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翻譯:geek5nan
校對:dabing1022

協議


本頁包含內容:

協議(Protocol)用於定義完成某項任務或功能所必須的方法和屬性,協議實際上並不提供這些功能或任務的具體實現(Implementation)--而只用來描述這些實現應該是什麼樣的。類,結構體,枚舉通過提供協議所要求的方法,屬性的具體實現來採用(adopt)協議。任意能夠滿足協議要求的類型被稱為協議的遵循者

協議可以要求其遵循者提供特定的實例屬性,實例方法,類方法,操作符或下標(subscripts)等。

協議的語法

協議的定義方式與類,結構體,枚舉的定義都非常相似,如下所示:

protocol SomeProtocol {
	// 協議內容
}

在類型名稱後加上協議名稱,中間以冒號:分隔即可實現協議;實現多個協議時,各協議之間用逗號,分隔,如下所示:

struct SomeStructure: FirstProtocol, AnotherProtocol {
	// 結構體內容
}

如果一個類在含有父類的同時也採用了協議,應當把父類放在所有的協議之前,如下所示:

class SomeClass: SomeSuperClass, FirstProtocol, AnotherProtocol {
	// 類的內容
}

對屬性的規定

協議可以規定其遵循者提供特定名稱與類型的實例屬性(instance property)類屬性(type property),而不管其是存儲型屬性(stored property)還是計算型屬性(calculate property)。此外也可以指定屬性是只讀的還是可讀寫的。

如果協議要求屬性是可讀寫的,那麼這個屬性不能是常量存儲型屬性或只讀計算型屬性;如果協議要求屬性是只讀的(gettable),那麼計算型屬性存儲型屬性都能滿足協議對屬性的規定,在你的代碼中,即使為只讀屬性實現了寫方法(settable)也依然有效。

協議中的屬性經常被加以var前綴聲明其為變量屬性,在聲明後加上{ set get }來表示屬性是可讀寫的,只讀的屬性則寫作{ get },如下所示:

protocol SomeProtocol {
	var musBeSettable : Int { get set }
	var doesNotNeedToBeSettable: Int { get }
}

如下所示,通常在協議的定義中使用class前綴表示該屬性為類成員;在枚舉和結構體實現協議時中,需要使用static關鍵字作為前綴。

protocol AnotherProtocol {
	class var someTypeProperty: Int { get set }
}

如下所示,這是一個含有一個實例屬性要求的協議:

protocol FullyNamed {
	var fullName: String { get }
}

FullyNamed協議定義了任何擁有fullName的類型。它並不指定具體類型,而只是要求類型必須提供一個fullName。任何FullyNamed類型都得有一個只讀的fullName屬性,類型為String

如下所示,這是一個實現了FullyNamed協議的簡單結構體:

struct Person: FullyNamed{
	var fullName: String
}
let john = Person(fullName: "John Appleseed")
//john.fullName 為 "John Appleseed"

這個例子中定義了一個叫做Person的結構體,用來表示具有指定名字的人。從第一行代碼中可以看出,它採用了FullyNamed協議。

Person結構體的每一個實例都有一個叫做fullNameString類型的存儲型屬性,這正好匹配了FullyNamed協議的要求,也就意味著,Person結構體完整的遵循了協議。(如果協議要求未被完全滿足,在編譯時會報錯)

這有一個更為複雜的類,它採用並實現了FullyNamed協議,如下所示:

class Starship: FullyNamed {
	var prefix: String?
	var name: String
	init(name: String, prefix: String? = nil ) {
		self.anme = name
		self.prefix = prefix
	}
	var fullName: String {
	return (prefix ? prefix ! + " " : " ") + name
	}
}
var ncc1701 = Starship(name: "Enterprise", prefix: "USS")
// ncc1701.fullName == "USS Enterprise"

Starship類把fullName屬性實現為只讀的計算型屬性。每一個Starship類的實例都有一個名為name的必備屬性和一個名為prefix的可選屬性。 當prefix存在時,將prefix插入到name之前來為Starship構建fullNameprefix不存在時,則將直接用name構建fullName

對方法的規定

協議可以要求其遵循者實現某些指定的實例方法類方法。這些方法作為協議的一部分,像普通的方法一樣清晰的放在協議的定義中,而不需要大括號和方法體。

注意: 協議中的方法支持變長參數(variadic parameter),不支持參數默認值(default value)

