Swift Tour Learn (十三) -- Swift 语法(访问控制、高级运算符)

本章将会介绍

模块和源文件
访问级别
访问控制语法
自定义类型
子类
常量、变量、属性、下标
构造器
协议
扩展
泛型
类型别名
位运算符
溢出运算符
优先级和结合性
运算符函数
自定义运算符

访问控制

访问控制可以限定其他源文件或模块中的代码对你的代码的访问级别。这个特性可以让我们隐藏代码的一些实现细节,并且可以为其他人可以访问和使用的代码提供接口。

你可以明确地给单个类型(类、结构体、枚举)设置访问级别,也可以给这些类型的属性、方法、构造器、下标等设置访问级别。协议也可以被限定在一定的范围内使用,包括协议里的全局常量、变量和函数。

Swift 不仅提供了多种不同的访问级别,还为某些典型场景提供了默认的访问级别,这样就不需要我们在每段代码中都申明显式访问级别。其实,如果只是开发一个单一目标的应用程序,我们完全可以不用显式声明代码的访问级别。

注意
为了简单起见,对于代码中可以设置访问级别的特性(属性、基本类型、函数等),在下面的章节中我们会称之为“实体”。

1.模块和源文件

Swift 中的访问控制模型基于模块和源文件这两个概念。

模块指的是独立的代码单元,框架或应用程序会作为一个独立的模块来构建和发布。在 Swift 中,一个模块可以使用 import 关键字导入另外一个模块。

在 Swift 中,Xcode 的每个目标(例如框架或应用程序)都被当作独立的模块处理。如果你是为了实现某个通用的功能,或者是为了封装一些常用方法而将代码打包成独立的框架,这个框架就是 Swift 中的一个模块。当它被导入到某个应用程序或者其他框架时,框架内容都将属于这个独立的模块。

源文件就是 Swift 中的源代码文件,它通常属于一个模块,即一个应用程序或者框架。尽管我们一般会将不同的类型分别定义在不同的源文件中,但是同一个源文件也可以包含多个类型、函数之类的定义。

2.访问级别

Swift 为代码中的实体提供了五种不同的访问级别。这些访问级别不仅与源文件中定义的实体相关,同时也与源文件所属的模块相关。

  • 开放访问和公开访问可以访问同一模块源文件中的任何实体,在模块外也可以通过导入该模块来访问源文件里的所有实体。通常情况下,框架中的某个接口可以被任何人使用时,你可以将其设置为开放或者公开访问。
  • 内部访问可以访问同一模块源文件中的任何实体,但是不能从模块外访问该模块源文件中的实体。通常情况下,某个接口只在应用程序或框架内部使用时,你可以将其设置为内部访问。
  • 文件私有访问限制实体只能被所定义的文件内部访问。当需要把这些细节被整个文件使用的时候,使用文件私有访问隐藏了一些特定功能的实现细节。
  • 私有访问限制实体只能在所定义的作用域内使用。需要把这些细节被整个作用域使用的时候,使用文件私有访问隐藏了一些特定功能的实现细节。

开放访问为最高(限制最少)访问级别,私有访问为最低(限制最多)访问级别。

开放访问只作用于类类型和类的成员,它和公开访问的区别如下:

  • 公开访问或者其他更严访问级别的类,只能在它们定义的模块内部被继承。
  • 公开访问或者其他更严访问级别的类成员,只能在它们定义的模块内部的子类中重写。
  • 开放访问的类,可以在它们定义的模块中被继承,也可以在引用它们的模块中被继承。
  • 开放访问的类成员,可以在它们定义的模块中子类中重写,也可以在引用它们的模块中的子类重写。
  • 把一个类标记为开放,显式地表明,你认为其他模块中的代码使用此类作为父类,然后你已经设计好了你的类的代码了。

访问级别基本原则

Swift 中的访问级别遵循一个基本原则:不可以在某个实体中定义访问级别更低(更严格)的实体。

例如:

  • 一个公开访问级别的变量,其类型的访问级别不能是内部,文件私有或是私有类型的。因为无法保证变量的类型在使用变量的地方也具有访问权限。
  • 函数的访问级别不能高于它的参数类型和返回类型的访问级别。因为这样就会出现函数可以在任何地方被访问,但是它的参数类型和返回类型却不可以的情况。

默认访问级别

如果你不为代码中的实体显式指定访问级别,那么它们默认为 internal 级别(有一些例外情况,稍后会进行说明)。因此,在大多数情况下,我们不需要显式指定实体的访问级别。

单目标应用程序的访问级别

当你编写一个单目标应用程序时,应用的所有功能都是为该应用服务,而不需要提供给其他应用或者模块使用,所以我们不需要明确设置访问级别,使用默认的访问级别 internal 即可。但是,你也可以使用文件私有访问或私有访问级别,用于隐藏一些功能的实现细节。

框架的访问级别

当你开发框架时,就需要把一些对外的接口定义为开放访问或公开访问级别,以便使用者导入该框架后可以正常使用其功能。这些被你定义为对外的接口,就是这个框架的 API。

注意
框架依然会使用默认的内部访问级别,也可以指定为文件私有访问或者私有访问级别。当你想把某个实体作为框架的 API 的时候,需显式为其指定开放访问或公开访问级别。

单元测试目标的访问级别

当你的应用程序包含单元测试目标时,为了测试,测试模块需要访问应用程序模块中的代码。默认情况下只有开放访问或公开访问级别级别的实体才可以被其他模块访问。然而,如果在导入应用程序模块的语句前使用 @testable 特性,然后在允许测试的编译设置(Build Options -> Enable Testability)下编译这个应用程序模块,单元测试目标就可以访问应用程序模块中所有内部级别的实体。

