静态类型的 NSUserDefaults

作者：Radek Pietruszewski，原文链接，原文日期：2015-08-31
译者：walkingway；校对：Cee；定稿：小锅

一年前，在 Swift 推出不久后，我观察到许多 iOS 开发者仍然以 Objective-C 的开发习惯来写 Swift。而在我眼中，Swift 是一门全新的语言，有别于 Objective-C 的语法、设计哲学乃至发展潜力，因此我们更应探索出一条属于 Swift 独有风格的发展道路。我在之前的文章 Swifty methods 中已经探讨过在 Swift 中如何清晰、明确地对方法进行命名，随后我开始连载 Swifty API 系列文章，同时将这一想法付诸实践，探索如何设计更加简单易用的接口 API。

在该系列（Swifty API）第一篇文章中，我们对 NSUserDefaults API 进行了改造：

NSUserDefaults.standardUserDefaults().stringForKey("color")
NSUserDefaults.standardUserDefaults().setObject("red", forKey: "color")

改造之后看上去像这样：

Defaults["color"].string
Defaults["color"] = "red"

相较之前的 get 和 set 方法，改造后的结果更加简单明了，同时也修正了一致性问题，使其更符合 Swift 的使用风格。这看上去是相当大的改进。

但是，随着我对 Swift 深入学习，以及真正在项目中使用这些由我亲手缔造的 API 后，我才意识到这些 API 离真正的原生 Swift 风格还有相当大的差距。在之前的 API 设计中，我从 Ruby 和 Swift 的语法中汲取灵感来构建自己的 API，这一点虽然值得肯定，但是我们并没有将其真正提升到语义学的高度。仅仅是在外表裹了层 Swift 风格的外衣，而内部机制仍然是以 Objective-C 的形式在运作。

缺点

「API 不是那么 Swift 化」，听上去并不是一个让我们从头开始的好理由，虽然相似的 API 更容易学习，但我们不想这么教条。我们不仅仅想要设计出来的 API 看上去更加 Swift 化，还希望能在 Swift 的运行机制下更好地工作。这样看来，我们之前设计的 NSUserDefaults 存在一些小问题：

假设你有一个关于用户喜好颜色的设置选项：

Defaults["color"] = "red"
// App 中的其他一处：
Defaults["colour"].string // => nil

啊哦，一旦不小心把键名（key name）写错了，就会出现 Bug :(

同理我们放一个 date 对象到 defaults 中：

Defaults["deadline"] = NSDate.distantFuture()
Defaults["deadline"].data // => nil

这一次在 getter 方法中把 date 拼错成了 data，结果是 nil，又获得 bug 一枚。你或许认为这种情况并不会经常发生，但为什么每次我们要对取回（getter）的对象指定类型呢？这确实有点烦人。

再来一个例子（这个例子我们在赋值的时候就错了，取回的结果当然是 nil）：

Defaults["deadline"] = NSData()
Defaults["deadline"].date // => nil

显然我们想要「现在的时间」的日期而不是一个「空的data值」！

最后观察下面的代码：

Defaults["magic"] = 3.14
Defaults["magic"] += 10
Defaults["magic"] // => 13

在第一篇文章中，我们重新定义了 +=，使其能够在我的新 API 下正常工作，但这儿有个缺陷：只能从传递进来的参数进行类型推断（Int or Double）。也就是说如果你参数传一个整数（Int）10，运算后的结果是 13.14（Double）类型，但最终返回的结果还是会以上一次传入的参数类型为基准，决定最终的返回值。这个例子最后返回值为 13，砍掉了小数部分，显然是个 bug。

你又或许认为以上都是纯理论问题，在真实世界里并不会发生。先别着急下结论，仔细想想，这些拼错变量名、方法名和传递一个错误类型的参数其实都可以归为同一类型的 bug，而这些 bug 在日常开发中是常有之事。如果你正在使用一门需要编译的静态类型语言，那么你更应该依赖编译器给你的反馈而不是事后去测试，更重要的是，花费精力在编译期进行检查也会在将来给你带来丰厚的红利，这不仅仅是在首次写代码时才能享受这种编译器检查带来的好处，在之后的重构中，你也能减少很多不必要的 bug。这里提供一些小建议，可以让未来的你免受 bug 之苦。

静态类型的力量

导致这些问题的根源在于：没有定义关于 user defaults 的静态结构。

在早先的设计中，我意识到这个问题，于是将各种类型封装在了 NSUserDefaults 内部的 Proxy 对象中。调用时你可以通过下标（subscript）获得一个 Proxy 对象，然后再通过 Proxy 提供的访问方法来实现特定类型的访问。

