective-C 方法

  2. 符合一个 Objective-C 的协议

其它大多数地方必须手工显示的加上 @objc。

减少了隐式 @objc 自动推断后,Apple Music app 的包大小减少了 5.7%。

五、 Exclusive Access to Memory

在遍历一个 Collection 的时候可以去修改每一个元素的值,但是在遍历时如果去添加或删除一个元素就可能会引起 Crash。

例如为 MutableCollection 扩展一个 modifyEach 方法来修改每个元素的值,代码如下:

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

假如在调用 modifyEach 时去删除元素:

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

就会在运行时 Crash。Swift 4 中引入了 Exclusive Access to Memory,使得这个错误可以在编译时被检查出来。

六、 兼容性

Xcode 9 中同时集成了 Swift 3.2 和 Swift 4。

  1. Swift 3.2 完全兼容 Swift 3.1,并会在过时的语法或函数上报告警告。

  2. Swift 3.2 具有 Swift 4 的一些写法,但是性能不如 Swift 4。

  3. Swift 3.2 和 Swift 4 可以混合编译,可以指定一部分模块用 Swift 3.2 编译,一部分用 Swift 4 编译。

  4. 迁移到 Swift 4 后能获得 Swift 4 所有的新特性,并且性能比 Swift 3.2 好。

总结:当 Xcode 正式版发布后,现有的 Swift 代码可以直接升级到 Swift 3.2 而不用做任何改动,后续可以再迁移到 Swift 4。或者直接迁移到 Swift 4 也可以,Swift 4 相比 Swift 3 的 API 变化还是不大的,很多第三方库都可以直接用 Swift 4 编译。Swift 1 到 2 和 Swift 2 到 3 的迁移的痛苦在 3 到 4 的迁移上已经大大改善了。

七、参考资料

  • WWDC 2017 Session 402 《What’s New in Swift》

  • WWDC 2017 Session 212 《What’s New in Foundation》

  • WWDC 2017 Session 102 《Platforms State of the Union》

  • Swift Language Programming (Swift 4.0)

  • https://github.com/apple/swift-evolution

  • https://github.com/ole/whats-new-in-swift-4

  • https://www.raywenderlich.com/163857/whats-new-swift-4

  • https://www.hackingwithswift.com/swift4

End

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