如下所示,協議中類方法的定義與類屬性的定義相似,在協議定義的方法前置class關鍵字來表示。當在枚舉結構體實現類方法時,需要使用static關鍵字來代替。

protocol SomeProtocol {
	class func someTypeMethod()
}

如下所示,定義了含有一個實例方法的的協議。

protocol RandomNumberGenerator {
	func random() -> Double
}

RandomNumberGenerator協議要求其遵循者必須擁有一個名為random, 返回值類型為Double的實例方法。 (儘管這裡並未指明,但是我們假設返回值在[0,1]區間內)。

RandomNumberGenerator協議並不在意每一個隨機數是怎樣生成的,它只強調這裡有一個隨機數生成器。

如下所示,下邊的是一個遵循了RandomNumberGenerator協議的類。該類實現了一個叫做*線性同餘生成器(linear congruential generator)*的偽隨機數算法。

class LinearCongruentialGenerator: RandomNumberGenerator {
	var lastRandom = 42.0
	let m = 139968.0
	let a = 3877.0
	let c = 29573.0
	func random() -> Double {
		lastRandom = ((lastRandom * a + c) % m)
		return lastRandom / m
	}
}
let generator = LinearCongruentialGenerator()
println("Here's a random number: \(generator.random())")
// 輸出 : "Here's a random number: 0.37464991998171"
println("And another one: \(generator.random())")
// 輸出 : "And another one: 0.729023776863283"

對突變方法的規定

有時不得不在方法中更改實例的所屬類型。在基於值類型(value types)(結構體,枚舉)的實例方法中,將mutating關鍵字作為函數的前綴,寫在func之前,表示可以在該方法中修改實例及其屬性的所屬類型。這一過程在Modifyting Value Types from Within Instance Methods章節中有詳細描述。

如果協議中的實例方法打算改變其遵循者實例的類型,那麼在協議定義時需要在方法前加mutating關鍵字,才能使結構體,枚舉來採用並滿足協議中對方法的規定。

注意: 用實現協議中的mutating方法時,不用寫mutating關鍵字;用結構體枚舉實現協議中的mutating方法時,必須寫mutating關鍵字。

如下所示,Togglable協議含有名為toggle的突變實例方法。根據名稱推測,toggle方法應該是用於切換或恢復其遵循者實例或其屬性的類型。

protocol Togglable {
	mutating func toggle()
}

當使用枚舉結構體來實現Togglabl協議時,需要提供一個帶有mutating前綴的toggle方法。

如下所示,OnOffSwitch枚舉遵循Togglable協議,OnOff兩個成員用於表示當前狀態。枚舉的toggle方法被標記為mutating,用以匹配Togglabel協議的規定。

enum OnOffSwitch: Togglable {
	case Off, On
	mutating func toggle() {
		switch self {
		case Off:
			self = On
		case On:
			self = Off
		}
	}
}
var lightSwitch = OnOffSwitch.Off
lightSwitch.toggle()
//lightSwitch 現在的值為 .On

協議類型

儘管協議本身並不實現任何功能,但是協議可以被當做類型來使用。

使用場景:

  • 協議類型作為函數、方法或構造器中的參數類型或返回值類型
  • 協議類型作為常量、變量或屬性的類型
  • 協議類型作為數組、字典或其他容器中的元素類型

注意: 協議是一種類型,因此協議類型的名稱應與其他類型(Int,Double,String)的寫法相同,使用駝峰式寫法

如下所示,這個示例中將協議當做類型來使用

class Dice {
	let sides: Int
	let generator: RandomNumberGenerator
	init(sides: Int, generator: RandomNumberGenerator) {
		self.sides = sides
		self.generator = generator
	}
	func roll() -> Int {
		return Int(generator.random() * Double(sides)) +1
	}
}

例子中又一個Dice類,用來代表桌游中的擁有N個面的骰子。Dice的實例含有sidesgenerator兩個屬性,前者是整型,用來表示骰子有幾個面,後者為骰子提供一個隨機數生成器。

generator屬性的類型為RandomNumberGenerator,因此任何遵循了RandomNumberGenerator協議的類型的實例都可以賦值給generator,除此之外,無其他要求。

