結(jié)構(gòu)體和值類型

如果你曾經(jīng)使用過 Objective-C 或者像 Ruby，Python，JavaScript 這樣的語言，可能會覺得 Swift 里的結(jié)構(gòu)體就像外星人一樣奇異。類是面向?qū)ο缶幊陶Z言中傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)單元。的確，和結(jié)構(gòu)體相比，Swift 的類支持實現(xiàn)繼承，(受限的)反射，析構(gòu)函數(shù)和多所有者。

既然類比結(jié)構(gòu)體強大這么多，為什么還要使用結(jié)構(gòu)體？正是因為它的使用范圍受限，使得結(jié)構(gòu)體在構(gòu)建代碼塊 (blocks) 的時候非常靈活。在本文中，你將會學(xué)習(xí)到結(jié)構(gòu)體和其他的值類型是如何大幅提高代碼的清晰度、靈活性和可讀性的。

值類型和引用類型

結(jié)構(gòu)體是值類型的，而類是引用類型的，這一行為上的細(xì)微區(qū)別造就了架構(gòu)上的無限可能。

值類型的實例，不管是在賦值或是作為函數(shù)參數(shù)的時候，都是被復(fù)制的。數(shù)字，字符串，數(shù)組，字典，枚舉，元組和結(jié)構(gòu)體都是值類型。比如：

var a = "Hello"
var b = a
b.extend(", world")
println("a: \(a); b: \(b)") // a: Hello; b: Hello, world

引用類型的實例 (主要是類) 可以有多個所有者。將一個引用賦值給一個新的變量或者傳遞給一個函數(shù)的時候，它們都指向同一個實例。這是你熟悉的對象的行為。比如：

var a = UIView()
var b = a
b.alpha = 0.5
println("a: \(a.alpha); b: \(b.alpha)") // a: 0.5; b: 0.5

這兩種類型的區(qū)別看起來似乎不大，但是選擇值類型還是選擇引用類型會給你的系統(tǒng)架構(gòu)帶來很大的差異。

培養(yǎng)我們的直覺

既然我們已經(jīng)知道了值類型和引用類型行為上的區(qū)別，現(xiàn)在讓我們討論一下使用上的區(qū)別。

Swift 將來除了對象可能還會有其他的引用類型，但是就這次討論，我們只將對象作為引用類型的范例。

我們在代碼中引用對象和我們在現(xiàn)實生活中引用對象是一樣的。編程書籍經(jīng)常使用一個現(xiàn)實世界的隱喻來教授人們面向?qū)ο缶幊蹋耗憧梢詣?chuàng)建一個 Dog 類，然后將它實例化來定義 fido (譯注：狗的名字)。如果你將 fido 在系統(tǒng)的不同部分之間傳遞，它們談?wù)摰娜匀皇峭粋€ fido。這是有意義的，因為如果你的確有一只叫 Fido 的狗，無論何時你談到它時，你將會使用它的名字進行信息傳輸 —— 而不是傳輸狗本身。你可能依賴于其他人知道 Fido 是誰。當(dāng)你使用對象的時候，你是在系統(tǒng)內(nèi)傳遞著實例的名字。

值就像數(shù)據(jù)一樣。如果你向別人發(fā)出了一張費用開銷表，你發(fā)出的不是一個代表那個信息的標(biāo)簽 —— 你是在傳遞信息本身。消息接收者可以在不和任何人交流的情況下，計算總和，或者把費用寫下來供日后查閱。如果消息接收者打印了費用表并且修改了它們，這也沒有修改你自己的那張表。

一個值可以是一個數(shù)字，也許代表一個價格，或是一個類似字符串的描述。它可以是枚舉中的一個選項：這次的花費是因為一頓晚餐，還是旅行，還是材料？在指定的位置中還能包括一些其他的值，比如一個代表經(jīng)度和緯度的 CLLocationCoordinate2D 結(jié)構(gòu)體?；蛘咚梢允且恍┢渌档牧斜淼鹊取?/p>

Fido 可能在自己的地盤里來回跑叫。它也許會有特殊的行為使它區(qū)別于其他的狗。他可能會同其他的狗建立關(guān)系。你不能把 Fido 換成其他的狗 —— 你的孩子們會發(fā)現(xiàn)的！但是一張費用開銷表是獨立的。那些字符串和數(shù)字不會做任何事情。它們不會背著你私下改變，不管你用多少種不同的方式在第一列寫入了一個6，它永遠(yuǎn)只會是一個6。

