理解Swift中Optional类型－有和无的哲学

原文连接：http://blog.barat.cc/ios/understanding-swift-optional/

###nil的遗憾

当某个变量或表达式没有任何内容时，在Objective-C中可以使用nil来表示。nil在Objective-C中是一个「野孩子」，void指针指向数字 0，本质上来讲nil就是一个数字。来看看下面的代码在Objective-C会出现什么情况：

int i = (int)(nil)+20; //可以这样吗？

nil可以用来做运算吗？编译器会报错？或者它可以运行？

因为nil指向数字 0，确切的说nil就是Int类型数据，所以上述的代码不仅可以通过编译，而且得到的结果是 20。显然，Objective-C编译器对nil的处理方式非常简单粗暴，直接将nil当作是数字对待了。这样做表面看起来平安无事，但在某些特定的情境下，却可能造成歧义。既然nil不能表示「纯粹无」，**的确需要表示「这个变量没有任何值」**该怎么办？看来，Objective-C对此是无解了。

###Optional基础概念

或许是因为上述例子中提到的问题，在某些特定的场景下的确需要表示「无」的存在，因此Swift中引入了Optional类型。

在深入讨论之前，先看看Optional是什么吧！

public enum Optional<Wrapped> : _Reflectable,NilLiteralConvertible {
  case None

  case Some(Wrapped)

  public init()

  public init(_ some: Wrapped)

  @warn_unused_result
  public func map<U>(@noescape f: (Wrapped) throws -> U) rethrows -> U?
   
  @warn_unused_result
  public func flatMap<U>(@noescape f: (Wrapped) throws -> U?) rethrows -> U?
    	
  public init(nilLiteral: ())
}

可以看到Swift中Optional其实是一个枚举类型，其中包含了None、Some两个值和应用某个规则并返回结果的map、flatMap两个方法，此外还有三个构造方法。我们可以使用上述的构造方法创造一个Optional类型的变量，但在实际开发过程中会更多的使用?表示一个变量是Optional类型。例如下面的示例：

var someNumber: Int?
var anotherNumber: Int = 100

var someStr: String?
var anotherStr: String = "Hello World"

使用问号?表示某个变量是Optional类型，如果没有显示赋值Swift会自动给Optional类型变量赋值nil。上述的代码中，声明了两个Int类型的变量，其中someNumber是Optional类型，而 anotherNumber是普通的Int类型并且值为 100 。我们可以把Optional类型想象成为一个容器，装东西用的盒子。someNumber所代表的盒子里面是空的，等着用户往里面装东西「当然，能装的东西已经规定好了，必须是Int类型」，而anotherNumber所代表的盒子里面已经装好了东西。如下图：

变量存在的意义在于：可以参与运算并完成一定的业务要求。接下来我们对上述示例代码中的变量进行一定的运算，再观察结果分析。假设，给someNumber、anotherNumber分别加上100并输出结果，那么代码如下：

var someNumber: Int?    //值为nil
var anotherNumber: Int = 100    //值为100

someNumber = someNumber + 100    //编译错误，不能对nil进行操作
anotherNumber = anotherNumber + 100    //正常

为什么会这样呢？按照在Objective-C中的理解看来：一个变量的值是nil，则指向数字0，是可以进行运算的「一开始的示例中我们正是这么做的」。显然，nil在Swift中已经不再是指向数字0的指针，而是真的指向「纯粹无」。既然当前这个变量的值是「纯粹无」，在它被初始化之前当然是不允许进行操作的。

变量someNumber盒子中没有任何值，所以不能进行运算，那么我们做如下的赋值再尝试：

var someNumber: Int?

someNumber = 100 //赋值
someNumber = someNumber + 100 //还是无法通过编译，不能对Optional直接操作

在Swift中对一个Optional类型的变量直接进行操作，是不允许的。这又是为什么呢？大家还记得吗？Optional是枚举类型，不经过任何转换直接和Int类型相加，当然是不允许的。那么，如果想要对Optional的值进行运算，要怎么办呢？

###Optional类型转换

在对一个Optional类型的变量进行操作之前，需要先将其转换成可操作的具体类型。你可以把它理解成：在吃掉盒子里面存放的苹果之前，需要先将苹果从盒子中取出来。这个过程可以使用符号!来完成。

var someNumber: Int?

someNumber = 100 //赋值
someNumber = someNumber! + 100  //将苹果从盒子中取出来，再加上100

但是在将苹果从盒子中取出来的时候，你却需要面对一个严肃的哲学问题：**盒子中确实有苹果吗？**如果上述代码中缺少赋值表达式someNumber = 100，那么这段代码虽然可以躲过编译器的检查，但却会在程序运行过程中出现异常，导致应用崩溃。所以，为了保证程序的健壮性，在吃掉苹果之前，应该判断盒子中是否真的存在苹果，大致如下所示：

var someNumber: Int?

// someNumber = 100
if(someNumber != nil) {
    someNumber = someNumber! + 100
} else {
    print("盒子中根本木有苹果")
}

上述代码安全了，可是每个Optional类型的变量在使用之前，都需要对其进行if-else判断显然是一件很麻烦的事情，而人类是最喜欢偷懒的群体，那该怎么办呢？

其中第一个办法，称之为if-let绑定，通过if-let的判断对其进行操作，大致如下：

let authorName: String? = "Barat Semet"
let authorAge: Int? = 30

if let name: String = authorName,age: Int = authorAge {
        print("本文作者 (name) 今年 (age) 岁了")
} else {
    print("作者名称or年龄未指定")
}

另外一种方法称之为nil合并，使用两个??符号连接在一起表示：如果存在值则获取当前值，如果不存在则获取给定的默认值，大致代码如下：

var someNumber: Int? 

var number: Int = someNumber ?? 0 //若someNumber不为nil则获取其值，若为nil则获取0

上述打代码大致等价于：

var someNumber: Int?
var number: Int

if let unwrapped:Int = someNumber {
    number = unwrapped
} else {
    number = 0
}

###swift-case和guard

我们已经看到了在处理Optional时如何使用if-else、if-let语法判断其值，此外Swift还提供了switch-case和guard语法，使我们的操作更加便捷。

使用switch-case结构对Optional的值进行匹配时，需要给每个case分之跟着的表达式加上?符号即可。如果对其中的某部分的值不关心，也可以使用Some和None来简单处理，如下代码所示：

var changshaProgrammer: Double? = 10000000 //长沙市序猿总数

switch changshaProgrammer {
    case 0?: print("长沙市木有程序猿类")
    case (1..<1000)?: print("长沙市程序猿类竟然不到1000人")
    case .Some(let x): print("长沙市有 (x)程序猿类")
    case .None: print("我们不知道长沙市有多少程序猿类")
}

除了上述这种方式之外，我们也可以使用guard语法做如下判断：

func sayProgrammerCount(count: Double) -> String {
    guard let pop: Double = count else {
        return "我们不知道长沙有多少程序猿类"
    }
    return "长沙有程序猿类 (pop) 人"
}

print(sayProgrammerCount(1000000))

###最后的总结

和Objective-C不同，在Swift代码中我们拿到某个表达式返回的Optional值时，如果非常确定该表达式的结果不会是nil则可以使用!将其强制转换为我们需要的结果。否则，在我们不确定的情况，一定要使用if-else、if-let、swait-case、guard之中的一种对Optional返回的结果进行判断后再处理。

###参考

1. Understanding Optionals in Swift
2. A Beginner’s Guide to Optionals in Swift
3. The Swift Programming Language (Swift 2.1) The Basics
4. The Swift Programming Language (Swift 2.1) Optional Chaining

（编辑：李大同）

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