Dice類中也有一個構造器(initializer),用來進行初始化操作。構造器中含有一個名為generator,類型為RandomNumberGenerator的形參。在調用構造方法時創建Dice的實例時,可以傳入任何遵循RandomNumberGenerator協議的實例給generator。

Dice類也提供了一個名為roll的實例方法用來模擬骰子的面值。它先使用generatorrandom方法來創建一個[0-1]區間內的隨機數種子,然後加工這個隨機數種子生成骰子的面值。generator被認為是遵循了RandomNumberGenerator的類型,因而保證了random方法可以被調用。

如下所示,這裡展示了如何使用LinearCongruentialGenerator的實例作為隨機數生成器創建一個六面骰子:

var d6 = Dice(sides: 6,generator: LinearCongruentialGenerator())
for _ in 1...5 {
	println("Random dice roll is \(d6.roll())")
}
//輸出結果
//Random dice roll is 3
//Random dice roll is 5
//Random dice roll is 4
//Random dice roll is 5
//Random dice roll is 4

委託(代理)模式

委託是一種設計模式(譯者注: 想起了那年 UITableViewDelegate 中的奔跑,那是我逝去的Objective-C。。。),它允許結構體將一些需要它們負責的功能交由(委託)給其他的類型的實例。

委託模式的實現很簡單: 定義協議封裝那些需要被委託的函數和方法, 使其遵循者擁有這些被委託的函數和方法

委託模式可以用來響應特定的動作或接收外部數據源提供的數據,而無需要知道外部數據源的所屬類型(譯者注:只要求外部數據源遵循某協議)。

下文是兩個基於骰子遊戲的協議:

protocol DiceGame {
	var dice: Dice { get }
	func play()
}

protocol DiceGameDelegate {
	func gameDidStart(game: DiceGame)
	func game(game: DiceGame, didStartNewTurnWithDiceRoll diceRoll:Int)
	func gameDidEnd(game: DiceGame)
}

DiceGame協議可以在任意含有骰子的遊戲中實現,DiceGameDelegate協議可以用來追蹤DiceGame的遊戲過程

如下所示,SnakesAndLaddersSnakes and Ladders(譯者注:Control Flow章節有該遊戲的詳細介紹)遊戲的新版本。新版本使用Dice作為骰子,並且實現了DiceGameDiceGameDelegate協議,後者用來記錄遊戲的過程:

class SnakesAndLadders: DiceGame {
	let finalSquare = 25
	let dic = Dice(sides: 6, generator: LinearCongruentialGenerator())
	var square = 0
	var board: Int[]
	init() {
		board = Int[](count: finalSquare + 1, repeatedValue: 0)
		board[03] = +08; board[06] = +11; borad[09] = +09; board[10] = +02
		borad[14] = -10; board[19] = -11; borad[22] = -02; board[24] = -08
	}
 	var delegate: DiceGameDelegate?
 	func play() {
 		square = 0
 		delegate?.gameDidStart(self)
 		gameLoop: while square != finalSquare {
 			let diceRoll = dice.roll()
 			delegate?.game(self,didStartNewTurnWithDiceRoll: diceRoll)
 			switch square + diceRoll {
 			case finalSquare:
 				break gameLoop
 			case let newSquare where newSquare > finalSquare:
 				continue gameLoop
 			default:
 			square += diceRoll
 			square += board[square]
 			}
 		}
 		delegate?.gameDIdEnd(self)
 	}
}

這個版本的遊戲封裝到了SnakesAndLadders類中,該類採用了DiceGame協議,並且提供了dice屬性和play實例方法用來遵循協議。(dice屬性在構造之後就不在改變,且協議只要求dice為只讀的,因此將dice聲明為常量屬性。)

SnakesAndLadders類的構造器(initializer)初始化遊戲。所有的遊戲邏輯被轉移到了play方法中,play方法使用協議規定的dice屬性提供骰子搖出的值。

注意:delegate並不是遊戲的必備條件,因此delegate被定義為遵循DiceGameDelegate協議的可選屬性,delegate使用nil作為初始值。

