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Swift中的指針操作和使用詳細(xì)介紹

更新時(shí)間：2015年01月22日 09:01:15 投稿：junjie

這篇文章主要介紹了Swift中的指針操作和使用詳細(xì)介紹,Apple期望在Swift中指針能夠盡量減少登場幾率,因此在Swift中指針被映射為了一個(gè)泛型類型，并且還比較抽象,本文詳細(xì)講解了Swift中指針的相關(guān)知識(shí),需要的朋友可以參考下

Apple期望在Swift中指針能夠盡量減少登場幾率，因此在Swift中指針被映射為了一個(gè)泛型類型，并且還比較抽象。這在一定程度上造成了在Swift中指針使用的困難，特別是對那些并不熟悉指針，也沒有多少指針操作經(jīng)驗(yàn)的開發(fā)者（包括我自己也是）來說，在Swift中使用指針確實(shí)是一個(gè)挑戰(zhàn)。在這篇文章里，我希望能從最基本的使用開始，總結(jié)一下在Swift中使用指針的一些常見方式和場景。這篇文章假定你至少知道指針是什么，如果對指針本身的概念不太清楚的話，可以先看看這篇五分鐘C指針教程（或者它的中文版本），應(yīng)該會(huì)很有幫助。

初步

在Swift中，指針都使用一個(gè)特殊的類型來表示，那就是UnsafePointer<T>。遵循了Cocoa的一貫不可變原則，UnsafePointer<T> 也是不可變的。當(dāng)然對應(yīng)地，它還有一個(gè)可變變體，UnsafeMutablePointer<T>。絕大部分時(shí)間里，C中的指針都會(huì)被以這兩種類型引入到Swift中：C中const修飾的指針對應(yīng)UnsafePointer（最常見的應(yīng)該就是C字符串的const char *了)，而其他可變的指針則對應(yīng)UnsafeMutablePointer。除此之外，Swift中存在表示一組連續(xù)數(shù)據(jù)指針的UnsafeBufferPointer<T>，表示非完整結(jié)構(gòu)的不透明指針COpaquePointer等等。另外你可能已經(jīng)注意到了，能夠確定指向內(nèi)容的指針類型都是泛型的struct，我們可以通過這個(gè)泛型來對指針指向的類型進(jìn)行約束以提供一定安全性。

對于一個(gè)UnsafePointer<T>類型，我們可以通過memory屬性對其進(jìn)行取值，如果這個(gè)指針是可變的UnsafeMutablePointer<T> 類型，我們還可以通過memory對它進(jìn)行賦值。比如我們想要寫一個(gè)利用指針直接操作內(nèi)存的計(jì)數(shù)器的話，可以這么做：

復(fù)制代碼代碼如下:

func incrementor(ptr: UnsafeMutablePointer<Int>) {  

    ptr.memory += 1  

}  

var a = 10  

incrementor(&a)  

a  // 11

這里和C的指針使用類似，我們通過在變量名前面加上&符號(hào)就可以將指向這個(gè)變量的指針傳遞到接受指針作為參數(shù)的方法中去。在上面的incrementor中我們通過直接操作memory屬性改變了指針指向的內(nèi)容。

與這種做法類似的是使用Swift的inout關(guān)鍵字。我們在將變量傳入inout參數(shù)的函數(shù)時(shí)，同樣也使用&符號(hào)表示地址。不過區(qū)別是在函數(shù)體內(nèi)部我們不需要處理指針類型，而是可以對參數(shù)直接進(jìn)行操作。

復(fù)制代碼代碼如下:

func incrementor1(inout num: Int) {  

    num += 1  

}  

var b = 10  

incrementor1(&b)  

b  // 11

雖然&在參數(shù)傳遞時(shí)表示的意義和C中一樣，是某個(gè)“變量的地址”，但是在Swift中我們沒有辦法直接通過這個(gè)符號(hào)獲取一個(gè)UnsafePointer的實(shí)例。需要注意這一點(diǎn)和C有所不同：

復(fù)制代碼代碼如下:

// 無法編譯  

let a = 100  

let b = &a  

指針初始化和內(nèi)存管理

在Swift中不能直接取到現(xiàn)有對象的地址，我們還是可以創(chuàng)建新的UnsafeMutablePointer對象。與Swift 中其他對象的自動(dòng)內(nèi)存管理不同，對于指針的管理，是需要我們手動(dòng)進(jìn)行內(nèi)存的申請和釋放的。一個(gè) UnsafeMutablePointer的內(nèi)存有三種可能狀態(tài)：

