指南:高级运算符(Advanced Operators)

位运算符(Bitwise Operators)

  • 位运算符可以操作数据结构中每个独立的比特位。它们通常被用在底层开发中,比如图形编程和创建设备驱动。位运算符在处理外部资源的原始数据时也十分有用,比如对自定义通信协议传输的数据进行编码和解码。

按位取反运算符(Bitwise NOT Operator)

  • 按位取反运算符(~)可以对一个数值的全部比特位进行取反

  • 按位取反运算符是一个前缀运算符,需要直接放在运算的数之前,并且它们之间不能添加任何空格。

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

按位与运算符(Bitwise AND Operator)

  • 按位与运算符(&)可以对两个数的比特位进行合并。它返回一个新的数,只有当两个数的对应位都为 1的时候,新数的对应位才为 1。
let firstSixBits: UInt8 = 0b11111100
let lastSixBits: UInt8  = 0b00111111
let middleFourBits = firstSixBits & lastSixBits // 等于 00111100

按位或运算符(Bitwise OR Operator)

  • 按位或运算符(|)可以对两个数的比特位进行比较。它返回一个新的数,只要两个数的对应位中有任意一个为 1时,新数的对应位就为 1。
let someBits: UInt8 = 0b10110010
let moreBits: UInt8 = 0b01011110
let combinedbits = someBits | moreBits // 等于 11111110

按位异或运算符(Bitwise XOR Operator)

  • 按位异或运算符(^)可以对两个数的比特位进行比较。它返回一个新的数,当两个数的对应位不相同时,新数的对应位就为 1。
let firstBits: UInt8 = 0b00010100
let otherBits: UInt8 = 0b00000101
let outputBits = firstBits ^ otherBits // 等于 00010001

按位左移、右移运算符(Bitwise Left and Right Shift Operators)

  • 按位左移运算符(<<)和按位右移运算符(>>)可以对一个数的所有位进行指定位数的左移和右移。

  • 对一个数进行按位左移或按位右移,相当于对这个数进行乘以 2 或除以 2 的运算。将一个整数左移一位,等价于将这个数乘以 2,同样地,将一个整数右移一位,等价于将这个数除以 2。

无符号整数的移位运算(Shifting Behavior for Unsigned Integers)

  • 已经存在的位按指定的位数进行左移和右移。
  • 任何因移动而超出整型存储范围的位都会被丢弃。
  • 用 0来填充移位后产生的空白位。

这种方法称为逻辑移位。

let shiftBits: UInt8 = 4 // 即二进制的 00000100
shiftBits << 1           // 00001000
shiftBits << 2           // 00010000
shiftBits << 5           // 10000000
shiftBits << 6           // 00000000
shiftBits >> 2           // 00000001

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

有符号整数的移位运算(Shifting Behavior for Signed Integers)

  • 当对整数进行按位右移运算时,遵循与无符号整数相同的规则,但是对于移位产生的空白位使用符号位进行填充,而不是用 0。

  • 由于正数和负数的特殊存储方式,在对它们进行右移的时候,会使它们越来越接近 0。在移位的过程中保持符号位不变,意味着负整数在接近 0的过程中会一直保持为负。

溢出运算符(Overflow Operators)

可以选择让系统在数值溢出的时候采取截断处理,而非报错。可以使用 Swift 提供的三个溢出运算符来让系统支持整数溢出运算。这些运算符都是以 &开头的

  • 溢出加法 &+
  • 溢出减法 &-
  • 溢出乘法 &*

数值溢出(Value Overflow)

  • 数值有可能出现上溢或者下溢。

  • 溢出也会发生在有符号整型数值上。在对有符号整型数值进行溢出加法或溢出减法运算时,符号位也需要参与计算。

  • 对于无符号与有符号整型数值来说,当出现上溢时,它们会从数值所能容纳的最大数变成最小的数。同样地,当发生下溢时,它们会从所能容纳的最小数变成最大的数。

var unsignedOverflow = UInt8.max
// unsignedOverflow 等于 UInt8 所能容纳的最大整数 255
unsignedOverflow = unsignedOverflow &+ 1
// 此时 unsignedOverflow 等于 0

var unsignedOverflow1 = UInt8.min
// unsignedOverflow1 等于 UInt8 所能容纳的最小整数 0
unsignedOverflow1 = unsignedOverflow1 &- 1
// 此时 unsignedOverflow1 等于 255

var signedOverflow = Int8.min
// signedOverflow 等于 Int8 所能容纳的最小整数 -128
signedOverflow = signedOverflow &- 1
// 此时 signedOverflow 等于 127

优先级和结合性(Precedence and Associativity)

