将Swift与Objective-C相结合

Posted 2021-04-28 CSDN

Objective-C起源于20世纪80年代初，尽管多年来这种语言有了长足的发展，却仍不敌Swift这样真正的现代化语言。随着Swift 3.0即将上线，使用Swift来编写新的应用会更加智能化。然而在PSPDFKit，我们仍坚守在Objective-C的世界里，我们建立、发布二进制框架以渲染/编辑PDF文件。想要正确获取所有的PDF细节是很复杂的，除了核心的PDF功能之外，我们还提供了大量可在典型用例中运用的UI类，从而产生了大约60万行的代码库，包含了UI和封装模型的混合代码——shared C++和Objective-C++都有，header部分完全是现代化的Objective-C，使用泛型和nullability注释，以确保在Swift中运行良好。

尽管目前我们还处于Objective-C的世界中，但这种情况也并非全然糟糕的：通过一些精巧的设计，在类似我们这样的代码库中也甚至可以享用Swift的诸多好处。下面我们列出了一些将“新旧世界”结合起来的方法。

为什么不单纯地使用Swift呢？

我们先来谈谈这个十分明显却无人肯谈的问题。Swift是很棒的语言，有很多原因促使我们使用它；不过在很多场景和需求下，选择Objective-C则更为明智。具体选择哪种语言，要取决于应用及用例本身、你的团队还有项目的范围及本质。在这里苹果给了我们选择，这真是太棒了。

• Swift的发展速度快得不可思议。苹果的开放过程简直令人惊异，特别要考虑到这家公司谨言慎行的本质。尽管将Swift最初发布的版本称为1.0版尚且有些草率，不过很快它就发展成了一种快速、安全、可以编写出优雅代码的语言。对于早期的采用者来说，还有很多甚至称得上严重的bug和问题需要解决。对于较小的项目或者典型应用来说，Swift可能运行良好，但大型项目可能会因为编译时间、优化问题或者仅仅缺乏资源来停止开发并花上数周更新数据库到Swift 3——这项任务可能会带来极大的破坏性——而推迟采用Swift。

• 当前的Swift在很多方面与C++很相似，都属于非常静态的类型，在动态消息发送和运行环境方面比不上Objective-C。在过去，这一点虽然导致了很严重的问题出现，比如优化问题或者不应使用的monkey-patching代码，但也带来了许多优雅的解决方案，比如包括NSManagedObject、NSUndoManager、UIAppearance等Core Data对象的动态特性解析，还有很多其它苹果框架中我们所喜爱的功能。这个问题很难平衡，即便是苹果UIKit团队的员工也要谨慎对待这种危险。

• 使用不具有二进制兼容性的Swift语言意味着我们必须对用户关闭一些技术参数，同时他们在选择Xcode时也会有局限——如果我们的SDK仍旧使用Xcode 7.3.0编译，他们也许就不能升级到Xcode 7.3.1。每个极小的编译器版本更改都可能会导致代码与其他版本不能兼容，而我们并不想让用户烦恼这种额外的技术复杂性。我们明白自己是极端型案例，对大多项目来说并不会有太大问题。我们也坚信，推迟采用并等待稳定的Swift ABI是件好事，尽管短期内不够方便，但长期来讲我们所使用的语言更完善。同时，我们的用户也很在意数据包的大小，可能会介意采用Swift所造成的每个架构6MB的额外负担。由于我们一直支持最近两版的ios，也就是说至少在最近两年内我们都无法改用Swift。

在编写测试和样例代码时，我们越来越多地使用Swift，也非常喜欢它。但同时，我们也担心Xcode 8的转变与额外的复杂性会对团队产生负担。由于ABI还在变化，我们无法在主要的SDK中使用Swift。因此我们决定采用Objective-C++在恰当的地方对纯Objective-C进行补充。

这种做法看似非常复杂，可能会让很多人产生担心：在代码中加入C++这种可能非常复杂的语言——难以学习甚至难以驾驭，也许会花费很多的时间和精力，但实际上并非如此。与其将Objective-C++当作Objective-C加C++，不如把它当成Objective-C的一个小语种。我们在Objective-C类中仅使用了极少量的C++，以借助C++的便利、安全性与性能方面的优势。这与实现完全成熟的C++不同，在以Objective-C为主的代码库中尝试使用一个小的子集是非常简单的，即便对于没有C++经验的开发者来说也是如此。

Objective-C++入门

我们先来看一下在项目中使用Objective-C++所需的步骤，假设已有以Objective-C编写的项目：

1. 将想要使用Objective-C++的文件重命名，从<MyClass>.m改为<MyClass>.mm；

2. 完成，就是这样，不需要步骤二。

真的非常简单，Objective-C与C++具有高度的协作性，因此无需安装任何内容，也完全不用修改设置。当然，也并非所有的C代码都是有效的C++代码，有时可能需要添加一些额外的转换，不过大部分情况都是没问题的。Xcode 7并不支持Objective-C++中的模块，因此必须使用较旧的#import语法，而不是新的@import。

