Swift中值类型与引用类型的深入剖析

### Swift 中值类型与引用类型的深入剖析 #### 1. 值类型与引用类型的混合使用 在编程中，我们常常会思考能否将值类型置于引用类型内，或者将引用类型置于值类型内。答案是两者皆可。例如，在 `Company` 结构体中添加 `Employee` 类型的属性，就是将引用类型置于值类型内。不过，在值类型中使用引用类型时需格外谨慎，而在引用类型中使用值类型通常不会有特别的问题。 假设 `Acme Co.` 重组为 `Widget Co.`，在审核员工记录时，`Anika` 发现自己的员工编号实际上是 15 而非 16。以下代码展示了这一过程： ```swift mel.id = 86 mel.id // 86 acme.boss.id // 16 let widgetCo = acme anika.id = 15 widgetCo.boss.id // 15 ``` 当记录 `acme.boss.id` 的值时，结果为 16。接着，将 `acme` 的副本赋值给新常量 `widgetCo`。由于 `Company` 是值类型，本应期望 `widgetCo` 是 `acme` 的副本。随后，将 `anika` 的 ID 更新为 15。最后，检查 `widgetCo` 的老板 ID 时会发现其变为 15，这反映了 `anika` ID 的更改。这是因为 `boss` 属性是 `Employee` 类型，而 `Employee` 是类，属于引用类型。即便 `Company` 是值类型，其引用类型的属性依然只是引用。 这一示例表明，在值类型中放置引用类型会带来复杂性。通常，值类型的实例在赋值给新变量或常量，或者作为参数传递给函数时会被复制。但包含引用类型属性的值类型，会将对同一实例的引用传递给新变量或常量。通过任何一个常量或变量的属性对该实例所做的更改，都会在所有相关对象中体现。为避免混淆，一般应避免在值类型中使用引用类型属性。若确实需要在结构体中使用引用类型属性，最好使用不可变实例。 #### 2. 复制操作 复制的概念贯穿本章几乎所有主题。开发者常想了解复制实例时得到的是浅复制还是深复制。在 Swift 中，语言层面不支持深复制，因此复制操作均为浅复制。 以下示例有助于理解这些概念。假设 `Widget Co.` 招聘了一名新员工，创建一个新的 `Employee` 实例并将所有实例放入数组： ```swift let juampa = Employee() let employees = [anika, mel, juampa] // [{id 15}, {id 86}, {id 0}] ``` 创建新员工 `juampa` 并将其与 `anika` 和 `mel` 加入新数组。在为公司派对邀请名单添加人员时，`Anika` 发现 `Juampa` 的 ID 录入有误。于是复制 `employees` 数组，更新 `juampa` 的 ID 并比较两个数组： ```swift let juampa = Employee() let employees = [anika, mel, juampa] // [{id 15}, {id 86}, {id 0}] let partyGoers = employees // [{id 15}, {id 86}, {id 0}] employees.last?.id = 4 employees // [{id 15}, {id 86}, {id 4}] partyGoers // [{id 15}, {id 86}, {id 4}] ``` 数组是结构体，属于值类型，本应期望 `partyGoers` 是 `employees` 的独立副本。但更改 `juampa` 的 ID 属性后，两个数组内容相同。这是因为 `employees` 数组包含 `Employee` 类型（引用类型）的实例，`partyGoers` 和 `employees` 数组引用的是相同的 `Employee` 实例，类似于 `acme` 和 `widgetCo` 共享对 `Employee` 的引用。 这种复制方式称为浅复制。浅复制不会遍历引用，值类型的浅复制复制值，引用类型的浅复制复制引用。而深复制会复制引用指向的实例，即 `partyGoers` 数组的元素不会引用与 `employees` 数组相同的 `Employee` 实例，而是创建一个新数组，其中的引用指向各自的 `Employee` 实例。Swift 未提供执行深复制的方法，若需要此功能，需自行实现。 #### 3. 相等性与同一性 理解值类型和引用类型的区别后，接下来探讨相等性和同一性。相等性指两个实例的可观察特征值相同，例如两个 `String` 类型的实例具有相同的文本。以下代码展示了相等性检查： ```swift let x = 1 let y = 1 x == y // true ``` 创建两个常量 `x` 和 `y`，它们均为 `Int` 类型且值相同，使用 `==` 进行相等性检查结果为 `true`。所有 Swift 的基本数据类型（如 `String`、`Int`、`Float`、`Double`、`Array`、`Set` 和 `Dictionary`）都可进行相等性检查。 同一性则指两个引用是否指向内存中的同一实例。由于 `Employee` 是引用类型，可使用同一性运算符 `===` 检查两个 `Employee` 实例的同一性： ```swift acme.boss === anika // true ``` 此同一性检查成功，并非因为 `Acme` 的老板与 `anika` 属性相同，而是因为 `Acme` 的老板就是 `anika`。再看以下代码： ```swift let joe = Employee() let sam = Employee() joe === sam // false ``` 此同一性检查失败，尽管 `joe` 和 `sam` 的员工 ID 均为 0，但它们并非指向同一实例。 若尝试对 `x` 和 `y` 进行同一性检查，使用 `x === y` 会导致编译器报错。因为 `===` 运算符用于检查引用类型变量所引用实例的内存地址，值类型变量不存储引用，所以同一性检查无意义。若尝试检查 `joe` 和 `sam` 的相等性，使用 `joe == sam` 也会引发编译器错误，因为编译器不知道如何在 `Employee` 类上调用 `==` 函数。若要对自定义类进行相等性检查，需实现 `==` 函数，这涉及遵循 `Equatable` 协议。 需要注意的是，两个常量或变量可能相等（即具有相同的值）但不同一（即可能指向给定类型的不同实例），但反之不成立：若两个变量或常量指向内存中的同一实例，则它们也相等。 #### 4. 如何选择 结构体和类都适合定义许多自定义类型。在 Swift 之前，在 macOS 和 iOS 开发中，结构体与类差异显著，两者的使用场景清晰。但在 Swift 中，结构体功能增强，行为与类更为相似，这使得选择使用哪种类型变得复杂。不过，结构体和类仍存在重要差异，可作为选择的参考： - 若希望类型通过引用传递，应使用类。这样能确保该类型在赋值或作为函数参数传递时被引用而非复制。 - 若类型需要支持继承，则使用类，因为结构体不支持继承，不能被子类化。 - 否则，通常可选择结构体。 结构体常用于建模形状（如矩形有宽度和高度）、范围（如比赛有开始和结束）以及坐标系中的点（如二维空间中的点有 x 和 y 值），也适用于定义数据结构，Swift 标准库中的 `String`、`Array` 和 `Dictionary` 类型均定义为结构体。 在某些情况下，可能更倾向于使用类而非结构体，但这些情况相对较少，主要是需要引用语义或继承。例如，若想利用引用传递的优势，但又不希望类被子类化，可使用 `final` 类，标记为 `final` 的类不能被子类化，同时其实例可具有所需的引用语义。一般建议先使用结构体，除非确定需要引用类型的优势。值类型更易于理解，因为无需担心在副本上更改值时实例会发生什么。 #### 5. 写时复制（Copy on Write） Swift 的复制行为可能会引发性能问题，例如每次将数组传递给函数或赋值