1.內(nèi)存沒有被分配，這意味著這是一個(gè) null 指針，或者是之前已經(jīng)釋放過；
2.內(nèi)存進(jìn)行了分配，但是值還沒有被初始化；
3.內(nèi)存進(jìn)行了分配，并且值已經(jīng)被初始化。

其中只有第三種狀態(tài)下的指針是可以保證正常使用的。UnsafeMutablePointer的初始化方法(init)完成的都是從其他類型轉(zhuǎn)換到UnsafeMutablePointer的工作。我們?nèi)绻胍陆ㄒ粋€(gè)指針，需要做的是使用alloc:這個(gè)類方法。該方法接受一個(gè)num: Int作為參數(shù)，將向系統(tǒng)申請num個(gè)數(shù)的對應(yīng)泛型類型的內(nèi)存。下面的代碼申請了一個(gè)Int大小的內(nèi)存，并返回指向這塊內(nèi)存的指針：

復(fù)制代碼代碼如下:

var intPtr = UnsafeMutablePointer<Int>.alloc(1)  

// "UnsafeMutablePointer(0x7FD3A8E00060)"  

接下來應(yīng)該做的是對這個(gè)指針的內(nèi)容進(jìn)行初始化，我們可以使用initialize:方法來完成初始化：

復(fù)制代碼代碼如下:

intPtr.initialize(10)  

// intPtr.memory 為 10  

在完成初始化后，我們就可以通過memory來操作指針指向的內(nèi)存值了。

在使用之后，我們最好盡快釋放指針指向的內(nèi)容和指針本身。與initialize:配對使用的destroy用來銷毀指針指向的對象，而與alloc:對應(yīng)的dealloc:用來釋放之前申請的內(nèi)存。它們都應(yīng)該被配對使用：

復(fù)制代碼代碼如下:

intPtr.destroy()  

intPtr.dealloc(1)  

intPtr = nil  

注意：其實(shí)在這里對于Int這樣的在C中映射為int的“平凡值”來說，destroy并不是必要的，因?yàn)檫@些值被分配在常量段上。但是對于像類的對象或者結(jié)構(gòu)體實(shí)例來說，如果不保證初始化和摧毀配對的話，是會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存泄露的。所以沒有特殊考慮的話，不論內(nèi)存中到底是什么，保證initialize:和destroy配對會(huì)是一個(gè)好習(xí)慣。

指向數(shù)組的指針

在Swift中將一個(gè)數(shù)組作為參數(shù)傳遞到C API時(shí)，Swift已經(jīng)幫助我們完成了轉(zhuǎn)換，這在Apple的官方博客中有個(gè)很好的例子：

復(fù)制代碼代碼如下:

import Accelerate  

let a: [Float] = [1, 2, 3, 4]  

let b: [Float] = [0.5, 0.25, 0.125, 0.0625]  

var result: [Float] = [0, 0, 0, 0]  

vDSP_vadd(a, 1, b, 1, &result, 1, 4)  

// result now contains [1.5, 2.25, 3.125, 4.0625]

對于一般的接受const數(shù)組的C API，其要求的類型為UnsafePointer，而非const的數(shù)組則對應(yīng)UnsafeMutablePointer。使用時(shí)，對于const的參數(shù)，我們直接將Swift數(shù)組傳入（上例中的a和b）；而對于可變的數(shù)組，在前面加上&后傳入即可（上例中的result）。

對于傳參，Swift進(jìn)行了簡化，使用起來非常方便。但是如果我們想要使用指針來像之前用memory的方式直接操作數(shù)組的話，就需要借助一個(gè)特殊的類型：UnsafeMutableBufferPointer。

Buffer Pointer是一段連續(xù)的內(nèi)存的指針，通常用來表達(dá)像是數(shù)組或者字典這樣的集合類型。

復(fù)制代碼代碼如下:

var array = [1, 2, 3, 4, 5]  

var arrayPtr = UnsafeMutableBufferPointer<Int>(start: &array, count: array.count)  

// baseAddress 是第一個(gè)元素的指針  

var basePtr = arrayPtr.baseAddress as UnsafeMutablePointer<Int>  

basePtr.memory // 1  

basePtr.memory = 10  

basePtr.memory // 10  

//下一個(gè)元素  

var nextPtr = basePtr.successor()  

nextPtr.memory // 2

指針操作和轉(zhuǎn)換

withUnsafePointer

上面我們說過，在Swift中不能像C里那樣使用&符號(hào)直接獲取地址來進(jìn)行操作。如果我們想對某個(gè)變量進(jìn)行指針操作，我們可以借助withUnsafePointer這個(gè)輔助方法。這個(gè)方法接受兩個(gè)參數(shù)，第一個(gè)是 inout的任意類型，第二個(gè)是一個(gè)閉包。Swift會(huì)將第一個(gè)輸入轉(zhuǎn)換為指針，然后將這個(gè)轉(zhuǎn)換后的Unsafe的指針作為參數(shù)，去調(diào)用閉包。使用起來大概是這個(gè)樣子：