现在我们知道，在应用中支持Objective-C++实际上非常简单，来看一下能用它做些什么。下面是我们最喜欢的一些功能：

auto

看下这段代码：

NSArray *files = [NSFileManager.defaultManager contentsOfDirectoryAtURL:samplesURL includingPropertiesForKeys:nil options:0 error:NULL];

PSPDFDocument *document = [[PSPDFDocument alloc] initWithBaseURL:samplesURL files:files];

这实际上是我们测试中的一个bug，在打算将文件名列表作为字符串时，其中有文件包含NSURL对象。最终由于相关文件被自动过滤掉，测试过了，有一阵子没人注意日志记录。如果我们使用Objective-C的新泛型功能（苹果专为Swift 2添加），编译器就会捕捉到这个问题：

在使用泛型时，区分符的输入非常烦人：

NSDictionary<NSNumber*, NSArray<PSPDFAnnotation*>*> *allAnnotationsDict = [document allAnnotationsOfType:PSPDFAnnotationTypeAll];

现在一下子就能解决了，我们可以简化它，同时保持C++正确的模板参数：

auto allAnnotationsDict = [document allAnnotationsOfType:PSPDFAnnotationTypeAll];

好多了，allAnnotationsDict是什么仍然很明显。在编译时，auto功能可以像上面这样自动完成，无需配置运行环境。Swift编译器团队的Joe Groff指出：目前在标准C和ObjC中，top-of-tree clang支持__auto_type类型推论了，因此我们终于可以在无需C++编译开销的情况使用它。

内联块

考虑一下使用内联块处理注释的情况，由于需要三个参数，声明的长度几乎让人难以忍受。通常我们会将它改成辅助函数，不过由于无法捕获变量，结果可能会让情况更加复杂。

void (^processAnnotation)(PSPDFAnnotation *annotation, BOOL addToIndex, NSUInteger objectID) = 

      ^(PSPDFAnnotation *annotation, BOOL addToIndex, NSUInteger objectID) {

    // code

};

这个声明还有个问题，就是非常冗长，每个参数类型都要写两遍，开发者通常都很厌恶冗长，因此我们来做些清理。auto再次成了救星：

auto processAnnotation = ^(PSPDFAnnotation *annotation, BOOL addToIndex, NSUInteger objectID) {

    // code

};

let

Swift的优点之一在于：在声明变量时，let是使用最多也最方便的办法，会自动产生const。同时在C语言中也有const，只不过非常丑陋：

NSString *const password = @"test123";

有了auto，可以写成可读性更高的样子：

const auto password = @"test123";

甚至可以更疯狂——使用一个宏：

#define let auto const

let password = @"test123";

vector

在Swift中，我们可以将任何数据类型放在数组中：

let anglePoints = [CGPoint(x: 0, y: 0), CGPoint(x: 32, y: 32), CGPoint(x: 32, y: 0)]

在Objective-C中，NSArray只能包含对象，不但更为复杂，同时由于封装的问题，对于基本类型的处理速度也更慢。当然，我们可以使用C数组，但会使得添加移除元素或另存数组之类的通用操作更为复杂，可能需要手动执行内存管理与调用malloc()。有了Objective-C++，我们可以简单地使用std::vector：

auto points = std::vector<CGPoint>{{0, 0}, {.x=32, .y=32}, {32, 0}};

无论显式struct字段命名，还是较短的隐式版本{0, 0}都是可用的，由于vector<CGPoint>已知想要的数据类型，无需再编写(CGPoint)转换。此外对C++容器const之后，它们也会自动成为不可变量。

vector <-> NSArray

有时候会出现需要将vector转化为NSArray的情况，反过来也是一样。这种操作非常简单，但如果使用helper会更好。

template <typename T>

static inline NSArray *PSPDFArrayWithVector(const std::vector<T> &vector,

                                            id(^block)(const T &value)) {

    NSMutableArray *result = [NSMutableArray arrayWithCapacity:vector.size()];

    for (const T &value : vector) {

        [result addObject:block(value)];

    }

    return result;

}

template <typename T>

static inline std::vector<T> PSPDFVectorWithElements(id<NSFastEnumeration> array,

                                                     T(^block)(id value)) {

    std::vector<T> result;

    for (id value in array) {

        result.push_back(block(value));

    }

    return result;

}

运算符重载

大家是否有时候需要计算CGRect、CGSize或Core Graphics的其他几何类型呢？它们都是struct，虽然好处很多，但计算时非常烦人，这里再次出现了冗余代码：

const CGSize zoomSize = CGSizeMake(self.bounds.size.width/zoomScale, self.bounds.size.height/zoomScale);