3.访问控制语法

访问控制语法

通过修饰符 open,public,internal,fileprivate,private 来声明实体的访问级别:

public class SomePublicClass {}
internal class SomeInternalClass {}
fileprivate class SomeFilePrivateClass {}
private class SomePrivateClass {}

public var somePublicVariable = 0
internal let someInternalConstant = 0
fileprivate func someFilePrivateFunction() {}
private func somePrivateFunction() {}

除非专门指定,否则实体默认的访问级别为内部访问级别。这意味着在不使用修饰符显式声明访问级别的情况下,SomeInternalClass 和 someInternalConstant 仍然拥有隐式的内部访问级别:

class SomeInternalClass {}   // 隐式内部访问级别
var someInternalConstant = 0 // 隐式内部访问级别
4.自定义类型

如果想为一个自定义类型指定访问级别,在定义类型时进行指定即可。新类型只能在它的访问级别限制范围内使用。例如,你定义了一个文件私有级别的类,那这个类就只能在定义它的源文件中使用,可以作为属性类型、函数参数类型或者返回类型,等等。

一个类型的访问级别也会影响到类型成员(属性、方法、构造器、下标)的默认访问级别。如果你将类型指定为私有或者文件私有级别,那么该类型的所有成员的默认访问级别也会变成私有或者文件私有级别。如果你将类型指定为公开或者内部访问级别(或者不明确指定访问级别,而使用默认的内部访问级别),那么该类型的所有成员的默认访问级别将是内部访问。

重要
上面提到,一个公开类型的所有成员的访问级别默认为内部访问级别,而不是公开级别。如果你想将某个成员指定为公开访问级别,那么你必须显式指定。这样做的好处是,在你定义公共接口的时候,可以明确地选择哪些接口是需要公开的,哪些是内部使用的,避免不小心将内部使用的接口公开。

public class SomePublicClass {                  // 显式公开类
    public var somePublicProperty = 0            // 显式公开类成员
    var someInternalProperty = 0                 // 隐式内部类成员
    fileprivate func someFilePrivateMethod() {}  // 显式文件私有类成员
    private func somePrivateMethod() {}          // 显式私有类成员
}

class SomeInternalClass {                       // 隐式内部类
    var someInternalProperty = 0                 // 隐式内部类成员
    fileprivate func someFilePrivateMethod() {}  // 显式文件私有类成员
    private func somePrivateMethod() {}          // 显式私有类成员
}

fileprivate class SomeFilePrivateClass {        // 显式文件私有类
    func someFilePrivateMethod() {}              // 隐式文件私有类成员
    private func somePrivateMethod() {}          // 显式私有类成员
}

private class SomePrivateClass {                // 显式私有类
    func somePrivateMethod() {}                  // 隐式私有类成员
}

元组类型

元组的访问级别将由元组中访问级别最严格的类型来决定。例如,如果你构建了一个包含两种不同类型的元组,其中一个类型为内部访问级别,另一个类型为私有访问级别,那么这个元组的访问级别为私有访问级别。

注意
元组不同于类、结构体、枚举、函数那样有单独的定义。元组的访问级别是在它被使用时自动推断出的,而无法明确指定。

函数类型

函数的访问级别根据访问级别最严格的参数类型或返回类型的访问级别来决定。但是,如果这种访问级别不符合函数定义所在环境的默认访问级别,那么就需要明确地指定该函数的访问级别。

下面的例子定义了一个名为 someFunction() 的全局函数,并且没有明确地指定其访问级别。也许你会认为该函数应该拥有默认的访问级别 internal,但事实并非如此。事实上,如果按下面这种写法,代码将无法通过编译:

func someFunction() -> (SomeInternalClass, SomePrivateClass) {
    // 此处是函数实现部分
}

我们可以看到,这个函数的返回类型是一个元组,该元组中包含两个自定义的类(可查阅自定义类型)。其中一个类的访问级别是 internal,另一个的访问级别是 private,所以根据元组访问级别的原则,该元组的访问级别是 private(元组的访问级别与元组中访问级别最低的类型一致)。

因为该函数返回类型的访问级别是 private,所以你必须使用 private 修饰符,明确指定该函数的访问级别:

private func someFunction() -> (SomeInternalClass, SomePrivateClass) {
    // 此处是函数实现部分
}

将该函数指定为 public 或 internal,或者使用默认的访问级别 internal 都是错误的,因为如果把该函数当做 public 或 internal 级别来使用的话,可能会无法访问 private 级别的返回值。

枚举类型

枚举成员的访问级别和该枚举类型相同,你不能为枚举成员单独指定不同的访问级别。

比如下面的例子,枚举 CompassPoint 被明确指定为 public 级别,那么它的成员 North、South、East、West 的访问级别同样也是 public:

public enum CompassPoint {
    case North
    case South
    case East
    case West
}

原始值和关联值:枚举定义中的任何原始值或关联值的类型的访问级别至少不能低于枚举类型的访问级别。例如,你不能在一个 internal 访问级别的枚举中定义 private 级别的原始值类型。

嵌套类型

如果在 private 级别的类型中定义嵌套类型,那么该嵌套类型就自动拥有 private 访问级别。如果在 public 或者 internal 级别的类型中定义嵌套类型,那么该嵌套类型自动拥有 internal 访问级别。如果想让嵌套类型拥有 public 访问级别,那么需要明确指定该嵌套类型的访问级别。

5.子类

子类的访问级别不得高于父类的访问级别。例如,父类的访问级别是 internal,子类的访问级别就不能是 public。

此外,你可以在符合当前访问级别的条件下重写任意类成员(方法、属性、构造器、下标等)。

6.常量、变量、属性、下标

常量、变量、属性不能拥有比它们的类型更高的访问级别。例如,你不能定义一个 public 级别的属性,但是它的类型却是 private 级别的。同样,下标也不能拥有比索引类型或返回类型更高的访问级别。