復(fù)制代碼代碼如下:

var test = 10  

test = withUnsafeMutablePointer(&test, { (ptr: UnsafeMutablePointer<Int>) -> Int in  

    ptr.memory += 1  

    return ptr.memory  

})  

test // 11

這里其實(shí)我們做了和文章一開始的incrementor相同的事情，區(qū)別在于不需要通過方法的調(diào)用來將值轉(zhuǎn)換為指針。這么做的好處對于那些只會(huì)執(zhí)行一次的指針操作來說是顯而易見的，可以將“我們就是想對這個(gè)指針做點(diǎn)事兒”這個(gè)意圖表達(dá)得更加清晰明確。

unsafeBitCast

unsafeBitCast是非常危險(xiǎn)的操作，它會(huì)將一個(gè)指針指向的內(nèi)存強(qiáng)制按位轉(zhuǎn)換為目標(biāo)的類型。因?yàn)檫@種轉(zhuǎn)換是在Swift的類型管理之外進(jìn)行的，因此編譯器無法確保得到的類型是否確實(shí)正確，你必須明確地知道你在做什么。比如：

復(fù)制代碼代碼如下:

let arr = NSArray(object: "meow")  

let str = unsafeBitCast(CFArrayGetValueAtIndex(arr, 0), CFString.self)  

str // “meow”  

因?yàn)镹SArray是可以存放任意NSObject對象的，當(dāng)我們在使用CFArrayGetValueAtIndex從中取值的時(shí)候，得到的結(jié)果將是一個(gè)UnsafePointer<Void>。由于我們很明白其中存放的是String對象，因此可以直接將其強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為CFString。

關(guān)于unsafeBitCast一種更常見的使用場景是不同類型的指針之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因?yàn)橹羔槺旧硭加玫牡拇笮∈且欢ǖ?，所以指針的類型進(jìn)行轉(zhuǎn)換是不會(huì)出什么致命問題的。這在與一些C API協(xié)作時(shí)會(huì)很常見。比如有很多C API要求的輸入是void *，對應(yīng)到Swift中為UnsafePointer<Void>。我們可以通過下面這樣的方式將任意指針轉(zhuǎn)換為UnsafePointer。

復(fù)制代碼代碼如下:

var count = 100  

var voidPtr = withUnsafePointer(&count, { (a: UnsafePointer<Int>) -> UnsafePointer<Void> in  

    return unsafeBitCast(a, UnsafePointer<Void>.self)  

})  

// voidPtr 是 UnsafePointer<Void>。相當(dāng)于 C 中的 void *  

// 轉(zhuǎn)換回 UnsafePointer<Int>  

var intPtr = unsafeBitCast(voidPtr, UnsafePointer<Int>.self)  

intPtr.memory //100

總結(jié)

Swift從設(shè)計(jì)上來說就是以安全作為重要原則的，雖然可能有些啰嗦，但是還是要重申在Swift中直接使用和操作指針應(yīng)該作為最后的手段，它們始終是無法確保安全的。從傳統(tǒng)的C代碼和與之無縫配合的Objective-C代碼遷移到Swift并不是一件小工程，我們的代碼庫肯定會(huì)時(shí)不時(shí)出現(xiàn)一些和C協(xié)作的地方。我們當(dāng)然可以選擇使用Swift重寫部分陳舊代碼，但是對于像是安全或者性能至關(guān)重要的部分，我們可能除了繼續(xù)使用C API以外別無選擇。如果我們想要繼續(xù)使用那些API的話，了解一些基本的Swift指針操作和使用的知識(shí)會(huì)很有幫助。

對于新的代碼，盡量避免使用Unsafe開頭的類型，意味著可以避免很多不必要的麻煩。Swift給開發(fā)者帶來的最大好處是可以讓我們用更加先進(jìn)的編程思想，進(jìn)行更快和更專注的開發(fā)。只有在尊重這種思想的前提下，我們才能更好地享受這門新語言帶來的種種優(yōu)勢。顯然，這種思想是不包括到處使用 UnsafePointer的。

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