30、Swift 中的运算符重载与下标重载

于 2025-11-15 11:41:07 发布
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分类专栏： Swift编程实战精要 文章标签： Swift 运算符重载 下标重载
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Swift 中的运算符重载与下标重载

1. 复数运算的运算符重载

在 Swift 中，对复数进行加法操作不会修改原始的复数对象，因为 Complex 是值类型，操作的是参数的副本。同时，也为复数的减法和乘法提供了类似的运算符函数。

1.1 软件工程观察

在进行运算符重载时，有以下几个重要的软件工程观察点：
- 避免非直观的运算符使用 ：程序员期望二元加法运算符 + 执行加法（如 Swift 的数值类型）或拼接（如字符串）操作。当重载常用运算符时，应使其对自定义类型的对象执行与其他类型对象相同或相似的任务。
- 算术运算符重载不自动重载赋值运算符 ：重载算术运算符（如 * ）不会自动重载相应的赋值运算符（如 *= ）。

1.2 重载加法赋值运算符 +=

Fig. 12.2 中重载的加法 + 、减法 - 和乘法 * 运算符不会修改其复数操作数。可以通过重载 += 加法赋值运算符来简化代码。示例代码如下： 

// 重载 += 运算符
func +=(inout left: Complex, right: Complex) {
    left = left + right
}

赋值运算符的左操作数必须声明为 inout 参数，以便函数可以用计算结果替换左操作数的值。

1.3 软件工程观察与错误预防

  • 赋值运算符不返回值 ：与许多基于 C 的编程语言不同，Swift 的赋值运算符不返回值，因此重载的赋值运算符函数不需要指定返回类型。
  • 避免意外使用 = 代替 == ：由于赋值运算符不返回值，因此在条件语句中不会意外使用 = 代替 == 。
  • 重载赋值运算符时左操作数的处理 ：重载赋值运算符时，重载运算符函数的第一个参数表示赋值运算符的左操作数，该参数必须声明为 inout ，以便重载运算符函数可以修改左操作数。

1.4 复数运算示例

以下是一个演示复数运算符 + 、 - 和 * 重载的程序： 

// Fig. 12.3: main.swift (ComplexNumbers.xcodeproj)
// Overloading operators for complex numbers.

// create two Complex numbers
var x = Complex(real: 2.1, imaginary: 4.2)
var y = Complex(real: 5.2, imaginary: -1.1)

println("Complex x: \(x)")
println("Complex y: \(y)\n")

println("CALCULATION RESULTS")
println("\(x) + \(y) = \(x + y)")
println("\(x) - \(y) = \(x - y)")
println("\(x) * \(y) = \(x * y)")

println("ADDITION ASSIGNMENT OPERATOR")
x += y
println("After x += y, x = \(x)")

运行结果如下： 

Complex x: (2.1 + 4.2i)
Complex y: (5.2 - 1.1i)
CALCULATION RESULTS
(2.1 + 4.2i) + (5.2 - 1.1i) = (7.3 + 3.1i)
(2.1 + 4.2i) - (5.2 - 1.1i) = (-3.1 + 5.3i)
(2.1 + 4.2i) * (5.2 - 1.1i) = (15.5 + 19.5i)
ADDITION ASSIGNMENT OPERATOR
After x += y, x = (7.3 + 3.1i)

在这个示例中，使用重载的运算符进行复数的加、减和乘运算，并输出结果。

2. 为 NSDecimalNumber 类重载算术运算符

不仅可以为 Swift 类型重载运算符，还可以为现有的 Cocoa 和 Cocoa Touch 类（或第三方库中的类型）重载运算符。

2.1 复利计算示例

Fig. 12.4 展示了一个更新后的复利计算示例，使用重载的乘法 * 和加法 + 运算符来进行复利计算，使代码更加自然和简洁。示例代码如下： 

// Fig. 12.4: CompoundInterest.playground
// Overloading operators for NSDecimalNumber
import Foundation

// format a String right aligned in a field
func rightAlignedString(string: String, fieldWidth: Int) -> String {
    let spaces: Int = fieldWidth - countElements(string)
    let padding = String(count: spaces, repeatedValue: Character(" "))
    return padding + string
}

// overloaded * operator to multiply NSDecimalNumbers
func *(left: NSDecimalNumber, right: NSDecimalNumber) -> NSDecimalNumber {
    return left.decimalNumberByMultiplyingBy(right)
}

