Swift編程語言中文教程（二十三）：Swift高級運算符

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本頁內(nèi)容包括：

• 位運算符
• 溢出運算符
• 優(yōu)先級和結(jié)合性(Precedence and Associativity)
• 運算符函數(shù)(Operator Functions)
• 自定義運算符

除了基本操作符中所講的運算符，Swift還有許多復(fù)雜的高級運算符，包括了C語和Objective-C中的位運算符和移位運算。

不同于C語言中的數(shù)值計算，Swift的數(shù)值計算默認(rèn)是不可溢出的。溢出行為會被捕獲并報告為錯誤。你是故意的？好吧，你可以使用Swift為你準(zhǔn)備的另一套默認(rèn)允許溢出的數(shù)值運算符，如可溢出加&+。所有允許溢出的運算符都是以&開始的。

自定義的結(jié)構(gòu)，類和枚舉，是否可以使用標(biāo)準(zhǔn)的運算符來定義操作？當(dāng)然可以！在Swift中，你可以為你創(chuàng)建的所有類型定制運算符的操作。

可定制的運算符并不限于那些預(yù)設(shè)的運算符，自定義有個性的中置，前置，后置及賦值運算符，當(dāng)然還有優(yōu)先級和結(jié)合性。這些運算符的實現(xiàn)可以運用預(yù)設(shè)的運算符，也可以運用之前定制的運算符。

位運算符

位操作符通常在諸如圖像處理和創(chuàng)建設(shè)備驅(qū)動等底層開發(fā)中使用，使用它可以單獨操作數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中原始數(shù)據(jù)的比特位。在使用一個自定義的協(xié)議進行通信的時候，運用位運算符來對原始數(shù)據(jù)進行編碼和解碼也是非常有效的。

Swift支持如下所有C語言的位運算符：

按位取反運算符

按位取反運算符~對一個操作數(shù)的每一位都取反。

 

這個運算符是前置的，所以請不加任何空格地寫著操作數(shù)之前。

let initialBits: UInt8 = 0b00001111
let invertedBits = ~initialBits  // 等于 0b11110000

UInt8是8位無符整型，可以存儲0~255之間的任意數(shù)。這個例子初始化一個整型為二進制值00001111(前4位為0，后4位為1)，它的十進制值為15。

使用按位取反運算~對initialBits操作，然后賦值給invertedBits這個新常量。這個新常量的值等于所有位都取反的initialBits，即1變成0，0變成1，變成了11110000，十進制值為240。

按位與運算符

按位與運算符對兩個數(shù)進行操作，然后返回一個新的數(shù)，這個數(shù)的每個位都需要兩個輸入數(shù)的同一位都為1時才為1。

 

以下代碼，firstSixBits和lastSixBits中間4個位都為1。對它倆進行按位與運算后，就得到了00111100，即十進制的60。

let firstSixBits: UInt8 = 0b11111100
let lastSixBits: UInt8  = 0b00111111
let middleFourBits = firstSixBits & lastSixBits  // 等于 00111100

按位或運算

按位或運算符|比較兩個數(shù)，然后返回一個新的數(shù)，這個數(shù)的每一位設(shè)置1的條件是兩個輸入數(shù)的同一位都不為0(即任意一個為1，或都為1)。

 

如下代碼，someBits和moreBits在不同位上有1。按位或運行的結(jié)果是11111110，即十進制的254。

let someBits: UInt8 = 0b10110010
let moreBits: UInt8 = 0b01011110
let combinedbits = someBits | moreBits  // 等于 11111110

按位異或運算符

按位異或運算符^比較兩個數(shù)，然后返回一個數(shù)，這個數(shù)的每個位設(shè)為1的條件是兩個輸入數(shù)的同一位不同，如果相同就設(shè)為0。

以下代碼，firstBits和otherBits都有一個1跟另一個數(shù)不同的。所以按位異或的結(jié)果是把它這些位置為1，其他都置為0。

let firstBits: UInt8 = 0b00010100
let otherBits: UInt8 = 0b00000101
let outputBits = firstBits ^ otherBits  // 等于 00010001

按位左移/右移運算符

左移運算符<<和右移運算符>>會把一個數(shù)的所有比特位按以下定義的規(guī)則向左或向右移動指定位數(shù)。

按位左移和按位右移的效果相當(dāng)把一個整數(shù)乘于或除于一個因子為2的整數(shù)。向左移動一個整型的比特位相當(dāng)于把這個數(shù)乘于2，向右移一位就是除于2。