Defaults["color"].string
Defaults["launchCount"].int

采用上面这种方式，比你自己实现 getter 方法或手动对 AnyObject 类型转换要好很多。

但这是一个 hack，并不算真正的解决方案。为了对 API 实现真正意义上的改进，我们需要收集有关 user default keys 的信息，之后提供给编译器。

现在回想下那位长者传授给我们的人生经验。通常不变的常量字符串，为了避免拼写错误，会在一开始就以 string keys 的形式定义，随后使用时编译器也会自动补全：

let colorKey = "color"

让我们带上类型信息：

class DefaultsKey {
    let key: String
    
    init(_ key: String) {
        self.key = key
    }
}

let colorKey = DefaultsKey("color")

我们将 key name 封装在一个对象中，并且将值类型植入到泛型参数中。现在我们可以定义一个新的 NSUserDefaults 下标，用来接收这些 keys：

extension NSUserDefaults {
    subscript(key: DefaultsKey) -> String? {
        get { return stringForKey(key.key) }
        set { setObject(newValue, forKey: key.key) }
    }
}

这里是结果：

let key = DefaultsKey("color")
Defaults[key] = "green"
Defaults[key] // => "green", typed as String?

没错，就这么简单，语法和功能稍后再来完善。我们通过这个小技巧，修复了许多问题。比如没办法再轻易拼错 key name 了，因为他只能定义一次。也不能随便就赋值一个不匹配的类型了，因为你这么做编译器会报错。最后也不必写 .string，因为编译器已经知道我们想要的类型了。

此外，我们或许应该使用泛型来定义 NSUserDefaults 的下标（subscripts），而不是手动输入所有需要的类型。不过想法总是美好的,现实却是残酷的，Swift 的编译器目前还不支持泛型下标。(╯‵□′)╯︵┻━┻ 方括号可能看上去还不错，别再纠结语法了，我们让 setting 和 getting 方法更加泛型化就好了。

等等，你还没有见识过下标 subscripts 的能耐！

令人振奋的下标

考虑下面这种写法：

var array = [1, 2, 3]
array.first! += 10

完全不能通过编译！我们尝试对数组内部的整数进行加法操作，但这对于 Swift 来说是做不到的。整数具有值语义，是不可变的。当他们从某些地方返回时，你不能直接去修改他们的值，这是因为他们并不存在于表达式之外，仅算是瞬时状态下的一份拷贝罢了。

改换变量来做就没问题：

var number = 1
number += 10

注意，实际并没有真正意义上改变 1 这个整数，而只是修改了变量，为其分配了一个新值而已。

再来看看下面这段代码：

var array = [1, 2, 3]
array[0] += 10
array // => [11, 2, 3]

结果终于如你所愿了，不是吗？这和你想象中的一样，可是为什么这么做就可以了呢？

观察一下，在 Swift 中，下标和里面的值类型似乎也合作地非常愉快。我们可以通过下标来修改数组里的值，是因为他在内部实现了 getter 和 setter 方法。编译器层面所做的工作是将 array[0] += 10 重写为 array[0] = array[0] + 10。如果你只实现了 getter 下标 subscript，而没有实现 setter，是不会正常工作的。

这不仅仅是数组（Array）特有的黑魔法，这是下标（subscript）语义精心设计后的结果，我们可以在自己实现的 subscripts 免费获得这种特性，比如我们还可以这么玩：

Defaults[launchCountKey]++
Defaults[volumeKey] -= 0.1
Defaults[favoriteColorsKey].append("green")
Defaults[stringKey] += "… can easily be extended!"

有意思吧，要知道在 API 1.0 版本，我们仅仅模仿字典那样使用下标，并没有利用上面介绍的这种语义。

我们还添加了一些 +=、++ 这样的操作符，但是这种行为比较危险，主要依赖于编译器的魔法实现。在这里我们通过将类型信息封装在 key 中，然后定义了 subscript 的 getter 和 setter 方法，现在整个世界看上去运转正常。

捷径

在老版本 API 设计中，使用字符串 key 的好处在于你可以按需使用，而不用去创建任何中间对象。

而在目前改进的新版本中，每次使用前都要创建键对象（key object）好像没什么道理，况且这会带来可怕的重复以及抵消掉静态类型带来的好处。所以让我们再想想如何能够更好地组织 defaults keys：