如果常量、变量、属性、下标的类型是 private 级别的,那么它们必须明确指定访问级别为 private:

private var privateInstance = SomePrivateClass()
  • Getter 和 Setter

常量、变量、属性、下标的 Getters 和 Setters 的访问级别和它们所属类型的访问级别相同。

Setter 的访问级别可以低于对应的 Getter 的访问级别,这样就可以控制变量、属性或下标的读写权限。在 var 或 subscript 关键字之前,你可以通过 fileprivate(set),private(set) 或 internal(set) 为它们的写入权限指定更低的访问级别。

注意
这个规则同时适用于存储型属性和计算型属性。即使你不明确指定存储型属性的 Getter 和 Setter,Swift 也会隐式地为其创建 Getter 和 Setter,用于访问该属性的后备存储。使用 fileprivate(set),private(set) 和 internal(set) 可以改变 Setter 的访问级别,这对计算型属性也同样适用。

下面的例子中定义了一个名为 TrackedString 的结构体,它记录了 value 属性被修改的次数:

struct TrackedString {
    private(set) var numberOfEdits = 0
    var value: String = "" {
        didSet {
            numberOfEdits += 1
        }
    }
}

TrackedString 结构体定义了一个用于存储 String 值的属性 value,并将初始值设为 ""(一个空字符串)。该结构体还定义了另一个用于存储 Int 值的属性 numberOfEdits,它用于记录属性 value 被修改的次数。这个功能通过属性 value 的 didSet 观察器实现,每当给 value 赋新值时就会调用 didSet 方法,然后将 numberOfEdits 的值加一。

结构体 TrackedString 和它的属性 value 均没有显式指定访问级别,所以它们都拥有默认的访问级别 internal。但是该结构体的 numberOfEdits 属性使用了 private(set) 修饰符,这意味着 numberOfEdits 属性只能在定义该结构体的源文件中赋值。numberOfEdits 属性的 Getter 依然是默认的访问级别 internal,但是 Setter 的访问级别是 private,这表示该属性只有在当前的源文件中是可读写的,而在当前源文件所属的模块中只是一个可读的属性。

如果你实例化 TrackedString 结构体,并多次对 value 属性的值进行修改,你就会看到 numberOfEdits 的值会随着修改次数而变化:

var stringToEdit = TrackedString()
stringToEdit.value = "This string will be tracked."
stringToEdit.value += " This edit will increment numberOfEdits."
stringToEdit.value += " So will this one."
print("The number of edits is \(stringToEdit.numberOfEdits)")
// 打印 “The number of edits is 3”

虽然你可以在其他的源文件中实例化该结构体并且获取到 numberOfEdits 属性的值,但是你不能对其进行赋值。这一限制保护了该记录功能的实现细节,同时还提供了方便的访问方式。

你可以在必要时为 Getter 和 Setter 显式指定访问级别。下面的例子将 TrackedString 结构体明确指定为了 public 访问级别。结构体的成员(包括 numberOfEdits 属性)拥有默认的访问级别 internal。你可以结合 public 和 private(set) 修饰符把结构体中的 numberOfEdits 属性的 Getter 的访问级别设置为 public,而 Setter 的访问级别设置为 private:

public struct TrackedString {
    public private(set) var numberOfEdits = 0
    public var value: String = "" {
        didSet {
            numberOfEdits += 1
        }
    }
    public init() {}
}
7.构造器

自定义构造器的访问级别可以低于或等于其所属类型的访问级别。唯一的例外是必要构造器,它的访问级别必须和所属类型的访问级别相同。

如同函数或方法的参数,构造器参数的访问级别也不能低于构造器本身的访问级别。

默认构造器

如默认构造器所述,Swift 会为结构体和类提供一个默认的无参数的构造器,只要它们为所有存储型属性设置了默认初始值,并且未提供自定义的构造器。

默认构造器的访问级别与所属类型的访问级别相同,除非类型的访问级别是 public。如果一个类型被指定为 public 级别,那么默认构造器的访问级别将为 internal。如果你希望一个 public 级别的类型也能在其他模块中使用这种无参数的默认构造器,你只能自己提供一个 public 访问级别的无参数构造器。

结构体默认的成员逐一构造器

如果结构体中任意存储型属性的访问级别为 private,那么该结构体默认的成员逐一构造器的访问级别就是 private。否则,这种构造器的访问级别依然是 internal。

如同前面提到的默认构造器,如果你希望一个 public 级别的结构体也能在其他模块中使用其默认的成员逐一构造器,你依然只能自己提供一个 public 访问级别的成员逐一构造器。

8.协议

如果想为一个协议类型明确地指定访问级别,在定义协议时指定即可。这将限制该协议只能在适当的访问级别范围内被采纳。

协议中的每一个要求都具有和该协议相同的访问级别。你不能将协议中的要求设置为其他访问级别。这样才能确保该协议的所有要求对于任意采纳者都将可用。

注意
如果你定义了一个 public 访问级别的协议,那么该协议的所有实现也会是 public 访问级别。这一点不同于其他类型,例如,当类型是 public 访问级别时,其成员的访问级别却只是 internal。

协议继承

如果定义了一个继承自其他协议的新协议,那么新协议拥有的访问级别最高也只能和被继承协议的访问级别相同。例如,你不能将继承自 internal 协议的新协议定义为 public 协议。

协议一致性

一个类型可以采纳比自身访问级别低的协议。例如,你可以定义一个 public 级别的类型,它可以在其他模块中使用,同时它也可以采纳一个 internal 级别的协议,但是只能在该协议所在的模块中作为符合该协议的类型使用。

采纳了协议的类型的访问级别取它本身和所采纳协议两者间最低的访问级别。也就是说如果一个类型是 public 级别,采纳的协议是 internal 级别,那么采纳了这个协议后,该类型作为符合协议的类型时,其访问级别也是 internal。

如果你采纳了协议,那么实现了协议的所有要求后,你必须确保这些实现的访问级别不能低于协议的访问级别。例如,一个 public 级别的类型,采纳了 internal 级别的协议,那么协议的实现至少也得是 internal 级别。