無符整型的移位操作

對無符整型的移位的效果如下：

已經(jīng)存在的比特位向左或向右移動指定的位數(shù)。被移出整型存儲邊界的的位數(shù)直接拋棄，移動留下的空白位用零0來填充。這種方法稱為邏輯移位。

以下這張把展示了 11111111 << 1(11111111向左移1位)，和 11111111 >> 1(11111111向右移1位)。藍色的是被移位的，灰色是被拋棄的，橙色的0是被填充進來的。

let shiftBits: UInt8 = 4   // 即二進制的00000100
shiftBits << 1             // 00001000
shiftBits << 2             // 00010000
shiftBits << 5             // 10000000
shiftBits << 6             // 00000000
shiftBits >> 2             // 00000001

你可以使用移位操作進行其他數(shù)據(jù)類型的編碼和解碼。

let pink: UInt32 = 0xCC6699
let redComponent = (pink & 0xFF0000) >> 16    // redComponent 是 0xCC, 即 204
let greenComponent = (pink & 0x00FF00) >> 8   // greenComponent 是 0x66, 即 102
let blueComponent = pink & 0x0000FF           // blueComponent 是 0x99, 即 153

這個例子使用了一個UInt32的命名為pink的常量來存儲層疊樣式表CSS中粉色的顏色值，CSS顏色#CC6699在Swift用十六進制0xCC6699來表示。然后使用按位與(&)和按位右移就可以從這個顏色值中解析出紅(CC)，綠(66)，藍(99)三個部分。

對0xCC6699和0xFF0000進行按位與&操作就可以得到紅色部分。0xFF0000中的0了遮蓋了OxCC6699的第二和第三個字節(jié)，這樣6699被忽略了，只留下0xCC0000。

然后，按向右移動16位，即 >> 16。十六進制中每兩個字符是8比特位，所以移動16位的結(jié)果是把0xCC0000變成0x0000CC。這和0xCC是相等的，都是十進制的204。

同樣的，綠色部分來自于0xCC6699和0x00FF00的按位操作得到0x006600。然后向右移動8們，得到0x66，即十進制的102。

最后，藍色部分對0xCC6699和0x0000FF進行按位與運算，得到0x000099，無需向右移位了，所以結(jié)果就是0x99，即十進制的153。

有符整型的移位操作

有符整型的移位操作相對復(fù)雜得多，因為正負(fù)號也是用二進制位表示的。(這里舉的例子雖然都是8位的，但它的原理是通用的。)

有符整型通過第1個比特位(稱為符號位)來表達這個整數(shù)是正數(shù)還是負(fù)數(shù)。0代表正數(shù)，1代表負(fù)數(shù)。

其余的比特位(稱為數(shù)值位)存儲其實值。有符正整數(shù)和無符正整數(shù)在計算機里的存儲結(jié)果是一樣的，下來我們來看+4內(nèi)部的二進制結(jié)構(gòu)。

符號位為0，代表正數(shù)，另外7比特位二進制表示的實際值就剛好是4。

負(fù)數(shù)呢，跟正數(shù)不同。負(fù)數(shù)存儲的是2的n次方減去它的絕對值，n為數(shù)值位的位數(shù)。一個8比特的數(shù)有7個數(shù)值位，所以是2的7次方，即128。

我們來看-4存儲的二進制結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)在符號位為1，代表負(fù)數(shù)，7個數(shù)值位要表達的二進制值是124，即128 - 4。

負(fù)數(shù)的編碼方式稱為二進制補碼表示。這種表示方式看起來很奇怪，但它有幾個優(yōu)點。

首先，只需要對全部8個比特位(包括符號)做標(biāo)準(zhǔn)的二進制加法就可以完成 -1 + -4 的操作，忽略加法過程產(chǎn)生的超過8個比特位表達的任何信息。

第二，由于使用二進制補碼表示，我們可以和正數(shù)一樣對負(fù)數(shù)進行按位左移右移的，同樣也是左移1位時乘于2，右移1位時除于2。要達到此目的，對有符整型的右移有一個特別的要求：

對有符整型按位右移時，使用符號位(正數(shù)為0，負(fù)數(shù)為1)填充空白位。

這就確保了在右移的過程中，有符整型的符號不會發(fā)生變化。這稱為算術(shù)移位。

正因為正數(shù)和負(fù)數(shù)特殊的存儲方式，向右移位使它接近于0。移位過程中保持符號會不變，負(fù)數(shù)在接近0的過程中一直是負(fù)數(shù)。

溢出運算符

默認(rèn)情況下，當(dāng)你往一個整型常量或變量賦于一個它不能承載的大數(shù)時，Swift不會讓你這么干的，它會報錯。這樣，在操作過大或過小的數(shù)的時候就很安全了。