這就是值類型的偉大之處。

值類型的優(yōu)勢

Objective-C 和 C 具有值類型，但是 Swift 允許你在以前不能使用的場景下使用它們。比如，泛型系統(tǒng)的抽象特性可以讓泛型類型在值和引用類型間互換。數(shù)組既可以存儲 Int 也能存儲 UIView。Swift 中的枚舉的表現(xiàn)更是大放異彩，因為它們現(xiàn)在可以攜帶某些值和方法了。結(jié)構(gòu)體可以遵守協(xié)議和指定的方法。

Swift 增強了對值類型的支持，這提供了一個巨大的機會：值類型成為了使代碼簡單的一個非常靈活的工具。你可以使用它們將孤立的、可預(yù)見組件從臃腫的類中抽離出來。默認(rèn)情況下，值類型被強制使用或者至少說被鼓勵使用在屬性上，來使得工作更清晰。

在這部分，我會描述一些鼓勵使用值類型特性的情形。值得注意的是，你也可以讓對象包含這些特性，但是語言本身決定了你沒必要去那么做。如果你在代碼里看到了一個對象，你不會期待它出現(xiàn)這些特性；然而，如果你看到了一個值類型，那么對這些特性的期望就是合理的。誠然，不是所有的值類型都有這些屬性 —— 我們稍后會討論這個 —— 但是這是合理的概括。

值類型是穩(wěn)定的

總的來說，值類型不具有行為。它是非常穩(wěn)定的。它保存數(shù)據(jù)并暴露使用這些數(shù)據(jù)進行計算的方法。其中的一些方法可能會使值類型本身發(fā)生改變，但是控制流卻還是嚴(yán)格地受控于該實例的唯一所有者。

這太好了！這下更容易思考被唯一所有者直接調(diào)用才會執(zhí)行的代碼了。

相比之下，一個對象可能將它自己注冊為一個定時器的 target。它可能會接收到來自系統(tǒng)的事件。這樣的交互意味著引用類型需要有多個擁有者。因為值類型只能有一個所有者并且沒有析構(gòu)函數(shù)，所以我們也不容易寫出會對自己產(chǎn)生副作用影響的值類型。

值類型是孤立的

一個典型的值類型對任何外部組件的行為都沒有隱式的依賴。一眼看上去，與引用類型和其未知個數(shù)的所有者之間的交互相比，值類型和它的唯一所有者之間的交互要簡單多了。它是孤立的。

如果你正在獲取一個可變實例的引用，那么你對該實例的所有其他所有者都產(chǎn)生了隱式依賴：它們可能在任何時刻背著你偷偷改變它。

值類型是可交換的

因為每次將值類型賦給一個新變量的時候，該值類型都是被復(fù)制的，所以，所有的這些副本都是可交換的。

你可以安全地存儲傳遞給你的值，然后在將來就像使用新值一樣使用它們。人們區(qū)分該實例和其他實例的唯一依據(jù)就是實例所包含的數(shù)據(jù)。可交換還意味著不管一個給定的值是如何進行構(gòu)造的，我們通過 == 進行比較的話，同樣的值在任何情形下都是相等的。

所以如果你使用值類型同系統(tǒng)里的組件進行通信，你可以很容易地改變你的組件圖。你有沒有一個視圖用來描繪觸摸采樣的序列？你不用觸及視圖代碼，只通過一個觸摸采樣序列的組件，就可以補償觸摸延遲，依據(jù)前一次的采樣，追加用戶手指將要移動位置的預(yù)測，然后返回一個新的序列。你可以自信地將另一個新的組件的輸出傳給視圖 —— 因為視圖分辨不出區(qū)別。

為值類型編寫單元測試不需要花哨的模擬 (mocking) 框架。你可以直接從應(yīng)用程序中的活的實例中構(gòu)造出無分別的值。上面提到的觸摸預(yù)測組件很容易進行單元測試：可預(yù)測的值類型輸入，可預(yù)測的值類型輸出等，它們都不會產(chǎn)生副作用。

