作者：Ole Begemann，原文鏈接，原文日期：2016-09-22
譯者：BigbigChai；校對：walkingway；定稿：CMB

本文摘自即將出新版的 Swift 進階（Advanced Swift）一書中的集合協議（Collection Protocols）章節（稍作修改以適合博客文章）。我和 Chris Eidhof 已經基本完成為本書更新到 Swift 3 的工作，很快可以面世。

Swift 中的集合非常強大，但也很復雜。如果你想實現自定義的集合類型，首先需要了解集合協議的原理。即使只是使用標準庫中常見的集合類型，它的工作原理仍然十分值得學習，尤其是它可以幫助你理解編譯器打印出來的錯誤信息。

在本文中，我們想探討一下集合協議的關聯類型。這聽起來像是一個晦澀的主題，但我認為想要掌握 Swift 中集合類型的關鍵：在于對理解關聯類型的作用、以及為什么需要它們。

概述

集合有五種關聯類型。它們聲明如下（實際的代碼并不是這樣，因為 Index 是在 IndexableBase 中聲明的，但你明白我的意思就好）：

protocol Collection: Indexable, Sequence {associatedtype Iterator: IteratorProtocol = IndexingIterator<Self>associatedtype SubSequence: IndexableBase, Sequence = Slice<Self>associatedtype Index: Comparable // declared in IndexableBaseassociatedtype IndexDistance: SignedInteger = Intassociatedtype Indices: IndexableBase, Sequence = DefaultIndices<Self>... }

前四個關聯類型繼承自基礎協議
Sequence，Indexable 和 IndexableBase ¹；集合遵循了以上所有的協議，只是 Index 的約束更加嚴格、余下的協議賦予了不同的默認值。

注意，除了 Index 以外，集合類型的關聯類型都有默認值 — 因此遵守集合協議的類型都只需指定 Index 的類型就可以了。雖然你不必過分在意其他的關聯類型，但還是應該大致了解一下。

迭代器 Iterator

遵守 Sequence 協議。Sequence 通過創建迭代器來訪問它們的元素。迭代器每次產生一個序列的值，并在遍歷該序列時追蹤它的迭代狀態。

迭代器內部有一個稱為 Element 的關聯類型。Element 類型指定了迭代器的生成值類型。例如，對于 String.CharacterView 的迭代器而言，Element 的類型是 Character。另外，迭代器也定義了它的 Sequence 的 Element 類型；事實上，我們經常能在方法簽名、或者 Sequence 和集合的泛型約束中看到對 Iterator.Element 的引用，就是因為 Element 是 IteratorProtocol 的關聯類型。

集合的默認迭代器類型是 IndexingIterator <Self>。這是一個非常簡單的封裝結構體，它使用集合自身的索引來遍歷每個元素。標準庫中的大多數集合都使用 IndexingIterator 作為迭代器。我們不需要為自定義的集合更改迭代器類型。

子序列 SubSequence

子序列也遵守 Sequence 協議，但是集合約束更加嚴格：集合的子序列本身也應該是集合。（我們說“應該”而不是“必須”，因為這種約束在目前的類型系統中無法完全表示。）

在返回初始集合片段的操作中，子序列作為其返回類型：

• prefix 和 suffix — 取開頭或末尾的 n 個元素。

• dropFirst 和 dropLast — 返回刪除開頭或末尾 n 個元素后的子序列。

• 拆分（split） — 以指定的分隔符元素拆分序列，并以數組形式返回。

• 帶有 Range <Index> 參數的 subscript（下標）— 返回指定索引范圍內的元素片段。

集合的默認子序列類型是 Slice <Self>，它封裝了初始的集合（類似于 IndexingIterator ），并存儲該片段在初始集合中的起始索引（startIndex）和結束索引（endIndex）。

自定義集合的子序列類型非常有用，特別是當它定義為 Self（即集合的片段與集合本身類型相同）的時候。標準庫類型中的例子有 String.CharacterView，這讓字符串片段的使用更為方便。而一個反例是 Array，它以 ArraySlice 作為片段類型。