例如，Int16整型能承載的整數(shù)范圍是-32768到32767，如果給它賦上超過這個范圍的數(shù)，就會報錯：

var potentialOverflow = Int16.max
// potentialOverflow 等于 32767, 這是 Int16 能承載的最大整數(shù)
potentialOverflow += 1
// 噢, 出錯了

對過大或過小的數(shù)值進行錯誤處理讓你的數(shù)值邊界條件更靈活。

當(dāng)然，你有意在溢出時對有效位進行截斷，你可采用溢出運算，而非錯誤處理。Swfit為整型計算提供了5個&符號開頭的溢出運算符。

• 溢出加法 &+
• 溢出減法 &-
• 溢出乘法 &*
• 溢出除法 &/
• 溢出求余 &%

值的上溢出

下面例子使用了溢出加法&+來解剖的無符整數(shù)的上溢出

var willOverflow = UInt8.max
// willOverflow 等于UInt8的最大整數(shù) 255
willOverflow = willOverflow &+ 1
// 這時候 willOverflow 等于 0

willOverflow用Int8所能承載的最大值255(二進制11111111)，然后用&+加1。然后UInt8就無法表達這個新值的二進制了，也就導(dǎo)致了這個新值上溢出了，大家可以看下圖。溢出后，新值在UInt8的承載范圍內(nèi)的那部分是00000000，也就是0。

值的下溢出

數(shù)值也有可能因為太小而越界。舉個例子：

UInt8的最小值是0(二進制為00000000)。使用&-進行溢出減1，就會得到二進制的11111111即十進制的255。

Swift代碼是這樣的:

var willUnderflow = UInt8.min
// willUnderflow 等于UInt8的最小值0
willUnderflow = willUnderflow &- 1
// 此時 willUnderflow 等于 255

有符整型也有類似的下溢出，有符整型所有的減法也都是對包括在符號位在內(nèi)的二進制數(shù)進行二進制減法的，這在 "按位左移/右移運算符" 一節(jié)提到過。最小的有符整數(shù)是-128，即二進制的10000000。用溢出減法減去去1后，變成了01111111，即UInt8所能承載的最大整數(shù)127。

來看看Swift代碼：

var signedUnderflow = Int8.min
// signedUnderflow 等于最小的有符整數(shù) -128
signedUnderflow = signedUnderflow &- 1
// 如今 signedUnderflow 等于 127

除零溢出

一個數(shù)除于0 i / 0，或者對0求余數(shù) i % 0，就會產(chǎn)生一個錯誤。

let x = 1
let y = x / 0

使用它們對應(yīng)的可溢出的版本的運算符&/和&%進行除0操作時就會得到0值。

let x = 1
let y = x &/ 0
// y 等于 0

優(yōu)先級和結(jié)合性

運算符的優(yōu)先級使得一些運算符優(yōu)先于其他運算符，高優(yōu)先級的運算符會先被計算。

結(jié)合性定義相同優(yōu)先級的運算符在一起時是怎么組合或關(guān)聯(lián)的，是和左邊的一組呢，還是和右邊的一組。意思就是，到底是和左邊的表達式結(jié)合呢，還是和右邊的表達式結(jié)合？

在混合表達式中，運算符的優(yōu)先級和結(jié)合性是非常重要的。舉個例子，為什么下列表達式的結(jié)果為4？

2 + 3 * 4 % 5
// 結(jié)果是 4

如果嚴(yán)格地從左計算到右，計算過程會是這樣：

• 2 + 3 = 5
• 5 * 4 = 20
• 20 / 5 = 4 余 0

但是正確答案是4而不是0。優(yōu)先級高的運算符要先計算，在Swift和C語言中，都是先乘除后加減的。所以，執(zhí)行完乘法和求余運算才能執(zhí)行加減運算。

乘法和求余擁有相同的優(yōu)先級，在運算過程中，我們還需要結(jié)合性，乘法和求余運算都是左結(jié)合的。這相當(dāng)于在表達式中有隱藏的括號讓運算從左開始。

2 + ((3 * 4) % 5)

3 * 4 = 12，所以這相當(dāng)于：

2 + (12 % 5)  

12 % 5 = 2，所這又相當(dāng)于

2 + 2  

計算結(jié)果為 4。

查閱Swift運算符的優(yōu)先級和結(jié)合性的完整列表，請看表達式。

注意：
Swift的運算符較C語言和Objective-C來得更簡單和保守，這意味著跟基于C的語言可能不一樣。所以，在移植已有代碼到Swift時，注意去確保代碼按你想的那樣去執(zhí)行。