注意
Swift 和 Objective-C 一样,协议的一致性是全局的,也就是说,在同一程序中,一个类型不可能用两种不同的方式实现同一个协议。

9.扩展

你可以在访问级别允许的情况下对类、结构体、枚举进行扩展。扩展成员具有和原始类型成员一致的访问级别。例如,你扩展了一个 public 或者 internal 类型,扩展中的成员具有默认的 internal 访问级别,和原始类型中的成员一致 。如果你扩展了一个 private 类型,扩展成员则拥有默认的 private 访问级别。

或者,你可以明确指定扩展的访问级别(例如,private extension),从而给该扩展中的所有成员指定一个新的默认访问级别。这个新的默认访问级别仍然可以被单独指定的访问级别所覆盖。

通过扩展添加协议一致性

如果你通过扩展来采纳协议,那么你就不能显式指定该扩展的访问级别了。协议拥有相应的访问级别,并会为该扩展中所有协议要求的实现提供默认的访问级别。

10.泛型

泛型类型或泛型函数的访问级别取决于泛型类型或泛型函数本身的访问级别,还需结合类型参数的类型约束的访问级别,根据这些访问级别中的最低访问级别来确定。

11.类型别名

你定义的任何类型别名都会被当作不同的类型,以便于进行访问控制。类型别名的访问级别不可高于其表示的类型的访问级别。例如,private 级别的类型别名可以作为 private,file-private,internal,public或者open类型的别名,但是 public 级别的类型别名只能作为 public 类型的别名,不能作为 internal,file-private,或 private 类型的别名。

注意
这条规则也适用于为满足协议一致性而将类型别名用于关联类型的情况。

12.访问控制总结
访问控制

// 访问控制语法 修饰符open public internal fileprivate private

public class SomePublicClass {                   // 显示公开类
    public var somePublicProperty = 0            // 显示公开类成员
    var someInternalProperty = 0                 // 隐式内部类成员
    fileprivate func someFilePrivateMethod() {}  // 显示文件私有类成员
    private func somePrivateMethod() {}          // 显示私有类成员

}

// 省略internal关键字
class SomeInternalClass {                        // 隐式内部类
    var someInternalProperty = 0                 // 隐式内部类成员
    fileprivate func someFilePrivateMethod() {}  // 显式文件私有类成员
    private func somePrivateMethod() {}          // 显式私有类成员
}

fileprivate class SomeFilePrivateClass {         // 显式文件私有类
    func someFilePrivateMethod() {}              // 隐式文件私有类成员
    private func somePrivateMethod() {}          // 显式私有类成员
}

private class SomePrivateClass {                 // 显示私有类
    func somePrivateMethod() {}                  // 隐式私有类成员
}

public var somePublicVariable = 0
internal let someInternalConstant = 0
fileprivate func someFilePrivateFunction() {}
private func somePrivateFunction() {}


// 函数类型访问级别由访问级别最严格的参数类型或返回类型的访问级别决定
private func someFunction() -> (SomeInternalClass, SomePrivateClass) {
    return (SomeInternalClass(), SomePrivateClass())
}
// 从返回值元组的访问级别推断出元祖的访问级别是private,那么函数的访问级别应该也是private,因此需要显式声明

// 子类的访问级别不得高于父类的访问级别,可以通过重写为继承来的类成员提供更高的访问级别
/*
 public class A {
    private func someMethod() {}
 }

 internal class B: A {
    override internal func someMethod() {
        super.someMethod()
    }
 }
 运行起来是错误的
 */


// 如果常量、变量、属性、下标的类型是 private 级别的,那么它们必须明确指定访问级别为 private:
private var privateInstance = SomePrivateClass()


// Setter 的访问级别可以低于对应的 Getter 的访问级别,这样就可以控制变量、属性或下标的读写权限。在 var 或 subscript 关键字之前,你可以通过 fileprivate(set),private(set) 或 internal(set) 为它们的写入权限指定更低的访问级别。
struct TrackedString {
    private(set) var numberOfEdits = 0
    var value: String = "" {
        didSet {
            numberOfEdits += 1
        }
    }
}
var stringToEdit = TrackedString()
stringToEdit.value = "This string will be tracked."
stringToEdit.value += "This edit will increment numberOfEdits."
stringToEdit.value += "So will this one."
print("The number of edits is \(stringToEdit.numberOfEdits)")
// stringToEdit.numberOfEdits = 4
// 不可以设置value的值,只能获取

高级运算符

除了在之前介绍过的基本运算符,Swift 中还有许多可以对数值进行复杂运算的高级运算符。这些高级运算符包含了在 C 和 Objective-C 中已经被大家所熟知的位运算符和移位运算符。

与 C 语言中的算术运算符不同,Swift 中的算术运算符默认是不会溢出的。所有溢出行为都会被捕获并报告为错误。如果想让系统允许溢出行为,可以选择使用 Swift 中另一套默认支持溢出的运算符,比如溢出加法运算符(&+)。所有的这些溢出运算符都是以 & 开头的。

自定义结构体、类和枚举时,如果也为它们提供标准 Swift 运算符的实现,将会非常有用。在 Swift 中自定义运算符非常简单,运算符也会针对不同类型使用对应实现。

我们不用被预定义的运算符所限制。在 Swift 中可以自由地定义中缀、前缀、后缀和赋值运算符,以及相应的优先级与结合性。这些运算符在代码中可以像预定义的运算符一样使用,我们甚至可以扩展已有的类型以支持自定义的运算符。

1.位运算符

位运算符可以操作数据结构中每个独立的比特位。它们通常被用在底层开发中,比如图形编程和创建设备驱动。位运算符在处理外部资源的原始数据时也十分有用,比如对自定义通信协议传输的数据进行编码和解码。