索引 Index

索引表示集合中的位置。每個集合都有兩個特殊的索引，startIndex 和 endIndex。 startIndex 指向集合的第一個元素，而 endIndex 是集合中最后一個元素之后的索引。索引應該是一個啞值，只存儲表明元素位置所需的最少信息量。尤其，索引應該盡可能地減少對集合的引用。集合索引必須是可比較的，這是它唯一的要求。也就是說，索引需要有明確的順序。

比如數組就是用整數作為索引的，但是整數索引不是對所有數據結構都起作用。我們再以 String.CharacterView 為例，Swift 中的字符是大小可變的；如果你想使用整數索引，你有兩個選擇：

用索引表示字符串內部存儲的偏移量。這種做法十分有效率；訪問一個給定索引的元素的復雜度是 O（1）。但是對于索引范圍而言會有差別。例如，如果索引 0 處的字符是正常大小的兩倍，則下一個字符的索引會是 2 - 訪問索引 1 處的元素將觸發致命錯誤或未定義行為。這會嚴重違反用戶的期望。

用索引 n 表示字符串中的第 n 個字符。這與用戶期望一致 — 對索引范圍來說不會有任何差別。然而，訪問給定索引的元素的復雜度變成了O（n）；必須從頭遍歷字符串內該索引之前的所有元素，才能確定字符的儲存位置。這種行為非常不好，因為用戶會期望通過索引下標訪問元素的操作能瞬間完成。
?

因此，String.CharacterView.Index 是一個不可見的值，指向字符串的內部存儲緩沖區中的位置。實際上，它只是封裝了一個整型偏移量，集合的使用者并不會對這種實現細節感興趣。
每個集合都需要分別選擇正確的索引類型。因此，關聯類型中索引是唯一沒有默認值的。

索引距離 IndexDistance

索引距離是一個帶符號的整型，表示兩個索引之間的距離。默認值是整型，我們沒必要自己修改。

索引范圍 Indices

這是集合的 indices 屬性的返回類型。它是一個包含所有索引的集合，該集合中的索引以升序排列對應初始集合的下標。注意，endIndex 不包括在內，因為 endIndex 表示”結束之后”的位置，所以不是有效的下標參數。

在 Swift 2 中，indices 屬性返回一個 Range <Index>，可以用來遍歷集合中所有的有效索引。在 Swift 3 中，Range <Index> 不再可迭代，因為索引不能自我遞進（現在由集合來推進索引迭代）。Indices 類型替代了 Range <Index> 來實現索引的迭代。

默認的 Indices 類型十分具有想象力地命名為 DefaultIndices <Self>（23333）。它跟 Slice 一樣，是對初始集合、起始和結束索引的一個簡單封裝 — 它需要保留對初始集合的引用，以便能夠推進索引。如果在集合迭代索引的過程中對集合進行修改，可能會導致意想不到的性能問題：假設集合的實現使用了寫時復制（copy-on-write）（正如標準庫中的所有集合類型），迭代開始之后對集合的額外引用可能觸發不必要的復制。

我們在書中廣泛說明了寫時復制的內容。就現在來說，知道自定義集合可以使用一個不引用初始集合的 Indices 類型就足夠了，這樣做是一個非常有益的優化。所有索引不依賴于集合本身的集合都可以這樣使用，例如數組。如果數組的索引是一個整數類型，你可以使用 CountableRange <Index>。以下是對自定義隊列類型的定義（我們在書中實現了此類型）：

extension Queue: Collection {...typealias Indices = CountableRange<Int>var indices: CountableRange<Int> {return startIndex..<endIndex} }

本文由 SwiftGG 翻譯組翻譯，已經獲得作者翻譯授權，最新文章請訪問 http://swift.gg。

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請將 Indexable 和 IndexableBase 視為實現細節。這些協議被引入來解決類型系統不支持遞歸協議的約束，例如引用了集合本身的集合，它的關聯類型就會有這種限制。
考慮這是更好地支持泛型的部分，希望明年當這個讓人高度期待的特性出來時，Indexable 和 IndexableBase 會被去掉，而把它們的功能放在集合內部。 ?

總結

以上是生活随笔為你收集整理的老司机带你深入浅出 Collection的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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