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【Swift-不透明类型】从SwiftUI看some关键字

这是我参与8月更文挑战的第6天,活动详情查看:8月更文挑战

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一、 我遇到的问题

今天在写一个 SwiftUI 的demo的时候,准备用一个 枚举 来作为列表的数数据源。

1.1 列表的主体

struct ContentView: View {
    var body: some View {
        NavigationView {
            Form {
                ForEach(ContentTypes.allCases, content: { item in
                    NavigationLink(destination: item.destinationView) {
                        Text(item.rawValue)
                    }
                })
            }
            .navigationBarTitle("SwiftUITourDemos", displayMode: .automatic)
        }
    }
}
复制代码

1.2 枚举

enum ContentTypes: String, CaseIterable, Identifiable {
    var id: String { rawValue }
    
    case StateAndStructClass = "@State & struct/class"

    var destinationView: View {
        switch self {
        case .StateAndStructClass:
            return StateAndStructClassView()
        }
    }
}
复制代码

1.3 问题

代码乍一看好像没什么问题,然而:

06-01.png

Protocol 'View' can only be used as a generic constraint because it has Self or associated type requirements

一个使用协议时 protocol 经典的报错。

1.4 View 是什么

通过点进 View 的定义,可以看到,它是一个协议。

06-02.png

二、 解决问题

在 SwiftUI 默认生产的代码中有这样一段

06-03.png

既然这里的 body (View协议中定义的) 是用 some View 来做为类型,那么我在 ContentTypesdestinationView 是否也可以使用 some View 呢?

2.1 试一试

诶嘿~ 可以了

06-04.png

那么 some 究竟是什么呢?它代表 不透明类型,通常与协议搭配使用。其实并不是 SwiftUI 的特性,而是 Swift 的特性。只不过是我平时没见过而已😂。

三、 不透明类型

具有不透明返回类型的函数或方法会隐藏返回值的类型信息。函数不再提供具体的类型作为返回类型,而是根据它支持的协议来描述返回值。在处理模块调用代码之间的关系时,隐藏类型信息非常有用,因为返回的底层数据类型仍然可以保持私有。而且不同于返回协议类型,不透明类型能保证类型一致性:编译器能获取到类型信息,同时模块使用者却不能获取到。

3.1 需要解决的问题

举个例子,假设你正在写一个模块,用来绘制 ASCII 符号构成的几何图形。它的基本特征是有一个 draw() 方法,会返回一个代表最终几何图形的字符串,你可以用包含这个方法的 Shape 协议来描述:

protocol Shape {
    func draw() -> String
}

struct Triangle: Shape {
    var size: Int
    func draw() -> String {
        var result: [String] = []
        for length in 1...size {
            result.append(String(repeating: "*", count: length))
        }
        return result.joined(separator: "\n")
    }
}
let smallTriangle = Triangle(size: 3)
print(smallTriangle.draw())
复制代码

你可以利用泛型来实现垂直翻转之类的操作,就像下面这样。然而,这种方式有一个很大的局限:翻转操作的结果会暴露我们用于构造结果的泛型类型:

struct FlippedShape<T: Shape>: Shape {
    var shape: T
    func draw() -> String {
        let lines = shape.draw().split(separator: "\n")
        return lines.reversed().joined(separator: "\n")
    }
}
let flippedTriangle = FlippedShape(shape: smallTriangle)
print(flippedTriangle.draw())
复制代码

如下方代码所示,用同样的方式定义了一个 JoinedShape<T: Shape, U: Shape> 结构体,能将几何图形垂直拼接起来。如果拼接一个翻转三角形和一个普通三角形,它就会得到类似于 JoinedShape<FlippedShape<Triangle>, Triangle> 这样的类型。

struct JoinedShape<T: Shape, U: Shape>: Shape {
    var top: T
    var bottom: U
    func draw() -> String {
        return top.draw() + "\n" + bottom.draw()
    }
}
let joinedTriangles = JoinedShape(top: smallTriangle, bottom: flippedTriangle)
print(joinedTriangles.draw())
复制代码

暴露构造所用的具体类型会造成类型信息的泄露,因为 ASCII 几何图形模块的部分公开接口必须声明完整的返回类型,而实际上这些类型信息并不应该被公开声明。输出同一种几何图形,模块内部可能有多种实现方式,而外部使用时,应该与内部各种变换顺序的实现逻辑无关。诸如 JoinedShapeFlippedShape 这样包装后的类型,模块使用者并不关心,它们也不应该可见。模块的公开接口应该由拼接、翻转等基础操作组成,这些操作也应该返回独立的 Shape 类型的值。

3.2 返回不透明类型

你可以认为不透明类型和泛型相反。泛型允许调用一个方法时,为这个方法的形参和返回值指定一个与实现无关的类型。举个例子,下面这个函数的返回值类型就由它的调用者决定:

func max<T>(_ x: T, _ y: T) -> T where T: Comparable { ... }
复制代码

xy 的值由调用 max(_:_:) 的代码决定,而它们的类型决定了 T 的具体类型。调用代码可以使用任何遵循了 Comparable 协议的类型,函数内部也要以一种通用的方式来写代码,才能应对调用者传入的各种类型。max(_:_:) 的实现就只使用了所有遵循 Comparable 协议的类型共有的特性。