Swift 支持 C 语言中的全部位运算符,接下来会一一介绍。

按位取反运算符

按位取反运算符(~)可以对一个数值的全部比特位进行取反:


按位取反运算符是一个前缀运算符,需要直接放在运算的数之前,并且它们之间不能添加任何空格:

let initialBits: UInt8 = 0b00001111
let invertedBits = ~initialBits // 等于 0b1111000

UInt8 类型的整数有 8 个比特位,可以存储 0 ~ 255 之间的任意整数。这个例子初始化了一个 UInt8 类型的整数,并赋值为二进制的 00001111,它的前 4 位都为 0,后 4 位都为 1。这个值等价于十进制的 15。

接着使用按位取反运算符创建了一个名为 invertedBits 的常量,这个常量的值与全部位取反后的 initialBits 相等。即所有的 0 都变成了 1,同时所有的 1 都变成 0。invertedBits 的二进制值为 11110000,等价于无符号十进制数的 240。

按位与运算符
按位与运算符(&)可以对两个数的比特位进行合并。它返回一个新的数,只有当两个数的对应位都为 1 的时候,新数的对应位才为 1:

在下面的示例当中,firstSixBits 和 lastSixBits 中间 4 个位的值都为 1。按位与运算符对它们进行了运算,得到二进制数值 00111100,等价于无符号十进制数的 60:

let firstSixBits: UInt8 = 0b11111100
let lastSixBits: UInt8  = 0b00111111
let middleFourBits = firstSixBits & lastSixBits // 等于 00111100

按位或运算符
按位或运算符(|)可以对两个数的比特位进行比较。它返回一个新的数,只要两个数的对应位中有任意一个为 1 时,新数的对应位就为 1:

在下面的示例中,someBits 和 moreBits 不同的位会被设置为 1。接位或运算符对它们进行了运算,得到二进制数值 11111110,等价于无符号十进制数的 254:

let someBits: UInt8 = 0b10110010
let moreBits: UInt8 = 0b01011110
let combinedbits = someBits | moreBits // 等于 11111110

按位异或运算符

按位异或运算符(^)可以对两个数的比特位进行比较。它返回一个新的数,当两个数的对应位不相同时,新数的对应位就为 1

在下面的示例当中,firstBits 和 otherBits 都有一个自己的位为 1 而对方的对应位为 0 的位。 按位异或运算符将新数的这两个位都设置为 1,同时将其它位都设置为 0:

let firstBits: UInt8 = 0b00010100
let otherBits: UInt8 = 0b00000101
let outputBits = firstBits ^ otherBits // 等于 00010001

按位左移、右移运算符

按位左移运算符(<<)和按位右移运算符(>>)可以对一个数的所有位进行指定位数的左移和右移,但是需要遵守下面定义的规则。

对一个数进行按位左移或按位右移,相当于对这个数进行乘以 2 或除以 2 的运算。将一个整数左移一位,等价于将这个数乘以 2,同样地,将一个整数右移一位,等价于将这个数除以 2。

  • 无符号整数的移位运算

对无符号整数进行移位的规则如下:

1.已经存在的位按指定的位数进行左移和右移。
2.任何因移动而超出整型存储范围的位都会被丢弃。
3.用 0 来填充移位后产生的空白位。

这种方法称为逻辑移位。

以下这张图展示了 11111111 << 1(即把 11111111 向左移动 1 位),和 11111111 >> 1(即把 11111111 向右移动 1 位)的结果。蓝色的部分是被移位的,灰色的部分是被抛弃的,橙色的部分则是被填充进来的:

下面的代码演示了 Swift 中的移位运算:

let shiftBits: UInt8 = 4 // 即二进制的 00000100
shiftBits << 1           // 00001000
shiftBits << 2           // 00010000
shiftBits << 5           // 10000000
shiftBits << 6           // 00000000
shiftBits >> 2           // 00000001

可以使用移位运算对其他的数据类型进行编码和解码:

let pink: UInt32 = 0xCC6699
let redComponent = (pink & 0xFF0000) >> 16  // redComponent 是 0xCC,即 204
let greenComponent = (pink & 0x00FF00) >> 8 // greenComponent 是 0x66, 即 102
let blueComponent = pink & 0x0000FF         // blueComponent 是 0x99,即 153

这个示例使用了一个命名为 pink 的 UInt32 型常量来存储 CSS 中粉色的颜色值。该 CSS 的十六进制颜色值 #CC6699,在 Swift 中表示为 0xCC6699。然后利用按位与运算符(&)和按位右移运算符(>>)从这个颜色值中分解出红(CC)、绿(66)以及蓝(99)三个部分。

红色部分是通过对 0xCC6699 和 0xFF0000 进行按位与运算后得到的。0xFF0000 中的 0 部分“掩盖”了 OxCC6699 中的第二、第三个字节,使得数值中的 6699 被忽略,只留下 0xCC0000。

然后,再将这个数按向右移动 16 位(>> 16)。十六进制中每两个字符表示 8 个比特位,所以移动 16 位后 0xCC0000 就变为 0x0000CC。这个数和0xCC是等同的,也就是十进制数值的 204。

同样的,绿色部分通过对 0xCC6699 和 0x00FF00 进行按位与运算得到 0x006600。然后将这个数向右移动 8 位,得到 0x66,也就是十进制数值的 102。

最后,蓝色部分通过对 0xCC6699 和 0x0000FF 进行按位与运算得到 0x000099。这里不需要再向右移位,所以结果为 0x99 ,也就是十进制数值的 153。

  • 有符号整数的移位运算

对比无符号整数,有符号整数的移位运算相对复杂得多,这种复杂性源于有符号整数的二进制表现形式。(为了简单起见,以下的示例都是基于 8 比特位的有符号整数的,但是其中的原理对任何位数的有符号整数都是通用的。)