在Swift中，定义运算符非常简单，从而使得这些操作也很简单，但在Objective-C++中我们也能这样做：

CGSize operator/(const CGSize &lhs, CGFloat f) {

    return (CGSize){lhs.width / f, lhs.height / f};

}

const CGSize zoomSize = self.bounds.size / zoomScale;

锁定（Locks）

在构建线程安全API时，需要锁定。在标准Objective-C中，可以像下面这样做：

@interface PSPDFDocumentParser () {

    NSLock *_parserLock;

}

@end

@implementation PSPDFDocumentParser

- (instancetype)initWithDocumentProvider:(PSPDFDocumentProvider *)documentProvider {

    if ((self = [super init])) {

        _parserLock = [NSLock new];

    }

    return self;

}

- (void)parse {

    [_parserLock lock];

    // Do stuff that needs locking

    [_parserLock unlock];

}

@end

代码很多，但只描述了一个代码应当执行的状态。在Objective-C++中，我们可以采用更简单的办法：

@interface PSPDFDocumentParser () {

    std::mutex _parserLock;

}

@end

@implementation PSPDFDocumentParser

- (void)parse {

    std::lock_guard<std::mutex> parserGuard(_parserLock);

    // Do stuff that needs locking

}

@end

在超出范围后，C++会自动锁定，在C++中，到处都是资源分配即初始化（RAII）模式，它也确实很好用，允许我们通过返回语句来执行需要内联锁定的操作，因为锁定只会在返回后自动解锁。

如果我们只需要锁定某个method的很小一部分，就可以简单地创建一个较小的范围来执行：

- (void)parse {

    // Do stuff without locking

    {

        std::lock_guard<std::mutex> parserGuard(_parserLock);

        // Do stuff that needs locking

    }

    // Do stuff without locking

}

如果需要递归锁，可以使用std::recursive_mutex来代替std::mutex。

可选方案：有一个简单的纯Objective-C解决方案，生成一个method，在锁定时执行一个块参数，比如[NSManagedObjectContext performBlock:]。

模板

有时候模板在避免重复代码方面非常有效，试想一下负责比较类似CGFloat或NSInteger的helper，我们随时可以将其封装并调用compare:，但开销很大。更好的办法是使用模板函数：

template <typename T>

inline NSComparisonResult PSPDFCompare(const T value1, const T value2) {

    if (value1 < value2) return (NSComparisonResult)NSOrderedAscending;

    else if (value1 > value2) return (NSComparisonResult)NSOrderedDescending;

    else return (NSComparisonResult)NSOrderedSame;

}

另一个很有用的helper是条件转换——查看某个类是否是正确的类型。

template<typename T>

static inline T *PSPDFDynamicCast(__unsafe_unretained id obj) {

    if ([obj isKindOfClass:[T class]]) {

        return obj;

    }

    return nil;

}

// Usage:

auto objectOrNil = PSPDFDynamicCast<PSPDFNavigationController>(self.navigationController);

在if中的变量声明

在Swift中，典型用法就是在if-else块区中声明变量：

if let nav = controller.navigationController {

    nav.pushViewController(myViewController, animated: true)

} else {

    //show an alert or something else

}

在Objective-C++也可以采用类似的做法：

if (const auto nav = controller.navigationController) {

    //...

}

STL算法

在标准的模板库中有很多有用的算法，这里不列举代码片段，请参考Sean Parent的演讲《C++ Seasoning》，对拓展思维很有好处。

问题和缺点

这些简单的调整有什么缺点呢？我们不想说谎——缺点确实有一些，但我们认为到目前为止使用它们的优势更大。

编译时间

将文件扩展名从.m修改为.mm之后，clang将开始从C++的角度评估文件，而在自动转换方面C++更为严格。因此有时在使用中会收到一些警告，特别当代码中包含类似MAX()这样的宏时。在std::max()的情况下，可以通过显式转换或者使用C++函数的替代来解决这些问题。如果出现问题，或者有时Objective-C在类型上太松懈，就必须自行确定该如何处理。

编译.mm文件比标准的.m文件花费的时间更长一些，不过凭我们的经验来看，这点代价是值得的。如果你在使用一个大型代码库的话，额外时间累积起来可能会很多，但使用一些额外的编译缓存能够抵消很多消耗掉的时间。大量使用模板或者用到模板的库会产生更大的影响。

工具

另一个风险在于：很多人广泛使用Objective-C++，因此很可能会遇到编译错误或边缘情况。目前我们只遇到过一个Clang Analyzer崩溃的问题，不过在纯Objective-C代码中我们也曾设法重现过这个问题。