而在返回不透明类型的函数中,上述角色发生了互换。不透明类型允许函数实现时,选择一个与调用代码无关的返回类型。比如,下面的例子返回了一个梯形,却没直接输出梯形的底层类型:

struct Square: Shape {
    var size: Int
    func draw() -> String {
        let line = String(repeating: "*", count: size)
        let result = Array<String>(repeating: line, count: size)
        return result.joined(separator: "\n")
    }
}

func makeTrapezoid() -> some Shape {
    let top = Triangle(size: 2)
    let middle = Square(size: 2)
    let bottom = FlippedShape(shape: top)
    let trapezoid = JoinedShape(
        top: top,
        bottom: JoinedShape(top: middle, bottom: bottom)
    )
    return trapezoid
}
let trapezoid = makeTrapezoid()
print(trapezoid.draw())
复制代码

这个例子中,makeTrapezoid() 函数将返回值类型定义为 some Shape;因此,该函数返回遵循 Shape 协议的给定类型,而不需指定任何具体类型。这样写 makeTrapezoid() 函数可以表明它公共接口的基本性质:返回的是一个几何图形,而不是部分的公共接口生成的特殊类型。上述实现过程中使用了两个三角形和一个正方形,还可以用其他多种方式重写画梯形的函数,都不必改变返回类型。

这个例子凸显了不透明返回类型和泛型的相反之处。makeTrapezoid() 中代码可以返回任意它需要的类型,只要这个类型是遵循 Shape 协议的,就像调用泛型函数时可以使用任何需要的类型一样。这个函数的调用代码需要采用通用的方式,就像泛型函数的实现代码一样,这样才能让 makeTrapezoid() 返回的任何 Shape 类型的值都能被正常使用。

你也可以将不透明返回类型和泛型结合起来,下面的两个泛型函数也都返回了遵循 Shape 协议的不透明类型。

func flip<T: Shape>(_ shape: T) -> some Shape {
    return FlippedShape(shape: shape)
}
func join<T: Shape, U: Shape>(_ top: T, _ bottom: U) -> some Shape {
    JoinedShape(top: top, bottom: bottom)
}

let opaqueJoinedTriangles = join(smallTriangle, flip(smallTriangle))
print(opaqueJoinedTriangles.draw())
复制代码

这个例子中 opaqueJoinedTriangles 的值和前文中关于泛型的那个例子中的 joinedTriangles 完全一样。不过和前文不一样的是,flip(-:)join(-:-:) 将对泛型参数的操作后的返回结果包装成了不透明类型,这样保证了在结果中泛型参数类型不可见。两个函数都是泛型函数,因为他们都依赖于泛型参数,而泛型参数又将 FlippedShapeJoinedShape 所需要的类型信息传递给它们。

如果函数中有多个地方返回了不透明类型,那么所有可能的返回值都必须是同一类型。即使对于泛型函数,不透明返回类型可以使用泛型参数,但仍需保证返回类型唯一。比如,下面就是一个非法示例 —— 包含针对 Square 类型进行特殊处理的翻转函数。

func invalidFlip<T: Shape>(_ shape: T) -> some Shape {
    if shape is Square {
        return shape // 错误:返回类型不一致
    }
    return FlippedShape(shape: shape) // 错误:返回类型不一致
}
复制代码

如果你调用这个函数时传入一个 Square 类型,那么它会返回 Square 类型;否则,它会返回一个 FlippedShape 类型。这违反了返回值类型唯一的要求,所以 invalidFlip(_:) 不正确。修正 invalidFlip(_:) 的方法之一就是将针对 Square 的特殊处理移入到 FlippedShape 的实现中去,这样就能保证这个函数始终返回 FlippedShape

struct FlippedShape<T: Shape>: Shape {
    var shape: T
    func draw() -> String {
        if shape is Square {
            return shape.draw()
        }
        let lines = shape.draw().split(separator: "\n")
        return lines.reversed().joined(separator: "\n")
    }
}
复制代码

返回类型始终唯一的要求,并不会影响在返回的不透明类型中使用泛型。比如下面的函数,就是在返回的底层类型中使用了泛型参数:

func `repeat`<T: Shape>(shape: T, count: Int) -> some Collection {
    return Array<T>(repeating: shape, count: count)
}
复制代码

这种情况下,返回的底层类型会根据 T 的不同而发生变化:但无论什么形状被传入,repeat(shape:count:) 都会创建并返回一个元素为相应形状的数组。尽管如此,返回值始终还是同样的底层类型 [T], 所以这符合不透明返回类型始终唯一的要求。