有符号整数使用第 1 个比特位(通常被称为符号位)来表示这个数的正负。符号位为 0 代表正数,为 1 代表负数。

其余的比特位(通常被称为数值位)存储了实际的值。有符号正整数和无符号数的存储方式是一样的,都是从 0 开始算起。这是值为 4 的 Int8 型整数的二进制位表现形式:

符号位为 0,说明这是一个正数,另外 7 位则代表了十进制数值 4 的二进制表示。

负数的存储方式略有不同。它存储的值的绝对值等于 2 的 n 次方减去它的实际值(也就是数值位表示的值),这里的 n 为数值位的比特位数。一个 8 比特位的数有 7 个比特位是数值位,所以是 2 的 7 次方,即 128。

这是值为 -4 的 Int8 型整数的二进制位表现形式:


这次的符号位为 1,说明这是一个负数,另外 7 个位则代表了数值 124(即 128 - 4)的二进制表示:


负数的表示通常被称为二进制补码表示。用这种方法来表示负数乍看起来有点奇怪,但它有几个优点。

首先,如果想对 -1 和 -4 进行加法运算,我们只需要将这两个数的全部 8 个比特位进行相加,并且将计算结果中超出 8 位的数值丢弃:


其次,使用二进制补码可以使负数的按位左移和右移运算得到跟正数同样的效果,即每向左移一位就将自身的数值乘以 2,每向右一位就将自身的数值除以 2。要达到此目的,对有符号整数的右移有一个额外的规则:当对整数进行按位右移运算时,遵循与无符号整数相同的规则,但是对于移位产生的空白位使用符号位进行填充,而不是用 0。


这个行为可以确保有符号整数的符号位不会因为右移运算而改变,这通常被称为算术移位。

由于正数和负数的特殊存储方式,在对它们进行右移的时候,会使它们越来越接近 0。在移位的过程中保持符号位不变,意味着负整数在接近 0 的过程中会一直保持为负。

2.溢出运算符

在默认情况下,当向一个整数赋予超过它容量的值时,Swift 默认会报错,而不是生成一个无效的数。这个行为为我们在运算过大或着过小的数的时候提供了额外的安全性。

例如,Int16 型整数能容纳的有符号整数范围是 -32768 到 32767,当为一个 Int16 型变量赋的值超过这个范围时,系统就会报错:

var potentialOverflow = Int16.max
// potentialOverflow 的值是 32767,这是 Int16 能容纳的最大整数
potentialOverflow += 1
// 这里会报错

为过大或者过小的数值提供错误处理,能让我们在处理边界值时更加灵活。

然而,也可以选择让系统在数值溢出的时候采取截断处理,而非报错。可以使用 Swift 提供的三个溢出运算符来让系统支持整数溢出运算。这些运算符都是以 & 开头的:

  • 溢出加法 &+
  • 溢出减法 &-
  • 溢出乘法 &*

数值溢出

数值有可能出现上溢或者下溢。

这个示例演示了当我们对一个无符号整数使用溢出加法(&+)进行上溢运算时会发生什么:

var unsignedOverflow = UInt8.max
// unsignedOverflow 等于 UInt8 所能容纳的最大整数 255
unsignedOverflow = unsignedOverflow &+ 1
// 此时 unsignedOverflow 等于 0

unsignedOverflow 被初始化为 UInt8 所能容纳的最大整数(255,以二进制表示即 11111111)。然后使用了溢出加法运算符(&+)对其进行加 1 运算。这使得它的二进制表示正好超出 UInt8 所能容纳的位数,也就导致了数值的溢出,如下图所示。数值溢出后,留在 UInt8 边界内的值是 00000000,也就是十进制数值的 0。

同样地,当我们对一个无符号整数使用溢出减法(&-)进行下溢运算时也会产生类似的现象:

var unsignedOverflow = UInt8.min
// unsignedOverflow 等于 UInt8 所能容纳的最小整数 0
unsignedOverflow = unsignedOverflow &- 1
// 此时 unsignedOverflow 等于 255

UInt8 型整数能容纳的最小值是 0,以二进制表示即 00000000。当使用溢出减法运算符对其进行减 1 运算时,数值会产生下溢并被截断为 11111111, 也就是十进制数值的 255。

溢出也会发生在有符号整型数值上。在对有符号整型数值进行溢出加法或溢出减法运算时,符号位也需要参与计算,正如按位左移、右移运算符所描述的。

var signedOverflow = Int8.min
// signedOverflow 等于 Int8 所能容纳的最小整数 -128
signedOverflow = signedOverflow &- 1
// 此时 signedOverflow 等于 127

Int8 型整数能容纳的最小值是 -128,以二进制表示即 10000000。当使用溢出减法运算符对其进行减 1 运算时,符号位被翻转,得到二进制数值 01111111,也就是十进制数值的 127,这个值也是 Int8 型整数所能容纳的最大值。


对于无符号与有符号整型数值来说,当出现上溢时,它们会从数值所能容纳的最大数变成最小的数。同样地,当发生下溢时,它们会从所能容纳的最小数变成最大的数。

3.优先级和结合性

运算符的优先级使得一些运算符优先于其他运算符,高优先级的运算符会先被计算。

结合性定义了相同优先级的运算符是如何结合的,也就是说,是与左边结合为一组,还是与右边结合为一组。可以将这意思理解为“它们是与左边的表达式结合的”或者“它们是与右边的表达式结合的”。

在复合表达式的运算顺序中,运算符的优先级和结合性是非常重要的。举例来说,运算符优先级解释了为什么下面这个表达式的运算结果会是 17。

2 + 3 % 4 * 5
// 结果是 17

如果完全从左到右进行运算,则运算的过程是这样的:

  • 2 + 3 = 5
  • 5 % 4 = 1
  • 1 * 5 = 5

但是正确答案是 17 而不是 5。优先级高的运算符要先于优先级低的运算符进行计算。与 C 语言类似,在 Swift 中,乘法运算符(*)与取余运算符(%)的优先级高于加法运算符(+)。因此,它们的计算顺序要先于加法运算。

