一文带你读懂 Swift 社区最新开源的算法库

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一文带你读懂 Swift 社区最新开源的算法库

最近 Swift 社区动作频频,又是登陆 Windows,又是推出底层基础库。现在又推出了 Swift 算法库,现在让我们看看里面到底有什么内容,是否值得现在在生产中应用,面对内容丰富的 raywenderlich/swift-algorithm-club 是否有足够的竞争力呢。

介绍

仓库地址:github.com/apple/swift…

目前项目还是 0.0.1 版,只提供 SwiftPM 包管理支持。一共包含 11 种算法,仅针对序列与集合类型,包含的算法如下:

  • 排列与组合类算法:Combinations / Permutations
  • 变换类算法:Rotate / Partition
  • 集合合并类算法:Chain / Product / Cycle
  • 子集合操作算法:Random Sampling / Unique
  • 其他操作算法:Chunked / Indexed

使用方法

在 Xcode 11 及以上已经集成了 Swift Package 的使用,在 project 的设置中添加一个 package 即可,地址:github.com/apple/swift…, 选择 0.0.1 版本。

如果使用 Package.swift 文件,添加如下内容:

let package = Package(
    // name, platforms, products, etc.
    dependencies: [
        .package(url: "https://github.com/apple/swift-algorithms", from: "0.0.1"),
        // other dependencies
    ],
    targets: [
        .target(name: "<target>", dependencies: [
            .product(name: "Algorithms", package: "swift-algorithms"),
        ]),
        // other targets
    ]
)
复制代码

排列组合

Combinations

Combinations 主要用来生成集合的所有可能组合结果,如果有两个元素值相同也算作不同的元素,用法如下:

let numbers = [10, 20, 30, 40]
for combo in numbers.combinations(ofCount: 2) {
    print(combo)
}
// [10, 20]
// [10, 30]
// [10, 40]
// [20, 30]
// [20, 40]
// [30, 40]

let numbers2 = [20, 10, 10]
for combo in numbers2.combinations(ofCount: 2) {
    print(combo)
}
// [20, 10]
// [20, 10]
// [10, 10]
复制代码

Combinations 结构体实现了 Sequence 协议,通过迭代来读取每种组合,如果需要直接得到所有结果,转成数组即可:

let numbers = [10, 20, 30, 40]
let combinedArray = Array(numbers.combinations(ofCount: 3))
print(combinedArray)
// [[10, 20, 30], [10, 20, 40], [10, 30, 40], [20, 30, 40]]
复制代码

Permutations

Permutations 用于生成集合的全排列,也是通过遵守 Sequence 协议的方式来实现,可以默认包含所有元素,也可以指定个数,同样相同的值作为不同的元素对待:

let numbers = [10, 20, 30]
for perm in numbers.permutations() {
    print(perm)
}
// [10, 20, 30]
// [10, 30, 20]
// [20, 10, 30]
// [20, 30, 10]
// [30, 10, 20]
// [30, 20, 10]

for perm in numbers.permutations(ofCount: 2) {
    print(perm)
}
// [10, 20]
// [10, 30]
// [20, 10]
// [20, 30]
// [30, 10]
// [30, 20]
复制代码

集合变换

Rotate

Rotate 用于将集合中的一段数据移动到最前面,如下面代码将 index = 2 开始的后面所有元素都移动到最前面,并返回原来最前面元素移动后的新 index:

var numbers = [10, 20, 30, 40, 50, 60]
let p = numbers.rotate(at: 2)
// numbers == [30, 40, 50, 60, 10, 20]
// p == 4
复制代码

还可以选择集合中的某一部分进行移动,下面将索引为 0..<3 范围内的元素,从 index = 1 处移动到该范围的最前面,范围外的其他元素保持不动:

var numbers = [10, 20, 30, 40, 50, 60]
numbers.rotate(subrange: 0..<3, at: 1)
// numbers = [20, 30, 10, 40, 50, 60]
复制代码

Rotate 算法经常用于解决分治算法中的写时复制与切片修改问题。

Partition

Partition 用于根据指定条件将集合划分为两个部分,符合条件的移动到集合末尾。

提供了以下几个方法:

  • stablePartition(by:) 将符合闭包判断条件的元素移动至数组末尾,移动后的元素仍然保持原来的相对顺序,并返回移动后符合条件部分的第一个元素的索引(如果没有符合条件的元素,则返回数组末尾元素的下一个索引):
numbers = [10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80]
let p2 = numbers.stablePartition(by: { $0.isMultiple(of: 20) })
// numbers = [10, 30, 50, 70, 20, 40, 60, 80]
复制代码
  • stablePartition(subrange:by:) 在指定范围内并将符合条件的元素移动至范围的末尾:
numbers = [10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80]
let p2 = numbers.stablePartition(subrange: 1..<4, by: { $0.isMultiple(of: 20) })
// numbers = [10, 30, 20, 40, 50, 60, 70, 80]
复制代码

有一个问题需要注意一下:在 0.0.1 版本中 stablePartition(subrange:by:) 方法是有缺陷的,如果设定的 subrange 未覆盖全部集合元素将会报错,笔者已经对这个问题提交了一个 pr 并合并到了主干,pr 链接