一种解决方案就是在类层级（class level）定义这些 keys：

class Foo {
    struct Keys {
        static let color = DefaultsKey("color")
        static let counter = DefaultsKey("counter")
    }
    
    func fooify() {
        let color = Defaults[Keys.color]
        let counter = Defaults[Keys.counter]
    }
}

这似乎已经是 Swift 关于字符型 keys 的标准实践了。

另一种解决方案是利用 Swift 的隐式成员表达式，此功能的最常见用途是枚举。当一个方法需要一个枚举类型 Direction 作为参数，你可以传递 .Right。编译器能够推断出真正的参数类型 Direction.Right。这里有个冷知识：这种特性（隐式成员表达式）同样适用于方法参数是静态成员类型的情形，例如你可以在一个需要 CGRect 类型做参数的方法中，使用 .zeroRect 来代替 CGRect.zeroRect。

事实上，我们可以通过把键定义为 DefaultsKey 上的静态常量来做相同的事情。好啦，差不多了，最后为了消除编译器上的限制，我们需要一个稍微不同的定义：

class DefaultsKeys {}
class DefaultsKey: DefaultsKeys { ... }

extension DefaultsKeys {
    static let color = DefaultsKey("color")
}

试一下效果，哇，不错哦！

Defaults[.color] = "red"

是不是很炫酷？站在调用者的角度，现在比之前用传统字符串的方式显得不再那么冗余，开发者的代码量减少了，读起来也更直观。有没有感到很兴奋，如果我告诉你这一切都是免费获得的，你会不会更开心。

（这项技术的一个缺陷就是没有命名空间机制，在大工程中还是老实采用键结构体 Keys struct 的方式更好一些。）

可选值难题

在前一版设计的 API 中，我们让所有的 getters 都返回可选值，不过我不大喜欢 NSUserDefaults 处理不同类型时缺乏一致性，对于字符串，缺失值将返回 nil，但是对于数字和布尔值，你将会得到 0 和 false。

我很快意识到这种方式缺点是太冗长。大多数时候我们并不关心 nil 的情形，只希望在这种情况下得到一个默认值，仅此而已。而每次我们通过下标（subscripts）获得一个可选值后，都要先解封包做判断，再决定返回解包值还是预设的默认值。

Oleg Kokhtenko 针对这个问题提出了解决方案，除了标准的可选返回值的 getter 方法，我们还添加了一组 getter 方法，这些方法都以标志性的 -Value 结尾，并且结果为 nil 时会返回默认值代替，这样类型更加明确：

Defaults["color"].stringValue            // 默认得到""
Defaults["launchCount"].intValue         // 默认得到0
Defaults["loggingEnabled"].boolValue     // 默认得到false
Defaults["lastPaths"].arrayValue         // 默认得到[]
Defaults["credentials"].dictionaryValue  // 默认得到[:]
Defaults["hotkey"].dataValue             // 默认得到NSData()

我们可以在静态类型体制下做同样的事情，下面为 optional 和非 optional 类型各提供一个 subscript 变体。

extension NSUserDefaults {
    subscript(key: DefaultsKey) -> NSData? {
        get { return dataForKey(key.key) }
        set { setObject(newValue, forKey: key.key) }
    }

    subscript(key: DefaultsKey) -> NSData {
        get { return dataForKey(key.key) ?? NSData() }
        set { setObject(newValue, forKey: key.key) }
    }
}

我喜欢这么做，因为这样就不用依赖协定约定（type 和 typeValue），将空值转换为各种类型的默认值。而是使用已经在 user defaults key 中定义好的类型，剩下的工作就交给编译器吧。

更多的类型

我通过添加这些类型的下标来扩大支持的类型范围：String，Int，Double，Bool，NSData，[AnyObject]，[String: AnyObject]，NSString，NSArray，NSDictionary（还包含他们的可选变体，注意 NSDate?，NSURL?，AnyObject? 没有对应的非可选部分，因为这些类型的默认值没有意义）。

还要注意一点，字符串（strings）、字典（dictionaries）和数组（arrays）同时存在于 Swift 基本库和 Cocoa Foundation 框架中。而我们优先考虑 Swift 原生类型，但这些类型并不具备他们在 Cocoa 框架中的一些能力，不过如果真正需要，我会让事情简单一些。

提到数组，为什么把我们只限制没有类型化的数组？因为在大多数情况下，user defaults 中存储的数组里面的元素都是同一类型的，比如 String，Int，NSData。