而乘法与取余的优先级相同。这时为了得到正确的运算顺序,还需要考虑结合性。乘法与取余运算都是左结合的。可以将这考虑成为这两部分表达式都隐式地加上了括号:

2 + ((3 % 4) * 5)

(3 % 4) 等于 3,所以表达式相当于:

2 + (3 * 5)

3 * 5 等于 15,所以表达式相当于:

2 + 15

因此计算结果为 17。

4.运算符函数

类和结构体可以为现有的运算符提供自定义的实现,这通常被称为运算符重载。

下面的例子展示了如何为自定义的结构体实现加法运算符(+)。算术加法运算符是一个双目运算符,因为它可以对两个值进行运算,同时它还是中缀运算符,因为它出现在两个值中间。

例子中定义了一个名为 Vector2D 的结构体用来表示二维坐标向量 (x, y),紧接着定义了一个可以对两个 Vector2D 结构体进行相加的运算符函数:

struct Vector2D {
    var x = 0.0, y = 0.0
}

extension Vector2D {
    static func + (left: Vector2D, right: Vector2D) -> Vector2D {
        return Vector2D(x: left.x + right.x, y: left.y + right.y)
    }
}

该运算符函数被定义为 Vector2D 上的一个类方法,并且函数的名字与它要进行重载的 + 名字一致。因为加法运算并不是一个向量必需的功能,所以这个类方法被定义在 Vector2D 的一个扩展中,而不是 Vector2D 结构体声明内。而算术加法运算符是双目运算符,所以这个运算符函数接收两个类型为 Vector2D 的参数,同时有一个 Vector2D 类型的返回值。

在这个实现中,输入参数分别被命名为 left 和 right,代表在 + 运算符左边和右边的两个 Vector2D 实例。函数返回了一个新的 Vector2D 实例,这个实例的 x 和 y 分别等于作为参数的两个实例的 x 和 y 的值之和。

这个类方法可以在任意两个 Vector2D 实例中间作为中缀运算符来使用:

let vector = Vector2D(x: 3.0, y: 1.0)
let anotherVector = Vector2D(x: 2.0, y: 4.0)
let combinedVector = vector + anotherVector
// combinedVector 是一个新的 Vector2D 实例,值为 (5.0, 5.0)

这个例子实现两个向量 (3.0,1.0) 和 (2.0,4.0) 的相加,并得到新的向量 (5.0,5.0)。这个过程如下图示:


前缀和后缀运算符

上个例子演示了一个双目中缀运算符的自定义实现。类与结构体也能提供标准单目运算符的实现。单目运算符只运算一个值。当运算符出现在值之前时,它就是前缀的(例如 -a),而当它出现在值之后时,它就是后缀的(例如 b!)。

要实现前缀或者后缀运算符,需要在声明运算符函数的时候在 func 关键字之前指定 prefix 或者 postfix 修饰符:

extension Vector2D {
    static prefix func - (vector: Vector2D) -> Vector2D {
        return Vector2D(x: -vector.x, y: -vector.y)
    }
}

这段代码为 Vector2D 类型实现了单目负号运算符。由于该运算符是前缀运算符,所以这个函数需要加上 prefix 修饰符。

对于简单数值,单目负号运算符可以对它们的正负性进行改变。对于 Vector2D 来说,该运算将其 x 和 y 属性的正负性都进行了改变:

let positive = Vector2D(x: 3.0, y: 4.0)
let negative = -positive
// negative 是一个值为 (-3.0, -4.0) 的 Vector2D 实例
let alsoPositive = -negative
// alsoPositive 是一个值为 (3.0, 4.0) 的 Vector2D 实例

复合赋值运算符

复合赋值运算符将赋值运算符(=)与其它运算符进行结合。例如,将加法与赋值结合成加法赋值运算符(+=)。在实现的时候,需要把运算符的左参数设置成 inout 类型,因为这个参数的值会在运算符函数内直接被修改。

extension Vector2D {
    static func += (left: inout Vector2D, right: Vector2D) {
        left = left + right
    }
}

因为加法运算在之前已经定义过了,所以在这里无需重新定义。在这里可以直接利用现有的加法运算符函数,用它来对左值和右值进行相加,并再次赋值给左值:

var original = Vector2D(x: 1.0, y: 2.0)
let vectorToAdd = Vector2D(x: 3.0, y: 4.0)
original += vectorToAdd
// original 的值现在为 (4.0, 6.0)

注意
不能对默认的赋值运算符(=)进行重载。只有组合赋值运算符可以被重载。同样地,也无法对三目条件运算符 (a ? b : c) 进行重载。

等价运算符

自定义的类和结构体没有对等价运算符进行默认实现,等价运算符通常被称为“相等”运算符(==)与“不等”运算符(!=)。对于自定义类型,Swift 无法判断其是否“相等”,因为“相等”的含义取决于这些自定义类型在你的代码中所扮演的角色。

为了使用等价运算符能对自定义的类型进行判等运算,需要为其提供自定义实现,实现的方法与其它中缀运算符一样:

extension Vector2D {
    static func == (left: Vector2D, right: Vector2D) -> Bool {
        return (left.x == right.x) && (left.y == right.y)
    }
    static func != (left: Vector2D, right: Vector2D) -> Bool {
        return !(left == right)
    }
}

上述代码实现了“相等”运算符(==)来判断两个 Vector2D 实例是否相等。对于 Vector2D 类型来说,“相等”意味着“两个实例的 x 属性和 y 属性都相等”,这也是代码中用来进行判等的逻辑。示例里同时也实现了“不等”运算符(!=),它简单地将“相等”运算符的结果进行取反后返回。

