Swift 不可复制类型： 定义唯一所有权提高性能

前言

Hi, 大家好，我是一牛。今天我想和大家分享的是 Swift 引入的新特性 - 不可复制类型~Copyable 。 在 Swift 中值类型（结构体，枚举）是可以被复制的，这意味着可以创建多个相同的副本。有时候我们需要实现对某种资源的独占，无论是结构体还是枚举类型都不适合。而类可以表示一个唯一的资源，但是类的引用可以被复制，因此类始终都会共享资源的所有权。这样在内存分配和引用计数上产生了开销，随之而来的还有复杂性和不安全性，不可复制类型正是在这种背景下产生的。

可复制类型

在回答不可复制类型是什么时，我们先回顾下什么是可复制类型。对此，我们有三点共识。

• Copyable 是一个标记协议。和 Sendable 一样，它没有任何实现要求。
• 它描述了一种可以被复制的能力
• 在 Swift 中，一切都是默认可复制的

具体来说，对于值类型，考察以下代码

    // 枚举
    enum Planet {
        case Mars
        case Earth
        case Mecury
    }
    let p1 = Planet.Earth
    let p2 = p1
    // 结构体
    let s1 = "Hello, ~Copyable"
    let s2 = s1

我们可以简单画一下它们各自的内存模型。

可以看出对于枚举类型，赋值后， p1 和 p2 指向的内存是不一样的，他们的内容相同。同理对于结构体也是相同的行为。

即使我们在赋值结束后修改了p2或者s2，也不会改变p1和s1，这是因为复制前后指向的内存不再相同。

• 对于引用类型，情况就不一样了，考察以下代码

let c1 = C()
let c2 = c1
let c3 = c1
class C {}

对于类对象Swift 使用的是自动引用计数，也就是说c1,c2,c3 都持有C的实例，赋值前后指向的内存没有改变，所以修改c3会改变这个实例。

不可复制类型

你可以使用~Copyable来抑制默认的复制能力

    enum Planet: ~Copyable {
      case Mars
      case Earth
      case Mecury
    }
    let p1 = Planet.Earth
    let p2 = consume p1   // consume 关键字可以可以省略
    p1 // error: 'p1' used after consume

当我们将 p1 赋值给 p2后，此时所有权已归属p2, 编译器保证我们不能再访问p1, 从而达到资源的唯一访问。注意的这里的 consume可以被省略。

所有权

对于不可复制类型，我们有三种所有权形式。

1. Consuming

   func investigate(_ planet: consuming Planet) {}
   let p1 = Planet.Earth
   investigate(p1)
   p1 // 'p1' used after consume
   

   • p1 消耗完之后不能被调用端访问
   • 我们可以在方法investigate内部修改参数
   • 方法investigate获得了参数的所有权

2. Borrowing

   let p1 = Planet.Earth
   search(p1)
   p1 // Works.
   func search(_ planet: borrowing Planet) {}
   

   • search 方法没有获得参数的所有权
   • 调用端在 search 方法之后还能访问 p1
   • search 方法内部不能修改参数

3. Inout

   var p1 = Planet.Earth
   simulate(&p1)
   p1 // Works.
   func simulate(_ planet: inout Planet) {
       var newPlanet = consume planet
       newPlanet = .Earth
       planet = newPlanet
   }
   

   • 可以消耗参数
   • 但是在函数作用域结束之前必须重新初始化参数

用法

Borrowing 和 Consuming 也可以用在方法名前

    struct Planet: ~Copyable {
        consuming func destory() {
            discard self
        }
        borrowing func rotate() {
        }

        deinit {
            print(#function)
        }
    }
    var p1 = Planet.Earth
    p1.destory()
    p1.destory() //error: 'p1' consumed more than once   

• 可以将函数标记为消耗性函数,默认是borrowing
• 消耗性函数作用域结束之前，系统会调用 deinit 函数
• 可以在消耗性函数作用域结束之前，调用 discard self, 这样 deinit 函数不再被调用

总结

理解不可复制类型的前提是理解可复制类型，当我们掌握值类型和引用类型的内存模型，掌握不可复制类型变得极其简单。通过使用不可复制类型，我们可以提高系统的安全性和性能。