  • 运算符的优先级使得一些运算符优先于其他运算符,高优先级的运算符会先被计算。

  • 结合性定义了相同优先级的运算符是如何结合的,也就是说,是与左边结合为一组,还是与右边结合为一组。

运算符函数(Operator Functions)

  • 类和结构体可以为现有的运算符提供自定义的实现,这通常被称为运算符重载。
struct Vector2D {
    var x = 0.0, y = 0.0
}
func + (left: Vector2D, right: Vector2D) -> Vector2D {
    return Vector2D(x: left.x + right.x, y: left.y + right.y)
}

let vector = Vector2D(x: 3.0, y: 1.0)
let anotherVector = Vector2D(x: 2.0, y: 4.0)
let combinedVector = vector + anotherVector
// combinedVector 是一个新的 Vector2D 实例,值为 (5.0, 5.0)

前缀和后缀运算符(Prefix and Postfix Operators)

  • 类与结构体也能提供标准单目运算符的实现。

  • 要实现前缀或者后缀运算符,需要在声明运算符函数的时候在 func关键字之前指定 prefix或者 postfix修饰符

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

let positive = Vector2D(x: 3.0, y: 4.0)
let negative = -positive
// negative 是一个值为 (-3.0, -4.0) 的 Vector2D 实例
let alsoPositive = -negative
// alsoPositive 是一个值为 (3.0, 4.0) 的 Vector2D 实例

复合赋值运算符(Compound Assignment Operators)

  • 复合赋值运算符将赋值运算符(=)与其它运算符进行结合。例如,将加法与赋值结合成加法赋值运算符(+=)。

  • 在实现的时候,需要把运算符的左参数设置成 inout类型,因为这个参数的值会在运算符函数内直接被修改。

  • 不能对默认的赋值运算符(=)进行重载。只有组合赋值运算符可以被重载。

  • 无法对三目条件运算符 (a ? b : c) 进行重载。

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

var original = Vector2D(x: 1.0, y: 2.0)
let vectorToAdd = Vector2D(x: 3.0, y: 4.0)
original += vectorToAdd
// original 的值现在为 (4.0, 6.0)

等价运算符(Equivalence Operators)

  • 自定义的类和结构体没有对等价运算符进行默认实现,等价运算符通常被称为“相等”运算符(==)与“不等”运算符(!=)。对于自定义类型,Swift 无法判断其是否“相等”,因为“相等”的含义取决于这些自定义类型在代码中所扮演的角色。

  • 为了使用等价运算符能对自定义的类型进行判等运算,需要为其提供自定义实现。

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

let twoThree = Vector2D(x: 2.0, y: 3.0)
let anotherTwoThree = Vector2D(x: 2.0, y: 3.0)
if twoThree == anotherTwoThree {
    print("These two vectors are equivalent.")
}
// 打印 “These two vectors are equivalent.”

自定义运算符(Custom Operators)

  • 除了实现标准运算符,在 Swift 中还可以声明和实现自定义运算符。

  • 新的运算符要使用 operator关键字在全局作用域内进行定义,同时还要指定 prefix、infix或者 postfix修饰符

prefix operator +++ {}

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

var toBeDoubled = Vector2D(x: 1.0, y: 4.0)
let afterDoubling = +++toBeDoubled
// toBeDoubled 现在的值为 (2.0, 8.0)
// afterDoubling 现在的值也为 (2.0, 8.0)

自定义中缀运算符的优先级和结合性(Precedence and Associativity for Custom Infix Operators)

  • 自定义的中缀运算符也可以指定优先级和结合性。

  • 结合性可取的值有left,right和 none。

  • 结合性的默认值是 none,优先级的默认值 100。

  • 当定义前缀与后缀运算符的时候,我们并没有指定优先级。然而,如果对同一个值同时使用前缀与后缀运算符,则后缀运算符会先参与运算。

infix operator +- { 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 是一个 Vector2D 实例,并且它的值为 (4.0, -2.0)

  • 赋值运算符=不能重载,其实就是复制。可以通过协议的方式实现,比如考虑遵循NSCopying协议
  • 运算符重载函数都是全局函数,不要拘泥于“面向对象的设计方法”了。这些函数放在类或者结构体、枚举同一个源文件中,但是写在{}之外。
  • 从理解的角度讲,运算符重载还是用全局函数的方式比较好。
  • Swift兼容Object-C部分是面向对象,有动态特性的。但是Swift本身是静态的,类型安全的,没有动态特性。另外,也不全是面向对象的,像结构体,枚举,常用的集合等等,跟面向对象都没什么关系。编程的思路需要进一步拓展。
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