iOS Swift5：浅析结构体（struct）与类（class）

一、前言

关于 struct 与 class，相信大家或多或少有些了解，本篇的目的是让大家完全透彻的熟悉，不在是片面了解。

二、基础

2.1、起源

大家学过 C 语言，也应该学过 C++，先帮大家从底层先梳理一下基础知识：

• struct 与 class 的出现
  • C 语言中是有 struct 结构体的，但是 C 语言是没有 class 的；
  • C++，扩展了 struct，并有了 class 的出现；
• struct 与 class 的定义
  • C 语言中，struct 只是数据结构，没有函数；
  • C++ 中，struct 与 class 类似，可以有变量，可以有函数；

我们不谈 C 语言，因为它没有 class，struct 也功能单一。

2.2、C++ 中两者的区别

C++ 中 struct 与 class 的区别：

• 成员：class 中，成员默认是 private 的，而 struct 中，成员默认是 public 的；
• 继承：class 默认是 private 继承，而 struct 默认是 public 继承；
• 模板：class 可以使用，而 struct 不能；

2.2.1、继承

关于继承，可能大家都忘记了『基类与子类在继承时，属性的限制』：

public、protected、private 指定继承方式
不同的继承方式会影响基类成员在派生类中的访问权限。

1. public继承方式
   基类中所有 public 成员在派生类中为 public 属性；
   基类中所有 protected 成员在派生类中为 protected 属性；
   基类中所有 private 成员在派生类中不能使用。

2. protected继承方式
   基类中的所有 public 成员在派生类中为 protected 属性；
   基类中的所有 protected 成员在派生类中为 protected 属性；
   基类中的所有 private 成员在派生类中不能使用。

3. private继承方式
   基类中的所有 public 成员在派生类中均为 private 属性；
   基类中的所有 protected 成员在派生类中均为 private 属性；
   基类中的所有 private 成员在派生类中不能使用。

综上，我们可以得出结论：

• 基类成员在派生类中的访问权限不得高于继承方式中指定的权限；
• 不管继承方式如何，基类中的 private 成员在派生类中始终不能使用；
• 如果希望基类的成员能够被派生类继承并且毫无障碍地使用，那么这些成员只能声明为 public 或 protected；
• 如果希望基类的成员既不向外暴露（不能通过对象访问），还能在派生类中使用，那么只能声明为 protected；

我们用图来方便大家记忆：

inherience.png

2.2.2、模板（template）

说起模板可能大家有点生疏，但我换个词大家就能理解：函数重载！

何谓函数重载？
函数重载针对的是形参（即入参），可以有多个同名函数，但只要满足以下条件中的一个就行：

1. 函数的参数个数不同；
2. 函数的参数类型不同；
3. 函数的不同参数类型顺序不同；

例如我有如下方法：

//交换 int 变量的值
void swap(int *a, int *b){
    int temp = *a;
    *a = *b;
    *b = temp;
}

//交换 float 变量的值
void swap(float *a, float *b){
    float temp = *a;
    *a = *b;
    *b = temp;
}

如果用模板来实现如下：

template void Swap(T *a, T *b){
    T temp = *a;
    *a = *b;
    *b = temp;
}

template是声明模板关键字，typename是声明类型关键字（Java中泛型）；

2.3、类型区别

• struct 是值类型（可以简单类比为基本类型），因此，是值拷贝传递，数据的改变不会相互影响；
• class 是引用类型（可以理解为指针），也叫对象，因此，是引用传递（指针传递），数据的改为会相互影响；

最简单的理解：

• 内存地址是一致还是发生变化（struct 是值传递，所以是新的变量；而 class 是引用传递，内存地址不变）；
• 内存地址的引用计数是否发生变化（struct 没有引用计数；而 class 会随着引用传递计数不断增加）；

三、Swift 中的两者浅析

无论是 OC 还是 Swift，它们的底层都是 C++，所以，struct 与 class 在 C++ 层面的特性是不会发生变化的，我们主要讨论的是两者在 Swift 层面的相同点与不同点。

3.1、相同点

• 定义属性用于存储值
• 定义方法用于提供功能
• 定义下标操作用于通过下标语法访问它们的值
• 定义构造器（init）用于设置初始值
• 支持扩展（extension）以增加默认实现之外的功能
• 遵循协议（protocol）以提供某种标准功能

3.2、不同点

• 继承允许一个类继承另一个类的特征
• 类型转换允许在运行时检查和解释一个类实例的类型
• 析构器允许一个类实例释放任何其所被分配的资源
• 引用计数允许对一个类的多次引用

以上主要是针对 class 来说的，struct 是没有这些的。

四、总结

Swift 之所有增加了 struct，主要有以下几点考虑：

• 安全性：值拷贝传递，没有引用计数；
• 内存：没有引用也就不会因为循环引用导致内存泄漏；
• 速度：值类型是直接在栈上分配，而不是在堆上，所以比 class 要快很多；
• 拷贝：值类型是深拷贝，class 默认浅拷贝；
• 线程安全：自动线程安全的（无论哪个线程去访问都非常简单）；

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关于速度话题的延伸：

• “堆”和“栈”并不是数据结构上的Heap跟Stack，而是程序运行中的不同内存空间；
• 栈是程序启动的时候，系统事先分配的，使用过程中，系统不干预；
• 堆是用的时候才向系统申请的，用完了需要交还，这个申请和交还的过程开销相对就比较大了；
• 栈是编译时分配空间，而堆是动态分配（运行时分配空间），所以栈的速度快；

从两方面来考虑：

• 分配和释放：堆在分配和释放时都要调用函数（MALLOC,FREE)，比如分配时会到堆空间去寻找足够大小的空间（因为多次分配释放后会造成空洞），这些都会花费一定的时间，而栈却不需要这些；
• 访问时间：访问堆的一个具体单元，需要两次访问内存，第一次得取得指针，第二次才是真正得数据，而栈只需访问一次；

关于速度，这里有一个早期 stackoverflow 的帖子：
http://stackoverflow.com/a/24243626/596821

速度的测试用例（Github）：
https://github.com/knguyen2708/StructVsClassPerformance

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苹果官方也给出了两者如何选择使用：
https://developer.apple.com/documentation/swift/choosing_between_structures_and_classes

说白了就是：

• 不考虑应用的状态，也不存在对外的数据交互，就用 struct；
• 需要在多个地方修改 / 更新数据（共享数据），就用 class；
• 涉及到继承就用 class，没有就用 struct；
• 官方建议用 struct + protocol 来建模继承与共享；