因为不能定义泛型下标，我们来创建一对泛型 helper 方法：

extension NSUserDefaults {
    func getArray(key: DefaultsKey<[T]>) -> [T] {
        return arrayForKey(key.key) as? [T] ?? []
    }
    
    func getArray(key: DefaultsKey<[T]?>) -> [T]? {
        return arrayForKey(key.key) as? [T]
    }
}

复制、粘贴，然后参照下面这段代码改写所有我们感兴趣的类型：

extension NSUserDefaults {
    subscript(key: DefaultsKey<[String]?>) -> [String]? {
        get { return getArray(key) }
        set { set(key, newValue) }
    }
}

现在可以这样调用：

let key = DefaultsKey<[String]>("colors")
Defaults[key].append("red")
let red = Defaults[key][0]

我们通过数组下标返回一个 String，然后为其添加了一个字符串，整个验证过程发生在了编译期（编译器会对进行的操作进行类型检查），这样做更加安全便捷。

归档

NSUserDefaults 还有一个缺点是支持的类型并不多，如果我们想存储自定义的类型，通用的解决办法是用 NSKeyedArchiver 来序列化你的自定义对象。

接下来我们努力把世界变得更美好一点，类似于 getArray 的 helper 方法，我定义了 archive() 和 unarchive() 的泛型方法，这样我就能很容易地设计一段下标代码来处理各种自定义类型（前提是这些类型遵循 NSCoding 协议）。

extension NSUserDefaults {
    subscript(key: DefaultsKey) -> NSColor? {
        get { return unarchive(key) }
        set { archive(key, newValue) }
    }
}

extension DefaultsKeys {
    static let color = DefaultsKey("color")
}

Defaults[.color] // => nil
Defaults[.color] = NSColor.whiteColor()
Defaults[.color] // => w 1.0, a 1.0
Defaults[.color]?.whiteComponent // => 1.0

（译者注：NSColor 遵循 NSSecureCoding 协议，而该协议继承自 NSCoding）

看上去并不十分完美，但我们仅用了几行代码就让 NSUserDefaults 很好地支持了自定义类型。

结果和结论

万事俱备，下面有请我们新的 API 登场：

// 提前定义键名
extension DefaultsKeys {
    static let username = DefaultsKey("username")
    static let launchCount = DefaultsKey("launchCount")
    static let libraries = DefaultsKey<[String]>("libraries")
    static let color = DefaultsKey("color")
}

// 使用点语法来获取 user defaults
Defaults[.username]

// 使用非可选的键来获取默认值而非可选值
Defaults[.launchCount] // Int, 默认值是0

// 就地更新 value 的值
Defaults[.launchCount]++
Defaults[.volume] += 0.1
Defaults[.strings] += "… can easily be extended!"

// 使用和修改数组类型
Defaults[.libraries].append("SwiftyUserDefaults")
Defaults[.libraries][0] += " 2.0"

// 方便地使用序列化的自定义类型
Defaults[.color] = NSColor.whiteColor()
Defaults[.color]?.whiteComponent // => 1.0

Swift 中使用起来不再痛苦的静态类型

希望你已经看到这种静态类型带来的好处，我们只付出了很小的代价，包括提前定义 DefaultsKey，遵从 Swift 的类型系统。而作为回报，编译器向我们献上一份大礼：

• 编译期检查（键名，读、写的类型检查）
• 键名（key names）自动补全
• 类型推断——不必在末尾输入 .string 或手动对 AnyObject 进行类型转换
• 我们可以直接操作 user defaults 里面的值，而不需要通过中间步骤或魔法运算符
• 一致性——抛开怪异的 keys，Defaults 看上去更像是一个定义了类型的字典

这里还有一个潜在优势：可以自动享受到今后 Swift 的发展红利。

真正的 Swift 的 API 也利用了静态类型特性，这里不是要教条主义，条条大路通罗马，肯定还有其他的最佳解决方案。但当你决定回到 Objective-C 或 JavaScript 的编码习惯时，重新考虑一下静态类型所带来的好处，还要明白一点，这种静态类型不是你前辈所熟悉的静态类型，Swift 丰富的类型系统允许你创造出极具表现力和易用的 API，而实现这一切的开销却可以忽略不计。

试试看

一如既往，我将以上所有的探索整理成了一个库，放在 GitHub 上，如果感兴趣，可以采取下面的方式引用：

ruby
# with CocoaPods:
pod 'SwiftyUserDefaults'

# with Carthage:
github "radex/SwiftyUserDefaults"

同样也鼓励你去试用我改造的另一个 Swifty API（NSTimer），关于如何清晰命名请看我这篇文章 Swifty methods。

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