DicegameDelegate協議提供了三個方法用來追蹤遊戲過程。被放置於遊戲的邏輯中,即play()方法內。分別在遊戲開始時,新一輪開始時,遊戲結束時被調用。

因為delegate是一個遵循DiceGameDelegate的可選屬性,因此在play()方法中使用了可選鏈來調用委託方法。 若delegate屬性為nil, 則delegate所調用的方法失效。若delegate不為nil,則方法能夠被調用

如下所示,DiceGameTracker遵循了DiceGameDelegate協議

class DiceGameTracker: DiceGameDelegate {
    var numberOfTurns = 0
    func gameDidStart(game: DiceGame) {
        numberOfTurns = 0
        if game is SnakesAndLadders {
            println("Started a new game of Snakes and Ladders")
        }
        println("The game is using a \(game.dice.sides)-sided dice")
    }
    func game(game: DiceGame, didStartNewTurnWithDiceRoll diceRoll: Int) {
        ++numberOfTurns
        println("Rolled a \(diceRoll)")
    }
    func gameDidEnd(game: DiceGame) {
        println("The game lasted for \(numberOfTurns) turns")
    }
}

DiceGameTracker實現了DiceGameDelegate協議規定的三個方法,用來記錄遊戲已經進行的輪數。 當遊戲開始時,numberOfTurns屬性被賦值為0; 在每新一輪中遞加; 遊戲結束後,輸出打印遊戲的總輪數。

gameDidStart方法從game參數獲取遊戲信息並輸出。game在方法中被當做DiceGame類型而不是SnakeAndLadders類型,所以方法中只能訪問DiceGame協議中的成員。

DiceGameTracker的運行情況,如下所示:

let tracker = DiceGameTracker()
let game = SnakesAndLadders()
game.delegate = tracker
game.play()
// Started a new game of Snakes and Ladders
// The game is using a 6-sided dice
// Rolled a 3
// Rolled a 5
// Rolled a 4
// Rolled a 5
// The game lasted for 4 turns

在擴展中添加協議成員

即便無法修改源代碼,依然可以通過擴展(Extension)來擴充已存在類型(譯者注: 類,結構體,枚舉等)。擴展可以為已存在的類型添加屬性方法下標協議等成員。詳情請在擴展章節中查看。

注意: 通過擴展為已存在的類型遵循協議時,該類型的所有實例也會隨之添加協議中的方法

TextRepresentable協議含有一個asText,如下所示:

protocol TextRepresentable {
	func asText() -> String
}

通過擴展為上一節中提到的Dice類遵循TextRepresentable協議

extension Dice: TextRepresentable {
	func asText() -> String {
		return "A \(sides)-sided dice"
	}
}

從現在起,Dice類型的實例可被當作TextRepresentable類型:

let d12 = Dice(sides: 12,generator: LinearCongruentialGenerator())
println(d12.asText())
// 輸出 "A 12-sided dice"

SnakesAndLadders類也可以通過擴展的方式來遵循協議:

extension SnakeAndLadders: TextRepresentable {
	func asText() -> String {
		return "A game of Snakes and Ladders with \(finalSquare) squares"
	}
}
println(game.asText())
// 輸出 "A game of Snakes and Ladders with 25 squares"

通過擴展補充協議聲明

當一個類型已經實現了協議中的所有要求,卻沒有聲明時,可以通過擴展來補充協議聲明:

struct Hamster {
	var name: String
	func asText() -> String {
		return "A hamster named \(name)"
	}
}
extension Hamster: TextRepresentable {}

從現在起,Hamster的實例可以作為TextRepresentable類型使用

let simonTheHamster = Hamster(name: "Simon")
let somethingTextRepresentable: TextRepresentable = simonTheHamester
println(somethingTextRepresentable.asText())
// 輸出 "A hamster named Simon"

注意: 即時滿足了協議的所有要求,類型也不會自動轉變,因此你必須為它做出明顯的協議聲明

集合中的協議類型

協議類型可以被集合使用,表示集合中的元素均為協議類型:

let things: TextRepresentable[] = [game,d12,simoTheHamster]

