Swift 值语义(一)

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2024-08-02

在 Swift 中，一个被不断讨论话题：什么时候使用结构体什么时候使用类？

答案其实很简单，当你需要值语义的时候使用结构体，当你需要引用语义的时候使用类。

那么掌握值语义和引用语义就非常必要了。

值语义和引用语义

Swift 中的值语义官方文档：Value Semantics in Swift

什么是值语义

For a type with value semantics, variable initialization, assignment, and argument-passing (hereafter, "the big three operations") each create an independently modifiable copy of the source value that is interchangeable with the source.

值语义(Value Semantics)：所谓值语义是指目标对象由源对象拷贝生成，且生成后与源对象完全无关，彼此独立存在，改变互不影响。就像 Int 类型变量相互拷贝一样，拷贝之后就与源对象完全脱离关系。

什么是引用语义

引用语义(Reference Semantics)：通常是指一个目标对象由源对象拷贝生成，但生成后与源对象之间依然共享底层资源，对任何一个的改变都将随之改变另一个。

有`值语义`的例子

一个简单的struct, 只有一个存储属性：

struct Foo {
    var value: Int = 0
}

假设 Foo 有以下调用：

var a = Foo()
var b = a
a.value = 2

在这种情况下，b.value是否也会改变？

值语义：改变其中一个不会影响另一个

因为Foo是一个值类型，所以改变a.value不会改变b.value。

在这种情况下，a和b是独立于变化的（对a或b的变化不会影响另一个），所以我们可以说Foo有值语义。

没有`值语意`的例子

接下来，让我们看看一个没有值语义的例子。让我们把前面代码中的struct部分改为class。除此之外，其它是完全相同。

class Foo {
    var value: Int = 0
}

var a = Foo()
var b = a
a.value = 2

在这种情况下，Foo是一个类，因此是一个引用类型。因此，改变a.value也将改变b.value。

在这个例子中，Foo不具有值语义，因为它的变化不具有独立性。

语义与类型

从前面的例子和名称可以推断出，值语义与值类型密切相关，引用语义与引用类型密切相关。但是它们并不是一回事，小心将它们混淆了。

值语义 ≠ 值类型。
引用语义 ≠ 引用类型。

例如，有一些类型是值类型但没有值语义，还有一些类型是引用类型但具有值语义。正确区分值语义/引用语义和值类型/引用类型非常重要。

是值类型但没有值语义的例子

为了区分语义和类型，让我们看一个值类型但没有值语义的示例。

我们引入了一个叫做Bar的类:

class Bar {
    var value: Int = 0
}

给Foo添加这个Bar类型的属性。

struct Foo {
    var value: Int = 0
    var bar: Bar = Bar() // 👈 添加一个Bar类型的属性
}

我们可以用它来做与前面的例子类似的事情。只是除了改变a.value，也改变a.bar.value。

var a = Foo()
var b = a
a.value = 2
a.bar.value = 3 // 👈

在这种情况下，Foo是一个值类型，所以变量a和b包含Foo的独立实例。然而，Bar是一个引用类型，所以a和b的bar属性将包含同一个Bar实例的地址，并将通过该地址引用同一个实例。

在这种情况下，改变a.value不会影响b.value，因为a和b包含不同的Foo实例。然而，a.bar和b.bar指的是同一个Bar实例，所以对a.bar.value的任何改变也会改变b.bar.value。

因此，虽然Foo是一个值类型，但变化不具备独立性，即它没有值语义。注意，a.value和b.value可以独立改变，所以这个Foo也没有引用语义。

像这样既没有值语义也没有引用语义的Foo类型是很难处理。这块在下篇文章将进行详细阐述，不在此进行累赘。

是引用类型但有值语义的例子

具有引用类型属性并不一定意味着丢失了值语义。接下来，让我们看一个具有引用类型属性的值类型具有值语义的示例。

将前面代码中的Bar类改为不可变类。

final class Bar {
    let value: Int = 0
}

为了使Bar不可变，将Bar的value属性改为let，并将其改为final class。之所以声明为 final class，是因为如果创建一个Bar的可变子类，Bar类的不可变性将被破坏。

让我们对Foo和Bar做同样的事情。然后，由于Bar现在是一个不可变的类，任何试图改变a.bar.value的行为当然会导致编译错误。

var a = Foo()
var b = a
a.value = 2
a.bar.value = 3 // ⛔

在这种情况下，a.bar和b.bar确实指的是同一个实例，但是Bar是不可变的，所以它的状态不能通过该实例改变。因此，拥有一个Bar类型的属性并不会破坏Foo实例的独立性。其结果是，Foo具有值语义，尽管它有引用类型的属性。

这种情况很常见，不会导致值语义的破坏，例如，如果该属性持有以下类别的实例。

NSNumber, NSNull
UIImage
KeyPath

不变性和语义

如何看待不可变类本身的语义？

考虑以下不可变的类 Foo：

final class Foo {
    let value: Int = 0
}

对于这个Foo，执行同样的事情：

var a = Foo()
var b = a
a.value = 2 // ⛔

不可变类的实例初始化后不能被改变，不会发生改变一个就改变另一个的情况，这种情况也有值语义。

当具有不变性时，你无法区分值语义和引用语义。因此，我们可以说，像上面这样的不可变的Foo类同时具有值语义和引用语义。另外，如果它是不可变，即使它是值类型，也可以说它具有引用语义。例如，下面的Foo是一个值类型，但同时具有值语义和引用语义。

struct Foo {
    let value: Int = 0
}

用可变引用类型作为属性但有值语义的例子

在前面的例子中，如果你有一个可变引用类型的属性，你就没有值语义。

struct Foo {
    var value: Int = 0
    var bar: Bar = Bar()
}

class Bar {
    var value: Int = 0
}

“如果你有一个可变引用类型的属性，你就没有值语义”，用这种模式来判断语义是很危险的。例如，标准库Array持有内部的可变引用类型，但使用一种叫做Copy-on-Write的机制来实现值语义。

要根据定义而不是模式来决定是否有值语义。

总结

在 Swift 中，当一个类型具有值语义时，该类型的值与变化无关。

值类型和值语义、引用类型和引用语义不是一回事，值类型不一定有值语义，而引用类型也可以有值语义。区分类型和语义很重要。在考虑一个模式是否具有值语义时，必须考虑到各种例外情况。根据定义决定是否具有值语义。

参考

Value Semantics in Swift

Swift 值语义(一)

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