// overloaded + operator to add NSDecimalNumbers
func +(left: NSDecimalNumber, right: NSDecimalNumber) -> NSDecimalNumber {
    return left.decimalNumberByAdding(right)
}

var amount = NSDecimalNumber(string: "1000.00") // amount before interest
let rate = NSDecimalNumber(string: "0.05") // interest rate

// display headers
println(String(format: "%@%@", "Year", rightAlignedString("Amount on deposit", 20)))

// calculate amount on deposit for each of ten years
for year in 1...5 {
    // calculate new amount for specified year using overloaded operators
    amount = amount * (rate + NSDecimalNumber.one())

    let formattedAmount = NSNumberFormatter.localizedStringFromNumber(
        amount, numberStyle: .CurrencyStyle)

    // display the year and the amount
    println(String(format: "%4d%@", year, rightAlignedString(formattedAmount, 20)))
}

运行结果如下： 

Year    Amount on deposit
   1            $1,050.00
   2            $1,102.50
   3            $1,157.62
   4            $1,215.51
   5            $1,276.28

2.2 重载乘法运算符 * 

func *(left: NSDecimalNumber, right: NSDecimalNumber) -> NSDecimalNumber {
    return left.decimalNumberByMultiplyingBy(right)
}

该函数接收两个 NSDecimalNumber 类型的操作数，并返回它们相乘的结果。

2.3 重载加法运算符 + 

func +(left: NSDecimalNumber, right: NSDecimalNumber) -> NSDecimalNumber {
    return left.decimalNumberByAdding(right)
}

该函数接收两个 NSDecimalNumber 类型的操作数，并返回它们相加的结果。

2.4 使用重载运算符

使用重载的 * 和 + 运算符可以简化复利计算的代码： 

amount = amount * (rate + NSDecimalNumber.one())

相比于未使用重载运算符的代码，更加简洁易读。

2.5 重载乘法赋值运算符 *=

可以进一步重载 *= 乘法赋值运算符来简化代码： 

func *=(inout left: NSDecimalNumber, right: NSDecimalNumber) {
    left = left * right
}

使用 *= 运算符后，代码可以简化为： 

amount *= rate + NSDecimalNumber.one()

3. 重载一元运算符 ++ 和 --

在本节中，将为 NSDecimalNumber 重载一元运算符 ++ 和 -- 。

3.1 示例代码 

// Fig. 12.5: PrefixAndPostfix.playground
// Overloading ++ and -- operators for NSDecimalNumber
import Foundation

// make NSDecimalNumbers Printable for use in string interpolation
extension NSDecimalNumber : Printable {}

// add 1 to an NSDecimalNumber and return the new value
prefix func ++(inout number: NSDecimalNumber) -> NSDecimalNumber {
    number = number.decimalNumberByAdding(NSDecimalNumber.one())
    return number
}

// add 1 to an NSDecimalNumber and return the old value
postfix func ++(inout number: NSDecimalNumber) -> NSDecimalNumber {
    let temp =  number.copy() as NSDecimalNumber
    number = number.decimalNumberByAdding(NSDecimalNumber.one())
    return temp
}

// subtract 1 from an NSDecimalNumber and return the new value
prefix func --(inout number: NSDecimalNumber) -> NSDecimalNumber {
    number = number.decimalNumberBySubtracting(NSDecimalNumber.one())
    return number
}

// subtract 1 from an NSDecimalNumber and return the old value
postfix func --(inout number: NSDecimalNumber) -> NSDecimalNumber {
    let temp = number.copy() as NSDecimalNumber
    number = number.decimalNumberBySubtracting(NSDecimalNumber.one())
    return temp
}

// demonstrate postfix increment operator
var decimalValue = NSDecimalNumber(string: "5.5")
println("decimalValue before postincrement: \(decimalValue)") // 5.5
println("postincrementing decimalValue: \(decimalValue++)") // 5.5
println("decimalValue after postincrement: \(decimalValue)\n") // 6.5

// demonstrate prefix increment operator
println("decimalValue before preincrement: \(decimalValue)") // 6.5
println("preincrementing decimalValue: \(++decimalValue)") // 7.5
println("decimalValue after preincrement: \(decimalValue)\n") // 7.5