  • 另外需要注意,swift 内置的集合方法中已经提供了一个 partition(by:) 方法,但这个方法只是将符合条件的元素移动至末尾,并不保证元素移动后的相对位置,partition 的时间复杂度是 O(n), stablePartition 的时间复杂度是 O(n log n):
var numbers = [10, 100, 30, 40, 50, 60, 70, 80]
let p2 = numbers.partition(by: { $0.isMultiple(of: 20) })
// numbers = [10, 70, 30, 50, 40, 60, 100, 80]
复制代码
  • 还提供了一个方法,获取已经进行了 partition 操作的集合的第一个符合条件元素索引:
let numbers = [10, 30, 50, 70, 20, 40, 60]
let p = numbers.partitioningIndex(where: { $0.isMultiple(of: 20) })
// p = 4
// numbers[..<p] == [10, 30, 50, 70]
// numbers[p...] = [20, 40, 60]
复制代码

集合合并

Chain

Chain 用于将两个集合合并为一个集合:

let numbers = [10, 20, 30].chained(with: 1...5)
// Array(numbers) == [10, 20, 30, 1, 2, 3, 4, 5]
// 
let letters = "abcde".chained(with: "FGHIJ")
// String(letters) == "abcdeFGHIJ"
复制代码

Chain 类型实现了 Sequence 与 Collection 协议,可以当成普通的集合类型来使用。

Product

Product 用于提供两个集合所有元素的俩俩配对组合的遍历支持:

let seasons = ["winter", "spring", "summer", "fall"]
for (year, season) in product(1900...2020, seasons) {
    print(year, season)
}
// 1900 winter
// 1900 spring
// 1900 summer
// 1900 fall
// 1902 winter
// ..
// 2020 fall
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product 方法要求传入的第一个参数遵守 Sequence 协议,而第二个参数遵守 Collection 协议,因为第一个参数只需要遍历一次,而第二参数需要多次遍历,Sequence 协议不保证重复遍历输出一样的值。

Cycle

Cycle 提供无限遍历一个集合的能力:

for (odd, n) in zip([true, false].cycled(), 1...) {
  print(odd, n)
}
// true 1
// false 2
// true 3
// false 4
// true 5
// false 6
// ...
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或者指定重复遍历的次数:

for x in (1...3).cycled(times: 3) {
    print(x)
}
// 1 2 3 1 2 3 1 2 3
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cycled(times:) 方法组合了标准库中的 repeatElement 和 joined 方法,提供了更方便的有限次重复集合的方法。

子集合操作

Random Sampling

Random Sampling 提供了从集合中随机挑选元素形成新的集合的能力 ,每次执行的结果都可能不同:

var source = [10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100]
source.randomSample(count: 4)
// e.g. [30, 10, 70, 50]
复制代码

还提供了一个 randomStableSample(count:) 方法保证挑选之后的集合保持原有元素的相对顺序:

source.randomStableSample(count: 4)
// e.g. [20, 30, 80, 100]
复制代码

还可以自定义随机数生成方法:

var rng = SplitMix64(seed: 0)
source.randomSample(count: 4, using: &rng)
复制代码

Unique

Unique 可以去除集合中重复的元素,内部利用 Set 类型来实现:

let numbers = [1, 2, 3, 3, 2, 3, 3, 2, 2, 2, 1]
let unique = numbers.uniqued()
// unique == [1, 2, 3]
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还可以提供一个闭包来确定是否唯一:

let source = [10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100]
let uniq = source.uniqued { $0 % 12 }
// [10, 20, 30, 40, 50, 60]
复制代码

以上代码中,除以 12 余数相同的元素不再出现在结果中。

其他集合操作

Chunked

Chunked 可以将一个集合按照一定条件划分为包含多个子集的新集合:

let numbers = [10, 20, 30, 10, 40, 40, 10, 20]
let chunks = numbers.chunked(by: { $0 <= $1 })
// [[10, 20, 30], [10, 40, 40], [10, 20]]
复制代码

以上代码根据 { 0<=0 <= 1 } 这个闭包将原数组划分为多个升序子集合

还提供了一个 chunked(on:) 方法,根据其中闭包计算的结果比对是否相同,相同的元素在一个子集里:

let names = ["David", "Kyle", "Karoy", "Nate"]
let chunks = names.chunked(on: \.first!)
// [["David"], ["Kyle", "Karoy"], ["Nate"]]
复制代码

以上代码将首字母相同的放在一个子集里。

Indexed

Indexed 将集合转换为一个新的集合,每个元素为一个包含了原集合元素的索引与值的元组:

let numbers = [10, 20, 30, 40, 50]
var matchingIndices: Set<Int> = []
for (i, n) in numbers.indexed() {
    print(i, n)
}
// 0 10
// 1 20
// 2 30
// 3 40
// 4 50
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总结

从上面内容可以看到,Swift 算法库现在还比较简单,很多地方还待完善,等社区贡献了更多内容后未来还是值得期待的,以后不用再手写各种常用算法了。

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iOS
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