這是巨大的優(yōu)勢。在以對象行為主導(dǎo)的傳統(tǒng)架構(gòu)中，你必須要測試與正被測試的對象的交互以及與系統(tǒng)的其他部分之間的交互。那通常意味著笨拙的模擬，或者為了建立那樣的關(guān)系而添加了大量的設(shè)置代碼。值類型是孤立的，穩(wěn)定的和可交換的，所以你可以直接地構(gòu)建一個值，調(diào)用一個方法，然后檢查輸出。更簡單的測試，更大的覆蓋范圍意味著代碼更容易修改。

不是所有的值類型都有這些特性

雖然值類型的結(jié)構(gòu)鼓勵這些特性，但是你也可以使值類型違反這些特性。

包含不是由所有者調(diào)用而執(zhí)行的代碼的值類型，通常是不可預(yù)測的，并且通常情況下應(yīng)該是要避免使用的。比如：一個結(jié)構(gòu)體的構(gòu)造函數(shù)可能調(diào)用 dispatch_after 來安排一些工作。但是將該結(jié)構(gòu)體的一個實例傳遞給函數(shù)的時候，因為進行了一次復(fù)制，就會不經(jīng)意地重復(fù)做這件事情。值類型應(yīng)該是穩(wěn)定的。

包含引用的值類型通常都不是孤立的，并且應(yīng)該避免使用它們：它們攜帶了對那個對象的所有其他所有者的依賴。這些值類型也不是易交換的，因為外部引用可能以復(fù)雜的方式與系統(tǒng)的其他部分相聯(lián)系。

對象們的對象

我當(dāng)然不是建議使用穩(wěn)定的值類型來構(gòu)建所有的事情。

更精確地講，對象也是有用的，因為它們不包含我上面所說的屬性。一個對象在系統(tǒng)中扮演著實體的角色。它有身份，具有行為，通常也是獨立的。

那種行為通常復(fù)雜并且不容易思考，但是其中一些細(xì)節(jié)通?？梢杂珊唵蔚闹岛凸铝⒌睾瘮?shù)調(diào)用表現(xiàn)出來。那些細(xì)節(jié)不會和對象的復(fù)雜的行為交織在一起。通過將它們分離，對象的行為就會變得清晰。

可以將對象看成是一個薄的、命令式的層，它位于可預(yù)測的、純值類型的層之上。

對象維護通過值來定義的狀態(tài)，但是那些值其實是獨立于對象被設(shè)定和操作的。值層 (value layer) 實際上沒有狀態(tài)；它僅僅用來表示和變換數(shù)據(jù)。那些數(shù)據(jù)作為狀態(tài)可能有 (也可能沒有) 高層的意味，這取決于使用值的上下文。

對象就像 I/O 和網(wǎng)絡(luò)一樣會有副作用，但是數(shù)據(jù)、計算和重要的決策最后都驅(qū)使這些副作用存在于值類型層。對象就像薄膜，通過這一層薄膜，將那些純凈的、可預(yù)測的結(jié)果引入副作用的不純凈的領(lǐng)域。

對象可以和其他對象通信，但是通常它們發(fā)送的是值，而不是引用，除非它們確實想要和外部不可或缺的層創(chuàng)建一個持久的連接。

值類型的總結(jié)

值類型能夠使你構(gòu)建非常清晰，簡單，更容易測試的典型架構(gòu)。

值類型與外部狀態(tài)通常沒有依賴或者只有很少的依賴，所以當(dāng)你思考它們的時候，你只需要考慮很少的一部分。

值類型是內(nèi)在可組合的和可重用的，因為它們是可交換的。

最后，一個值類型層允許你從應(yīng)用程序穩(wěn)定的業(yè)務(wù)邏輯中獨立出活躍的行為元素。代碼越穩(wěn)定，你的系統(tǒng)會變得越容易測試和修改。

參考文獻

• Boundaries, by Gary Bernhardt, proposes a similar two-level architecture and elaborates on its benefits for concurrency and testing.

• Are We There Yet?, by Rich Hickey, elaborates on the distinctions between value, state, and identity.

• The Structure and Interpretation of Computer Programs, by Harry Abelson and Gerald Sussman, illustrates just how much can be represented with simple values.