// demonstrate postfix decrement operator
println("decimalValue before postdecrement: \(decimalValue)") // 7.5
println("postdecrementing decimalValue: \(decimalValue--)") // 7.5
println("decimalValue after postdecrement: \(decimalValue)\n") // 6.5

// demonstrate prefix decrement operator
println("decimalValue before predecrement: \(decimalValue)") // 6.5
println("predecrementing decimalValue: \(--decimalValue)") // 5.5
println("decimalValue after predecrement: \(decimalValue)") // 5.5

3.2 重载前缀一元运算符

  • 重载 ++ 前缀运算符 ： 
prefix func ++(inout number: NSDecimalNumber) -> NSDecimalNumber {
    number = number.decimalNumberByAdding(NSDecimalNumber.one())
    return number
}

该函数将操作数加 1 并返回新值。
- 重载 -- 前缀运算符 ： 

prefix func --(inout number: NSDecimalNumber) -> NSDecimalNumber {
    number = number.decimalNumberBySubtracting(NSDecimalNumber.one())
    return number
}

该函数将操作数减 1 并返回新值。

3.3 重载后缀一元运算符

  • 重载 ++ 后缀运算符 ： 
postfix func ++(inout number: NSDecimalNumber) -> NSDecimalNumber {
    let temp =  number.copy() as NSDecimalNumber
    number = number.decimalNumberByAdding(NSDecimalNumber.one())
    return temp
}

该函数将操作数加 1 并返回旧值。
- 重载 -- 后缀运算符 ： 

postfix func --(inout number: NSDecimalNumber) -> NSDecimalNumber {
    let temp = number.copy() as NSDecimalNumber
    number = number.decimalNumberBySubtracting(NSDecimalNumber.one())
    return temp
}

该函数将操作数减 1 并返回旧值。

3.4 Swift 的 AnyObject 类型

在 Swift 中， NSObject 的 copy 方法返回一个 NSObject ，当从 Foundation 类方法返回 NSObject 到 Swift 程序时，Swift 运行时将其视为 AnyObject 。为了在 Swift 代码中使用 AnyObject ，需要将其转换为适当的类型。例如，在重载 ++ 和 -- 运算符时，使用 as 强制类型转换将 copy 方法的返回值转换为 NSDecimalNumber 。

3.5 桥接 Swift 和 Objective-C 类型

Swift 和 Objective-C 类型之间存在桥接机制，使得它们可以相互转换。例如， NSString 可以桥接到 Swift 的 String 类型， NSArray 可以桥接到 Swift 的 [AnyObject] 类型。更多关于 Swift 和 Objective-C 类型桥接的详细信息，可以参考 Apple 的文档 。

4. 重载下标

在 Swift 中，可以为任何类、结构体或枚举类型定义自定义下标。

4.1 带有自定义下标的 Box 类型

Fig. 12.6 定义了一个名为 Box 的结构体，它存储盒子的长度、宽度和高度。通过定义两个重载的下标，可以通过整数索引或字符串名称访问这些维度。示例代码如下： 

// Fig. 12.6: Box.swift (Subscripts.xcodeproj)
// Box type with dimensions accessed via subscripts
import Foundation

public struct Box {
    private static let names = ["length", "width", "height"]
    private var dimensions = [0.0, 0.0, 0.0]

    // initializer
    public init(length: Double, width: Double, height: Double) {
        dimensions[0] = length
        dimensions[1] = width
        dimensions[2] = height
    }

    // subscript to access dimensions by their Int indices
    public subscript(index: Int) -> Double {
        get {
            precondition(index >= 0 && index < dimensions.count)
            return dimensions[index]
        }
        set {
            precondition(index >= 0 && index < dimensions.count)
            dimensions[index] = newValue
        }
    }

    // subscript to access dimensions by their String names
    public subscript(name: String) -> Double {
        get {
            precondition(
                Box.names.filter({$0 == name.lowercaseString}).count == 1)
            return dimensions[nameToIndex(name)]
        }
        set {
            precondition(
                Box.names.filter({$0 == name.lowercaseString}).count == 1)
            dimensions[nameToIndex(name)] = newValue
        }
    }

    // utility function to convert a name into a dimensions Array index
    private func nameToIndex(name: String) -> Int {
        var i = 0

        while i < Box.names.count {
            if name.lowercaseString == Box.names[i] {
                return i // name is in names at position i
            }
            ++i
        }
        return -1 // preconditions in subscript(name: String) prevent this
    }
}