運算符函數(shù)

讓已有的運算符也可以對自定義的類和結(jié)構(gòu)進行運算，這稱為運算符重載。

這個例子展示了如何用+讓一個自定義的結(jié)構(gòu)做加法。算術(shù)運算符+是一個兩目運算符，因為它有兩個操作數(shù)，而且它必須出現(xiàn)在兩個操作數(shù)之間。

例子中定義了一個名為Vector2D的二維坐標(biāo)向量 (x，y) 的結(jié)構(gòu)，然后定義了讓兩個Vector2D的對象相加的運算符函數(shù)。

struct Vector2D {
    var x = 0.0, y = 0.0
}
@infix func + (left: Vector2D, right: Vector2D) -> Vector2D {
    return Vector2D(x: left.x + right.x, y: left.y + right.y)
}

該運算符函數(shù)定義了一個全局的+函數(shù)，這個函數(shù)需要兩個Vector2D類型的參數(shù)，返回值也是Vector2D類型。需要定義和實現(xiàn)一個中置運算的時候，在關(guān)鍵字func之前寫上屬性 @infix 就可以了。

在這個代碼實現(xiàn)中，參數(shù)被命名為了left和right，代表+左邊和右邊的兩個Vector2D對象。函數(shù)返回了一個新的Vector2D的對象，這個對象的x和y分別等于兩個參數(shù)對象的x和y的和。

這個函數(shù)是全局的，而不是Vector2D結(jié)構(gòu)的成員方法，所以任意兩個Vector2D對象都可以使用這個中置運算符。

let vector = Vector2D(x: 3.0, y: 1.0)
let anotherVector = Vector2D(x: 2.0, y: 4.0)
let combinedVector = vector + anotherVector
// combinedVector 是一個新的Vector2D, 值為 (5.0, 5.0)

這個例子實現(xiàn)兩個向量 (3.0，1.0) 和 (2.0，4.0) 相加，得到向量 (5.0，5.0) 的過程。如下圖示：

前置和后置運算符

上個例子演示了一個雙目中置運算符的自定義實現(xiàn)，同樣我們也可以玩標(biāo)準(zhǔn)單目運算符的實現(xiàn)。單目運算符只有一個操作數(shù)，在操作數(shù)之前就是前置的，如-a; 在操作數(shù)之后就是后置的，如i++。

實現(xiàn)一個前置或后置運算符時，在定義該運算符的時候于關(guān)鍵字func之前標(biāo)注 @prefix 或 @postfix 屬性。

@prefix func - (vector: Vector2D) -> Vector2D {
    return Vector2D(x: -vector.x, y: -vector.y)
}

這段代碼為Vector2D類型提供了單目減運算-a，@prefix屬性表明這是個前置運算符。

對于數(shù)值，單目減運算符可以把正數(shù)變負(fù)數(shù)，把負(fù)數(shù)變正數(shù)。對于Vector2D，單目減運算將其x和y都進進行單目減運算。

let positive = Vector2D(x: 3.0, y: 4.0)
let negative = -positive
// negative 為 (-3.0, -4.0)
let alsoPositive = -negative
// alsoPositive 為 (3.0, 4.0)

組合賦值運算符

組合賦值是其他運算符和賦值運算符一起執(zhí)行的運算。如+=把加運算和賦值運算組合成一個操作。實現(xiàn)一個組合賦值符號需要使用@assignment屬性，還需要把運算符的左參數(shù)設(shè)置成inout，因為這個參數(shù)會在運算符函數(shù)內(nèi)直接修改它的值。

@assignment func += (inout left: Vector2D, right: Vector2D) {
    left = left + right
}

因為加法運算在之前定義過了，這里無需重新定義。所以，加賦運算符函數(shù)使用已經(jīng)存在的高級加法運算符函數(shù)來執(zhí)行左值加右值的運算。

var original = Vector2D(x: 1.0, y: 2.0)
let vectorToAdd = Vector2D(x: 3.0, y: 4.0)
original += vectorToAdd
// original 現(xiàn)在為 (4.0, 6.0)

你可以將 @assignment 屬性和 @prefix 或 @postfix 屬性起來組合，實現(xiàn)一個Vector2D的前置運算符。

@prefix @assignment func ++ (inout vector: Vector2D) -> Vector2D {
    vector += Vector2D(x: 1.0, y: 1.0)
    return vector
}