在header中避免使用C++

如果非要添加的话，将它或者放在单独的.hpp header中，或者放在#if __cplusplus后面；否则很快你就必须将整个项目转换为.mm格式，而且header对Swift来说不可访问。

意外副本

C++喜欢复制内容，看看这段代码：

@property (nonatomic) std::vector<int> values;

// later on

self.values.emplace_back(5);

这段代码没有任何作用，属性会返回一个修改后的向量副本，调用后自毁。有很多办法来解决这个问题，使用共享指针就是办法之一：

@property (nonatomic) std::shared_ptr<std::vector<int>> values;

// later on

self.values.get().emplace_back(5);

C++11加入了unique_ptr、shared_ptr和weak_ptr，它们在很多方面与ARC类似，只是速度更快也更有确定性，因为其中没有自动释放池。共享指针很好用，在大多情况下调用new或者delete命令属于糟糕的设计，可以使用智能指针来替代。

Objective-C的功能

我们使用了大量并非人尽皆知的Objective-C功能，还有大量可用的辅助函数让代码更具有可读性，尤其是在处理集合时。

NS_NOESCAPE

在Swift中，@noescape声明允许编译器在block内优化代码。尽管我们没有NS_NOESCAPE，也可以使用下面的办法：

// Equivalent to Swift's @noescape

#define PSPDF_NOESCAPE __attribute__((noescape))

当然我们提交了rdar://25737301，另有一个Swift proposal建议将其添加到Objective-C中，希望很快能看到这样的变化。

点语法

这是一个有争议的话题，我们在任何没有负面作用的方法中使用点语法——即便没有声明为属性：

// Typical

[UIApplication sharedApplication].keyWindow

// Shorter

UIApplication.sharedApplication.keyWindow

在iOS 7的SDK中，苹果将很多应当是属性的方法都转换成了属性。功能上并无区别，只是现在能更好地执行自动补全了。这里的缺点在于，Xcode无法自动补全点语法调用的方法。

map, filter, flatMap

类似NSArray和NSSet这样的数据结构缺少高阶函数。一些有用的方法长度夸张，使用起来也很不方便。

看下这段从页面访问中收集选择注释的代码：

- (NSArray<PSPDFAnnotation *> *)selectedAnnotations {

    NSMutableArray<PSPDFAnnotation *> *selectedAnnotations = [NSMutableArray array];

    for (PSPDFPageView *visiblePageView in self.visiblePageViews) {

        if (visiblePageView.selectedAnnotations.count > 0) {

            [selectedAnnotations addObjectsFromArray:visiblePageView.selectedAnnotations];

        }

    }

    return [selectedAnnotations copy];

}

使用我们的flatMap助手来编辑相同的代码：

- (NSArray<PSPDFAnnotation *> *)selectedAnnotations {

    return [self.visiblePageViews pspdf_flatMap:^NSArray<PSPDFAnnotation *> *(PSPDFPageView *pageView) {

        return pageView.selectedAnnotations;

    }];

}

整个helper非常简单，还有不同的变体可以返回一个进行更好链接的block，我们选择了更为Objective-C风格的API，在数组为空的情况下不会崩溃：

- (NSArray *(^)(NSArray * _Nullable (^)(__kindof id obj)))pspdf_flatMapBlock {

    return ^(NSArray *(^block)(id obj)) {

        NSMutableArray *result = [NSMutableArray new];

        for (id obj in self) {

            NSArray * _Nullable array = block(obj);

            [result pspdf_addObjectsFromArray:array];

        }

        return [result copy];

    };

}

- (NSArray *)pspdf_flatMap:(PSPDF_NOESCAPE NSArray * _Nullable (^)(__kindof id obj))block {

    return self.pspdf_flatMapBlock(block);

}

我们有类似的方法可用于filter或map，以及一系列类似-[NSArray pspdf_mutatedArrayUsingBlock:]的helper可封装大量每个人都写了数百次的样板代码。尽管我们的helper目前还没有开源，但有不少有用的开源项目。BlocksKit在上述实现方面表现十分优秀。

结论

在PSPDFKit中，我们平时会使用本文中提到的方法，并且确信这些方法不但会使我们的代码可读性更高，同时也增加了代码库的安全性，另外，由于无需再重复编写相同的样板代码（在Objective-C开发中太过常见的一些代码），其中的很多方法也加快了开发速度。有很多其他的应用与框架也使用Objective-C++，Realm Cocoa、Paper by FiftyThree、RxPromise、Dropbox Djinni、Facebook的ComponentKit还有Pop——甚至很多苹果的框架，比如Core Graphics、WebKit/WKWebView甚至Objective-C runtime都有运用到Objective-C++。

原文： Swifty Objective-C 

译者： 孙薇 

审校： 唐小引（@唐门教主），欢迎技术投稿、约稿，给文章纠错，请发送邮件tangxy#csdn.net（请将#更换为@）。

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