4.2 下标语法

下标可以在类型或类型的扩展中定义，其语法如下： 

subscript(parameterList) -> Type {
    get {
        // code to return a value
    }
    set {
        // code to set a value
    }
}

参数列表是一个用逗号分隔的列表，包含一个或多个参数。 Type 是必需的 get 访问器返回的值的类型或可选的 set 访问器传递的值的类型。

4.3 Box 类型的整数下标

对于带有整数参数 index 的下标：
- get 访问器 ：返回 Box 的 dimensions 数组中该索引处的元素。
- set 访问器 ：将新值赋给 dimensions 数组中该索引处的元素。
在访问和设置元素之前，使用 precondition 函数验证索引是否在数组的有效范围内。

4.4 Box 类型的字符串下标

对于带有字符串参数 name 的下标：
- get 访问器 ：使用 nameToIndex 方法确定 name 在 Box 的 names 数组中的索引，然后返回 dimensions 数组中该索引处的元素。
- set 访问器 ：使用 nameToIndex 方法确定 name 在 Box 的 names 数组中的索引，然后将新值赋给 dimensions 数组中该索引处的元素。
同样，在访问和设置元素之前，使用 precondition 函数验证名称是否有效。

4.5 使用 Box 类型的下标

以下是一个演示 Box 类型下标使用的示例： 

// 假设 Box 结构体已定义
var box = Box(length: 10.0, width: 20.0, height: 30.0)

// 通过整数下标获取长度、宽度和高度
let length = box[0]
let width = box[1]
let height = box[2]

// 通过整数下标设置长度
box[0] = 15.0

// 通过字符串下标设置宽度
box["width"] = 25.0

// 通过字符串下标获取长度、宽度和高度
let newLength = box["length"]
let newWidth = box["width"]
let newHeight = box["height"]

通过这些下标，可以方便地访问和修改 Box 结构体的维度。

4.6 precondition 和 assert 函数

  • precondition 函数 ：用于验证前置条件，如果条件为 false ，则终止程序执行。有单参数和双参数两种版本，双参数版本可以指定错误消息。
  • assert 函数 ：与 precondition 函数类似，但仅在调试模式下执行。

4.7 总结

通过重载运算符和下标，可以使代码更加简洁、自然和易读。在实际开发中，可以根据需要为自定义类型重载合适的运算符和下标，提高代码的可维护性和可读性。

4.8 表格：运算符重载总结

运算符 重载说明 示例代码
+ 用于复数加法和 NSDecimalNumber 加法 func +(left: Complex, right: Complex) -> Complex
func +(left: NSDecimalNumber, right: NSDecimalNumber) -> NSDecimalNumber
- 用于复数减法 func -(left: Complex, right: Complex) -> Complex
* 用于复数乘法和 NSDecimalNumber 乘法 func *(left: Complex, right: Complex) -> Complex
func *(left: NSDecimalNumber, right: NSDecimalNumber) -> NSDecimalNumber
+= 用于复数加法赋值 func +=(inout left: Complex, right: Complex)
*= 用于 NSDecimalNumber 乘法赋值 func *=(inout left: NSDecimalNumber, right: NSDecimalNumber)
++ 用于 NSDecimalNumber 前缀和后缀自增 prefix func ++(inout number: NSDecimalNumber) -> NSDecimalNumber
postfix func ++(inout number: NSDecimalNumber) -> NSDecimalNumber
-- 用于 NSDecimalNumber 前缀和后缀自减 prefix func --(inout number: NSDecimalNumber) -> NSDecimalNumber
postfix func --(inout number: NSDecimalNumber) -> NSDecimalNumber

4.9 流程图： Box 类型下标访问流程 

graph TD;
    A[开始] --> B{选择下标类型};
    B -->|整数下标| C{验证索引范围};
    C -->|有效| D[访问或设置元素];
    C -->|无效| E[终止程序];
    B -->|字符串下标| F{验证名称有效性};
    F -->|有效| G[获取索引];
    G --> H[访问或设置元素];
    F -->|无效| E;
    D --> I[结束];
    H --> I;
    E --> I;