3.3 不透明类型和协议类型的区别

虽然使用不透明类型作为函数返回值,看起来和返回协议类型非常相似,但这两者有一个主要区别,就在于是否需要保证类型一致性。一个不透明类型只能对应一个具体的类型,即便函数调用者并不能知道是哪一种类型;协议类型可以同时对应多个类型,只要它们都遵循同一协议。总的来说,协议类型更具灵活性,底层类型可以存储更多样的值,而不透明类型对这些底层类型有更强的限定。

比如,这是 flip(_:) 方法不采用不透明类型,而采用返回协议类型的版本:

func protoFlip<T: Shape>(_ shape: T) -> Shape {
    return FlippedShape(shape: shape)
}
复制代码

这个版本的 protoFlip(_:)flip(_:) 有相同的函数体,并且它也始终返回唯一类型。但不同于 flip(_:)protoFlip(_:) 返回值其实不需要始终返回唯一类型 —— 返回类型只需要遵循 Shape 协议即可。换句话说,protoFlip(_:) 比起 flip(_:) 对 API 调用者的约束更加松散。它保留了返回多种不同类型的灵活性:

func protoFlip<T: Shape>(_ shape: T) -> Shape {
    if shape is Square {
        return shape
    }

    return FlippedShape(shape: shape)
}
复制代码

修改后的代码根据代表形状的参数的不同,可能返回 Square 实例或者 FlippedShape 实例,所以同样的函数可能返回完全不同的两个类型。当翻转相同形状的多个实例时,此函数的其他有效版本也可能返回完全不同类型的结果。protoFlip(_:) 返回类型的不确定性,意味着很多依赖返回类型信息的操作也无法执行了。举个例子,这个函数的返回结果就不能用 == 运算符进行比较了。

let protoFlippedTriangle = protoFlip(smallTriangle)
let sameThing = protoFlip(smallTriangle)
protoFlippedTriangle == sameThing  // 错误
复制代码

上面的例子中,最后一行的错误来源于多个原因。最直接的问题在于,Shape 协议中并没有包含对 == 运算符的声明。如果你尝试加上这个声明,那么你会遇到新的问题,就是 == 运算符需要知道左右两侧参数的类型。这类运算符通常会使用 Self 类型作为参数,用来匹配符合协议的具体类型,但是由于将协议当成类型使用时会发生类型擦除,所以并不能给协议加上对 Self 的实现要求。

将协议类型作为函数的返回类型能更加灵活,函数只要返回遵循协议的类型即可。然而,更具灵活性导致牺牲了对返回值执行某些操作的能力。上面的例子就说明了为什么不能使用 == 运算符 —— 它依赖于具体的类型信息,而这正是使用协议类型所无法提供的。

这种方法的另一个问题在于,变换形状的操作不能嵌套。翻转三角形的结果是一个 Shape 类型的值,而 protoFlip(_:) 方法的则将遵循 Shape 协议的类型作为形参,然而协议类型的值并不遵循这个协议;protoFlip(_:) 的返回值也并不遵循 Shape 协议。这就是说 protoFlip(protoFlip(smallTriange)) 这样的多重变换操作是非法的,因为经过翻转操作后的结果类型并不能作为 protoFlip(_:) 的形参。

相比之下,不透明类型则保留了底层类型的唯一性。Swift 能够推断出关联类型,这个特点使得作为函数返回值,不透明类型比协议类型有更大的使用场景。比如:

protocol Container {
    associatedtype Item
    var count: Int { get }
    subscript(i: Int) -> Item { get }
}
extension Array: Container { }
复制代码

你不能将 Container 作为方法的返回类型,因为此协议有一个关联类型。你也不能将它用于对泛型返回类型的约束,因为函数体之外并没有暴露足够多的信息来推断泛型类型。

// 错误:有关联类型的协议不能作为返回类型。
func makeProtocolContainer<T>(item: T) -> Container {
    return [item]
}

// 错误:没有足够多的信息来推断 C 的类型。
func makeProtocolContainer<T, C: Container>(item: T) -> C {
    return [item]
}
复制代码

而使用不透明类型 some Container 作为返回类型,就能够明确地表达所需要的 API 契约 —— 函数会返回一个集合类型,但并不指明它的具体类型:

func makeOpaqueContainer<T>(item: T) -> some Container {
    return [item]
}
let opaqueContainer = makeOpaqueContainer(item: 12)
let twelve = opaqueContainer[0]
print(type(of: twelve))
// 输出 "Int"
复制代码

twelve 的类型可以被推断出为 Int, 这说明了类型推断适用于不透明类型。在 makeOpaqueContainer(item:) 的实现中,底层类型是不透明集合 [T]。在上述这种情况下,T 就是 Int 类型,所以返回值就是整数数组,而关联类型 Item 也被推断出为 IntContainer 协议中的 subscipt 方法会返回 Item,这也意味着 twelve 的类型也被能推断出为 Int

四、 总结

了解了 不透明类型 后,突然想起之前遇到的一些协议使用时的问题可以更优雅的解决了。等我优化后觉得有收获的话再来和大家分享吧😁。

参考

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iOS
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