现在我们可以使用这两个运算符来判断两个 Vector2D 实例是否相等:

let twoThree = Vector2D(x: 2.0, y: 3.0)
let anotherTwoThree = Vector2D(x: 2.0, y: 3.0)
if twoThree == anotherTwoThree {
    print("These two vectors are equivalent.")
}
// 打印 “These two vectors are equivalent.”
5.自定义运算符

除了实现标准运算符,在 Swift 中还可以声明和实现自定义运算符。

新的运算符要使用 operator 关键字在全局作用域内进行定义,同时还要指定 prefix、infix 或者 postfix 修饰符:

prefix operator +++

上面的代码定义了一个新的名为 +++ 的前缀运算符。对于这个运算符,在 Swift 中并没有意义,因此我们针对 Vector2D 的实例来定义它的意义。对这个示例来讲,+++ 被实现为“前缀双自增”运算符。它使用了前面定义的复合加法运算符来让矩阵对自身进行相加,从而让 Vector2D 实例的 x 属性和 y 属性的值翻倍。实现 +++ 运算符的方式如下:

extension Vector2D {
    static prefix func +++ (vector: inout Vector2D) -> Vector2D {
        vector += vector
        return vector
    }
}

var toBeDoubled = Vector2D(x: 1.0, y: 4.0)
let afterDoubling = +++toBeDoubled
// toBeDoubled 现在的值为 (2.0, 8.0)
// afterDoubling 现在的值也为 (2.0, 8.0)

自定义中缀运算符的优先级

每个自定义中缀运算符都属于某个优先级组。这个优先级组指定了这个运算符和其他中缀运算符的优先级和结合性。

而没有明确放入优先级组的自定义中缀运算符会放到一个默认的优先级组内,其优先级高于三元运算符。

以下例子定义了一个新的自定义中缀运算符 +-,此运算符属于 AdditionPrecedence 优先组:

infix operator +-: AdditionPrecedence
extension Vector2D {
    static func +- (left: Vector2D, right: Vector2D) -> Vector2D {
        return Vector2D(x: left.x + right.x, y: left.y - right.y)
    }
}
let firstVector = Vector2D(x: 1.0, y: 2.0)
let secondVector = Vector2D(x: 3.0, y: 4.0)
let plusMinusVector = firstVector +- secondVector
// plusMinusVector 是一个 Vector2D 实例,并且它的值为 (4.0, -2.0)

这个运算符把两个向量的 x 值相加,同时用第一个向量的 y 值减去第二个向量的 y 值。因为它本质上是属于“相加型”运算符,所以将它放置 + 和 - 等默认的中缀“相加型”运算符相同的优先级组中。

注意
当定义前缀与后缀运算符的时候,我们并没有指定优先级。然而,如果对同一个值同时使用前缀与后缀运算符,则后缀运算符会先参与运算。

6.高级运算符总结
高级运算符

// 运算符函数  运算符重载  前缀、中缀、后缀运算符
// 定义一个名为Vector2D的结构体用来表示二维坐标向量(x, y)
struct Vector2D {
    var x = 0.0, y = 0.0
}


// 自定义运算符
prefix operator +++
// 自定义中缀运算符 此运算符属于优先组
infix operator +-: AdditionPrecedence

extension Vector2D {
    // 加法运算符
    static func + (left: Vector2D, right: Vector2D) -> Vector2D {
        return Vector2D(x: left.x + right.x, y: left.y + right.y)
    }

    // 前缀运算符 在func关键字之前指定prefix或者Postfix修饰符
    static prefix func - (vector: Vector2D) -> Vector2D {
        return Vector2D(x: -vector.x, y: -vector.y)
    }

    // 复合赋值运算符 需要把做参数设置成inout类型,因为会改变做参数的值
    static func += (left: inout Vector2D, right: Vector2D) {
        left = left + right
    }

    // 等价运算符
    static func == (left: Vector2D, right: Vector2D) -> Bool {
        return (left.x == right.x) && (left.y == right.y)
    }

    // 不等价运算符
    static func != (left: Vector2D, right: Vector2D) -> Bool {
        return !(left == right)
    }

    // 自定义运算符
    static prefix func +++ (vector: inout Vector2D) -> Vector2D {
        vector += vector
        return vector
    }

    // 自定义中缀运算符并且放入优先级组中
    static func +- (left: Vector2D, right: Vector2D) -> Vector2D {
        return Vector2D(x: left.x + right.x, y: left.y - right.y)
    }
}

var vector = Vector2D(x: 3.0, y: 1.0)
var anotherVector = Vector2D(x: 2.0, y: 4.0)
let combinedVector = vector + anotherVector
print("combinedVector: (\(combinedVector.x), \(combinedVector.y))")
let negative = -vector
print("negative: (\(negative.x), \(negative.y))")
vector += vector
print("now vector: (\(vector.x), \(vector.y))")

let twoThree = Vector2D(x: 2.0, y: 3.0)
let anotherTwoThree = Vector2D(x: 2.0, y: 3.0)
if twoThree == anotherTwoThree {
    print("These two vectors are equivalent.")
}
if twoThree == anotherTwoThree {
    print("两者相同")
} else {
    print("两者不同")
}

if combinedVector == twoThree {
    print("两者相同")
} else {
    print("两者不同")
}

let afterDoubing = +++anotherVector
print("afterDoubing: (\(afterDoubing.x), \(afterDoubing.y))")
print("now anotherVector: (\(anotherVector.x), \(anotherVector.y))")
print("now vector: (\(vector.x), \(vector.y))")

let plusMinusVector = vector +- anotherVector
print("plusMinusVector: (\(plusMinusVector.x), \(plusMinusVector.y))")

// 定义优先级例子
let one = Vector2D(x: 2.0, y: 3.0)
let two = Vector2D(x: -5.0, y: 4.0)
let three = Vector2D(x: 4.0, y: -3.0)
let result = one + two +- three
print("result: (\(result.x), \(result.y))") // result:(1.0, 10.0)

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