这个流程图展示了 Box 类型下标访问的流程，包括整数下标和字符串下标的验证和访问过程。

通过以上内容，我们详细介绍了 Swift 中运算符重载和下标重载的相关知识，包括复数运算、 NSDecimalNumber 运算、一元运算符重载以及自定义下标的使用。这些技术可以使代码更加灵活和易读，提高开发效率。

5. 运算符重载和下标重载的优势与应用场景

5.1 优势

  • 代码简洁性 ：通过重载运算符和下标，可以使代码更加简洁。例如，在复利计算中，使用重载的 * 和 + 运算符，让计算语句 amount = amount * (rate + NSDecimalNumber.one()) 比直接调用方法更加简洁明了。
  • 可读性增强 ：重载运算符和下标可以让代码更符合自然语言的表达习惯。比如在复数运算中，使用 + 、 - 和 * 运算符进行复数的加、减、乘运算，让代码更易于理解。
  • 可维护性提高 ：当代码中使用了重载的运算符和下标后，后续的维护人员可以更容易理解代码的意图，减少出错的可能性。

5.2 应用场景

  • 数学计算 ：在处理复数、矩阵等数学对象时，运算符重载可以方便地实现各种数学运算。例如，复数的加、减、乘运算，矩阵的加法、乘法等。
  • 数据结构操作 ：对于自定义的数据结构，下标重载可以提供方便的元素访问方式。比如 Box 结构体，通过下标可以方便地访问和修改盒子的长度、宽度和高度。
  • 框架集成 ：在集成第三方框架或使用 Cocoa 和 Cocoa Touch 类时，运算符重载可以让代码与框架的交互更加自然。例如，为 NSDecimalNumber 重载运算符，使复利计算的代码更加简洁。

5.3 表格：优势与应用场景总结

优势 应用场景 示例
代码简洁性 数学计算 复数运算、矩阵运算
可读性增强 数据结构操作 Box 结构体的下标访问
可维护性提高 框架集成 为 NSDecimalNumber 重载运算符

6. 注意事项与最佳实践

6.1 注意事项

  • 避免过度重载 ：虽然运算符重载和下标重载可以带来很多好处，但过度使用可能会导致代码的可读性下降。例如，重载一个不常用的运算符来执行一个不相关的操作，会让其他开发人员难以理解代码的意图。
  • 遵循约定 ：在重载运算符时，要遵循程序员的普遍期望。例如，加法运算符 + 通常用于执行加法或拼接操作，不要用它来执行其他不相关的操作。
  • 处理异常情况 ：在重载运算符和下标时，要考虑各种异常情况。例如，在 Box 结构体的下标实现中，使用 precondition 函数来验证索引和名称的有效性，避免越界访问。

6.2 最佳实践

  • 明确目的 ：在进行运算符重载和下标重载之前，要明确重载的目的，确保重载后的代码更加简洁、易读和可维护。
  • 文档注释 ：为重载的运算符和下标添加详细的文档注释，说明其功能和使用方法，方便其他开发人员理解和使用。
  • 测试充分 ：对重载的运算符和下标进行充分的测试，确保其在各种情况下都能正常工作。

6.3 流程图：运算符重载和下标重载的开发流程 

graph TD;
    A[明确需求] --> B{是否需要重载};
    B -->|是| C[选择合适的运算符或下标];
    C --> D[实现重载代码];
    D --> E[添加文档注释];
    E --> F[进行充分测试];
    F --> G{测试是否通过};
    G -->|是| H[集成到项目中];
    G -->|否| D;
    B -->|否| I[使用现有方式实现];

这个流程图展示了运算符重载和下标重载的开发流程，包括需求分析、选择、实现、注释、测试和集成等步骤。

7. 总结与展望

7.1 总结

本文详细介绍了 Swift 中的运算符重载和下标重载技术。通过复数运算、 NSDecimalNumber 运算、一元运算符重载以及自定义下标的示例，展示了这些技术的具体应用。运算符重载和下标重载可以使代码更加简洁、易读和可维护，提高开发效率。

7.2 展望

随着 Swift 语言的不断发展，运算符重载和下标重载可能会有更多的应用场景和优化。例如，未来可能会支持更多类型的运算符重载，或者提供更方便的下标定义方式。同时，在跨平台开发中，这些技术也可以更好地与其他平台的代码进行交互。

总之，掌握 Swift 中的运算符重载和下标重载技术，可以让我们在开发中更加灵活地处理各种数据和操作，写出高质量的代码。

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