這個前置使用了已經(jīng)定義好的高級加賦運算，將自己加上一個值為 (1.0，1.0) 的對象然后賦給自己，然后再將自己返回。

var toIncrement = Vector2D(x: 3.0, y: 4.0)
let afterIncrement = ++toIncrement
// toIncrement 現(xiàn)在是 (4.0, 5.0)
// afterIncrement 現(xiàn)在也是 (4.0, 5.0)

注意：
默認(rèn)的賦值符是不可重載的。只有組合賦值符可以重載。三目條件運算符 a？b：c 也是不可重載。

比較運算符

Swift無所知道自定義類型是否相等或不等，因為等于或者不等于由你的代碼說了算了。所以自定義的類和結(jié)構(gòu)要使用比較符==或!=就需要重載。

定義相等運算符函數(shù)跟定義其他中置運算符雷同：

@infix func == (left: Vector2D, right: Vector2D) -> Bool {
    return (left.x == right.x) && (left.y == right.y)
}

@infix func != (left: Vector2D, right: Vector2D) -> Bool {
    return !(left == right)
}

上述代碼實現(xiàn)了相等運算符==來判斷兩個Vector2D對象是否有相等的值，相等的概念就是它們有相同的x值和相同的y值，我們就用這個邏輯來實現(xiàn)。接著使用==的結(jié)果實現(xiàn)了不相等運算符!=。

現(xiàn)在我們可以使用這兩個運算符來判斷兩個Vector2D對象是否相等。

let twoThree = Vector2D(x: 2.0, y: 3.0)
let anotherTwoThree = Vector2D(x: 2.0, y: 3.0)
if twoThree == anotherTwoThree {
    println("這兩個向量是相等的.")
}
// prints "這兩個向量是相等的."

自定義運算符

標(biāo)準(zhǔn)的運算符不夠玩，那你可以聲明一些個性的運算符，但個性的運算符只能使用這些字符/ = - + * % < >！& | ^。~。

新的運算符聲明需在全局域使用operator關(guān)鍵字聲明，可以聲明為前置，中置或后置的。

operator prefix +++ {}  

這段代碼定義了一個新的前置運算符叫+++，此前Swift并不存在這個運算符。此處為了演示，我們讓+++對Vector2D對象的操作定義為 雙自增 這樣一個獨有的操作，這個操作使用了之前定義的加賦運算實現(xiàn)了自已加上自己然后返回的運算。

@prefix @assignment func +++ (inout vector: Vector2D) -> Vector2D {
    vector += vector
    return vector
}

Vector2D 的 +++ 的實現(xiàn)和 ++ 的實現(xiàn)很接近, 唯一不同的前者是加自己, 后者是加值為 (1.0, 1.0) 的向量.

var toBeDoubled = Vector2D(x: 1.0, y: 4.0)
let afterDoubling = +++toBeDoubled
// toBeDoubled 現(xiàn)在是 (2.0, 8.0)
// afterDoubling 現(xiàn)在也是 (2.0, 8.0)

自定義中置運算符的優(yōu)先級和結(jié)合性

可以為自定義的中置運算符指定優(yōu)先級和結(jié)合性?？梢曰仡^看看優(yōu)先級和結(jié)合性解釋這兩個因素是如何影響多種中置運算符混合的表達式的計算的。

結(jié)合性(associativity)的值可取的值有l(wèi)eft，right和none。左結(jié)合運算符跟其他優(yōu)先級相同的左結(jié)合運算符寫在一起時，會跟左邊的操作數(shù)結(jié)合。同理，右結(jié)合運算符會跟右邊的操作數(shù)結(jié)合。而非結(jié)合運算符不能跟其他相同優(yōu)先級的運算符寫在一起。

結(jié)合性(associativity)的值默認(rèn)為none，優(yōu)先級(precedence)默認(rèn)為100。

以下例子定義了一個新的中置符+-，是左結(jié)合的left，優(yōu)先級為140。

operator infix +- { associativity left precedence 140 }
func +- (left: Vector2D, right: Vector2D) -> Vector2D {
    return Vector2D(x: left.x + right.x, y: left.y - right.y)
}
let firstVector = Vector2D(x: 1.0, y: 2.0)
let secondVector = Vector2D(x: 3.0, y: 4.0)
let plusMinusVector = firstVector +- secondVector
// plusMinusVector 此時的值為 (4.0, -2.0)

這個運算符把兩個向量的x相加，把向量的y相減。因為他實際是屬于加減運算，所以讓它保持了和加法一樣的結(jié)合性和優(yōu)先級(left和140)。查閱完整的Swift默認(rèn)結(jié)合性和優(yōu)先級的設(shè)置，請移步表達式。