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Swift函数式编程 惰性计算

Swift支持函数式编程,这一篇介绍Swift的惰性计算。

惰性计算

惰性计算是函数式编程语言的一个特性。在使用惰性计算时,表达式不在它被绑定到变量之后就立即求值,而是在该值被取用的时候求值。惰性计算有如下优点:

  • 首先,你可以用它们来创建无限序列这样一种数据类型。因为直到需要时才会计算值,这样就可以使用惰性集合模拟无限序列。
  • 第二,减少了存储空间。因为在真正需要时才会发生计算。所以,节约了不必要的存储空间。
  • 第三,减少计算量,产生更高效的代码。因为在真正需要时才会发生计算。例如,寻找数组中第一个符合某个条件的值。

在纯函数式编程语言,如Haskell中是默认进行惰性求值的。所以,Haskell被称为惰性语言。而与之相对的大多数编程语言如Java,C++ 的求值都是严格的,或者说是及早求值。Swift默认是严格求值的,也就是每一个表达式都需要求值,而不论这个表达式在实际中是否确实需要求值。但是,Swift作为支持多种范型的编程语言,也同时提供语法来支持惰性求值。

内建 lazy 函数

Swift中,如果需要惰性计算,就要显式地将一个序列转化为惰性序列。转化方法是使用Swift内建的lazy函数。它有四个重载实现。编译器会为你选择最正确的实现。

如果传入lazy的是Sequence(实现了SequenceType协议的类或者结构体),返回的会是LazySequence;如果传入一个Collection(实现了CollectionType协议的的类或者结构体),返回的会是LazyForwardCollectionLazyBidirectionalCollection, 或者LazyRandomAccessCollection。 下面是lazy函数的四个函数重载函数的函数原型:

func lazy<S: SequenceType>(s: S) -> LazySequence<S>
func lazy<S: CollectionType where S.Index: ForwardIndexType>(s: S) -> LazyForwardCollection<S>
func lazy<S: CollectionType where S.Index: BidirectionalIndexType>(s: S) -> LazyBidirectionalCollection<S>
func lazy<S: CollectionType where S.Index: RandomAccessIndexType>(s: S) -> LazyRandomAccessCollection<S>

如果,传入一个Array,返回的将是LazyRandomAccessCollection类型。LazyRandomAccessCollection是惰性集合。下面展示了一个将Array变为惰性序列的例子:

let r = 1...3
let seq = lazy(r).map {
    (i: Int) -> Int in
    println("mapping \(i)")
    return i * 2
}

for i in seq {
    println(i)
}

将获得如下结果:

mapping 1
2
mapping 2
4
mapping 3
6

这显示了seq是一个惰性序列。它的值只有在需要时才会真正发生计算。

Generator

Swift中,Generator是任何实现了GeneratorType协议的类或者结构体。Generator可以理解为一个序列生成器。GeneratorType协议要求定义一个名为Element的别名,并实现一个next方法。

GeneratorType协议实现如下:

protocol GeneratorType {
    typealias Element
    mutating func next() -> Element?
}

语句typealias Element要求实现这个协议的类必须定义一个名为Element的别名,这样一定程度上实现了泛型协议。协议同时要求实现next函数,其返回值是别名中定义的Element类型,next函数代表生成器要生成的下一个元素。

下面代码实现了一个菲波那契数列生成器:

class FibonacciGenerator : GeneratorType {

    var current = 0, nextValue = 1  

    typealias Element = Int

    func next() -> Element? {
        let ret = current
        current = nextValue
        nextValue = nextValue + ret
        return ret
    }
}

下面代码打印出10个菲波那契数列,以显示如何使用生成器:

var n = 10
var generator = FibonacciGenerator()
while n-- > 0 {
    println(generator.next()!)
}

Generator是Sequence和Collection的基础。

Sequence

Sequence是任何实现了SequenceType协议的类或者结构体。Sequence可以理解为一个序列。SequenceType协议要求定义一个名为Generator,类型为GeneratorType的别名,并要求实现一个返回生成器Generator的函数。

SequenceType协议如下:

protocol SequenceType : _Sequence_Type {
    typealias Generator : GeneratorType
    func generate() -> Generator
}

类似于GeneratorType协议,typealias Generator : GeneratorType要求实现这个协议的类必须定义一个名为Generator类型为GeneratorType的别名。协议同时要求实现一个名为generate的函数,其返回值为别名Generator定义的类型,这个类型应该实现了上文提到的GeneratorType协议。也就是说Sequence其实是包含一个生成Generator的函数的类。

下面代码使用上文中提到的菲波那契数列生成器,实现了一个菲波那契数列:

class FibonacciSequence: SequenceType
{
    typealias GeneratorType = FibonacciGenerator

    func generate() -> FibonacciGenerator {
        return FibonacciGenerator()
    }
}

下面代码打印了10个菲波那契数列,以显示如何使用该序列:

let fib = FibonacciSequence().generate()
for _ in 1..<10 {
    println(fib.next()!)
}

符合SequenceType的序列有可能成为惰性序列。成为惰性序列的方法是对其显示的调用lazy函数:

let r = lazy(stride(from: 1, to: 8, by: 2))

函数stride返回一个结构体StrideTo,这个结构体是Sequence。所以,lazy函数返回一个lazySequence对象。

Collection

Collection是实现了CollectionType协议的协议的类或者结构体。CollectionType协议继承了SequenceType协议。所以,Collection也都实现了SequenceType,它同时也是Sequence。

CollectionType协议如下:

protocol _CollectionType : _SequenceType {
    typealias Index : ForwardIndexType
    var startIndex: Index { get }
    var endIndex: Index { get }
    typealias _Element
    subscript (_i: Index) -> _Element { get }
}

protocol CollectionType : _CollectionType, SequenceType {
    subscript (position: Self.Index) -> Self.Generator.Element { get }
}

所以,CollectionType协议首先实现了SequenceType协议,并要求实现一个subscript方法以获取序列中每个位置的元素值。

Swift中,大量内置类如Dictionary,Array,Range,String都实现了CollectionType协议。所以,Swift大部分容器类都可以变为惰性序列。

// a will be a LazyRandomAccessCollection
// since arrays are random access
let a = lazy([1,2,3,4])

// s will be a LazyBidirectionalCollection
let s = lazy("hello")

总结

Swift里的集合数据结构默认是严格求值的。但是,Swift也提供了惰性语法,在需要惰性时,你需要显式声明。这为开发者在Swift中使用惰性提供了条件。


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