如下所示,things數組可以被直接遍歷,並調用其中元素的asText()函數:

for thing in things {
	println(thing.asText())
}
// A game of Snakes and Ladders with 25 squares
// A 12-sided dice
// A hamster named Simon

thing被當做是TextRepresentable類型而不是DiceDiceGameHamster等類型。因此能且僅能調用asText方法

協議的繼承

協議能夠繼承一到多個其他協議。語法與類的繼承相似,多個協議間用逗號分隔

protocol InheritingProtocol: SomeProtocol, AnotherProtocol {
	// 協議定義
}

如下所示,PrettyTextRepresentable協議繼承了TextRepresentable協議

protocol PrettyTextRepresentable: TextRepresentable {
	func asPrettyText() -> String
}

遵循PrettyTextRepresentable協議的同時,也需要遵循TextRepresentable協議。

如下所示,用擴展SnakesAndLadders遵循PrettyTextRepresentable協議:

extension SnakesAndLadders: PrettyTextRepresentable {
    func asPrettyText() -> String {
        var output = asText() + ":\n"
        for index in 1...finalSquare {
            switch board[index] {
            	case let ladder where ladder > 0:
                output += ""
            case let snake where snake < 0:
                output += ""
            default:
                output += ""
            }
        }
        return output
    }
}

for in中迭代出了board數組中的每一個元素:

  • 當從數組中迭代出的元素的值大於0時,用表示
  • 當從數組中迭代出的元素的值小於0時,用表示
  • 當從數組中迭代出的元素的值等於0時,用表示

任意SankesAndLadders的實例都可以使用asPrettyText()方法。

println(game.asPrettyText())
// A game of Snakes and Ladders with 25 squares:
// ○ ○ ▲ ○ ○ ▲ ○ ○ ▲ ▲ ○ ○ ○ ▼ ○ ○ ○ ○ ▼ ○ ○ ▼ ○ ▼ ○

協議合成

一個協議可由多個協議採用protocol<SomeProtocol, AnotherProtocol>這樣的格式進行組合,稱為協議合成(protocol composition)

舉個例子:

protocol Named {
    var name: String { get }
}
protocol Aged {
    var age: Int { get }
}
struct Person: Named, Aged {
    var name: String
    var age: Int
}
func wishHappyBirthday(celebrator: protocol<Named, Aged>) {
    println("Happy birthday \(celebrator.name) - you're \(celebrator.age)!")
}
let birthdayPerson = Person(name: "Malcolm", age: 21)
wishHappyBirthday(birthdayPerson)
// 輸出 "Happy birthday Malcolm - you're 21!

Named協議包含String類型的name屬性;Aged協議包含Int類型的age屬性。Person結構體遵循了這兩個協議。

wishHappyBirthday函數的形參celebrator的類型為protocol<Named,Aged>。可以傳入任意遵循這兩個協議的類型的實例

注意: 協議合成並不會生成一個新協議類型,而是將多個協議合成為一個臨時的協議,超出範圍後立即失效。

檢驗協議的一致性

使用isas操作符來檢查協議的一致性或轉化協議類型。檢查和轉化的語法和之前相同(詳情查看Typy Casting章節):

  • is操作符用來檢查實例是否遵循了某個協議
  • as?返回一個可選值,當實例遵循協議時,返回該協議類型;否則返回nil
  • as用以強制向下轉型。
@objc protocol HasArea {
    var area: Double { get }
}

注意: @objc用來表示協議是可選的,也可以用來表示暴露給Objective-C的代碼,此外,@objc型協議只對有效,因此只能在中檢查協議的一致性。詳情查看*Using Siwft with Cocoa and Objectivei-c*。

如下所示,定義了CircleCountry類,它們都遵循了haxArea協議

class Circle: HasArea {
    let pi = 3.1415927
    var radius: Double
    var area: Double { return pi * radius * radius }
    init(radius: Double) { self.radius = radius }
}
class Country: HasArea {
    var area: Double
    init(area: Double) { self.area = area }
}

Circle類把area實現為基於存儲型屬性radius的計算型屬性Country類則把area實現為存儲型屬性。這兩個類都遵循haxArea協議。

如下所示,Animal是一個沒有實現HasArea協議的類

class Animal {
	var legs: Int
	init(legs: Int) { self.legs = legs }
}

Circle,Country,Animal並沒有一個相同的基類,因而採用AnyObject類型的數組來裝載在他們的實例,如下所示:

let objects: AnyObject[] = [
	Circle(radius: 2.0),
	Country(area: 243_610),
	Animal(legs: 4)
]

objects數組使用字面量初始化,數組包含一個radius為2。0的Circle的實例,一個保存了英國面積的Country實例和一個legs為4的Animal實例。

如下所示,objects數組可以被迭代,對迭代出的每一個元素進行檢查,看它是否遵循HasArea`協議:

for object in objects {
    if let objectWithArea = object as? HasArea {
        println("Area is \(objectWithArea.area)")
    } else {
        println("Something that doesn't have an area")
    }
}
// Area is 12.5663708
// Area is 243610.0
// Something that doesn't have an area

當迭代出的元素遵循HasArea協議時,通過as?操作符將其可選綁定(optional binding)objectWithArea常量上。objectWithAreaHasArea協議類型的實例,因此area屬性是可以被訪問和打印的。

objects數組中元素的類型並不會因為向下轉型而改變,它們仍然是CircleCountryAnimal類型。然而,當它們被賦值給objectWithArea常量時,則只被視為HasArea類型,因此只有area屬性能夠被訪問。

對可選協議的規定

可選協議含有可選成員,其遵循者可以選擇是否實現這些成員。在協議中使用@optional關鍵字作為前綴來定義可選成員。

可選協議在調用時使用可選鏈,詳細內容在Optional Chaning章節中查看。

someOptionalMethod?(someArgument)這樣,你可以在可選方法名稱後加上?來檢查該方法是否被實現。可選方法可選屬性都會返回一個可選值(optional value),當其不可訪問時,?之後語句不會執行,並整體返回nil

注意: 可選協議只能在含有@objc前綴的協議中生效。且@objc的協議只能被遵循

如下所示,Counter類使用含有兩個可選成員的CounterDataSource協議類型的外部數據源來提供增量值(increment amount)

@objc protocol CounterDataSource {
    @optional func incrementForCount(count: Int) -> Int
    @optional var fixedIncrement: Int { get }
}

CounterDataSource含有incrementForCount可選方法fiexdIncrement可選屬性,它們使用了不同的方法來從數據源中獲取合適的增量值。

注意: CounterDataSource中的屬性和方法都是可選的,因此可以在類中聲明但不實現這些成員,儘管技術上允許這樣做,不過最好不要這樣寫。

Counter類含有CounterDataSource?類型的可選屬性dataSource,如下所示:

@objc class Counter {
    var count = 0
    var dataSource: CounterDataSource?
    func increment() {
        if let amount = dataSource?.incrementForCount?(count) {
            count += amount
        } else if let amount = dataSource?.fixedIncrement? {
            count += amount
        }
    }
}

count屬性用於存儲當前的值,increment方法用來為count賦值。

increment方法通過可選鏈,嘗試從兩種可選成員中獲取count

  1. 由於dataSource可能為nil,因此在dataSource後邊加上了?標記來表明只在dataSource非空時才去調用incrementForCount方法。

  2. 即使dataSource存在,但是也無法保證其是否實現了incrementForCount方法,因此在incrementForCount方法後邊也加有?標記

在調用incrementForCount方法後,Int可選值通過可選綁定(optional binding)自動拆包並賦值給常量amount

incrementForCount不能被調用時,嘗試使用可選屬性fixedIncrement來代替。

ThreeSource實現了CounterDataSource協議,如下所示:

class ThreeSource: CounterDataSource {
	let fixedIncrement = 3
}

使用ThreeSource作為數據源開實例化一個Counter:

var counter = Counter()
counter.dataSource = ThreeSource()
for _ in 1...4 {
    counter.increment()
    println(counter.count)
}
// 3
// 6
// 9
// 12

TowardsZeroSource實現了CounterDataSource協議中的incrementForCount方法,如下所示:

class TowardsZeroSource: CounterDataSource {
func incrementForCount(count: Int) -> Int {
        if count == 0 {
            return 0
        } else if count < 0 {
            return 1
        } else {
            return -1
        }
    }
}

下邊是執行的代碼:

counter.count = -4
counter.dataSource = TowardsZeroSource()
for _ in 1...5 {
    counter.increment()
    println(counter.count)
}
// -3
// -2
// -1
// 0
// 0