Emptiness 空值语义

原文: Emptiness
作者: Soroush Khanlou
译者: kemchenj

如果 Swift 里的 array 数组不能为空?

仔细想想: 如果 Swift 已经设计了非空的数组了. 但这会让人很烦对吧? 什么语言有非空的数组?

然而, Swift 比起 C 语言已经修改了很多规则了. 例如, switch 里不需要 break 了, 甚至可以使用 fallthrough 来把几个 case 连接起来. 没有了 ++ 操作符, 它是那么的让人迷惑, 多余, 并且没了它语言会变得更好.

还有一点 Swift 跟 C 不一样, Swift 需要显式地声明可空性. Swift 让你使用 Optional 类型, 向类型系统指定某个值是否可能有空. 你可以说你有一个 controller, 或者可能有一个 controller 也可能没有. 类型系统可以在所有地方都检查一遍, 保证这个值在被需要使用时不会为空.

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Doubly Empty

当 Optional 和 Array 产生交汇时, 你会有两种方式去描述空值: nil 或者是空数组.

这可能会有点绕, 例如, 当你检查一个数组是否为 nil 或者为空数组的时候. 例如, 你想要更好地使用 Swift 里的 optional chaining 的时候, optionalArray?.isEmpty 却返回了一个 Optional<Bool>, 一个本质上很让人迷惑的类型. 如果在 if 判断句里使用了这一描述的话, 编译器会抛出一个编译错误, 因为这是一个 Optional 的布尔值.

optionalArray == [] 会被编译, 但会在数组为 nil 的时候返回 false, 而这并不是我们想要的行为. 你可以有这么几种方式达到目的, 但不多:

if optionalArray == nil || optionalArray == [] {

if let array = optionalArray, array.isEmpty {

if (optionalArray ?? []).isEmpty {

if optionalArray?.isEmpty != false {

if optionalArray?.isEmpty ?? false {

最简单的方法是记住不要使用 Optional 的数组. 我一直严格遵守着这个规则, 保证不会把不同类型的"空值"混合到一起. 对于别的"可空"类型我也是这么做的 - 字典, 字符串, 布尔值和一些别的类型. 不得不去检查两种类型的控制检查是我最不想做的事情.

遵守这个规则很容易, 例如说一个类里的属性, 但不可能在所有情况下都遵守这个规则. 例如, 从一个 Optional 的实例那里获取一个数组属性就会成为一个 Optional 的数组.

let wheels = optionalCar?.wheels // 结果是 [Wheel]?

从一个字典里面去获取数组也是一样.

let wheels = dictionary["wheels"] as? [Wheel]

你不得不去在每一个语句后面都加上 ?? [].

我们刚摆脱了无法分辨 controller 和可空 controller 的困境. 获得了简化语句, 减少错误和可声明的能力. 现在却又遇上了这种窘境.

如果一个数组不能为空, 那 Optional 的数组就代表了空数组, 非 Optional 的数组则总会包含至少一个值. 就不可能同时出现两种语义上的空值了, 而任何采用了别的语义的代码都不会通过编译.

Modeling

非空数组对于建立模型也很有用处. 告诉类型系统一个给定的数组永远不可能为空有时候很有用. 例如, 也许你的 User 类有许多个邮箱, 但如果 user 没有邮箱的话则不应该被验证. 可以让类型系统接收这样的描述是一件很棒的时期, 但现在我们做不到. 其他例子:

• 一个 Country 国家必须有至少一座 City 城市.

• 一张 Album 专辑必须有至少一首 Song 歌.

• 一栋 Building 楼必须有至少一层 Floor.

这样的例子一大堆.

如果一个数组类型不能为空, 这些关系和约束全部都可以在类型系统里展现出来, 并且你不能删掉数组里的最后一个元素.

Expressions 语句表述

随着 Optional 类型的出现, 许多表述都被简化 当你知道一个类型永远不可能为空的时候, 你可以跳过空值检查, 用一个更直观的方式去操作它. 对于非空的数组也是一样的. 现在, Collection 协议的方法, 例如 first, last, max 和 min 都会返回 Optional, 只是为了处理数组为空的情况.

有许多的情况下数组都不会为空, 但每当我使用诸如 first 之类的方法的时候, 我还是不得不去做防御, 仅仅只是为了告诉类型系统它不为空.

如果数组不可能为空的话, 这些方法都可以返回一个非空值, 使用这些语句都会变得更容易. 空数组可以通过 optional chaining 来调用这些方法, 而返回值也会是 Optional.

Appending 插入

如果数组不可能为空, 那往非空数组里插入内容就可以很正常地工作. 但往一个可空数组里插入值就会是一场灾难.

var emptiableArray = //...
emptiableArray == nil
    ? emptiableArray = [newItem]
    : emptiableArray?.append(newItem)

这很让人心烦, 但好消息是, 在 Swift 3.1 里, 我们可以给特定类型的泛型类型添加 extension. 那么, 我们就可以往 Optional 的 Array 类型添加方法(在这之前, 你只能给使用了遵守了协议的某个类型添加 extension)

extension Optional<Array<Element>> {
    func append(_ element: Element) {
        switch self {
        case .some(array):
            array.append(element)
        case .none:
            self = [element]
        }
    }
}

现在我们可以像之前那样畅通无阻的操作了.

Without Loss Of Generality

我们再进一步, 如果数组的泛型参数包含了数组长度呢? 例如, 给 Array<of: 4, element: String> 插入一个值的时候就会返回一个 Array<of: 5, element: String. 这个概念被称为 dependent types, 并且在一些实验性的带有更先进的类型系统的语言里已经实现了, 例如 Coq, Agda 和 Idris. Oisín 讨论过如何在 Swift 里实现一样的东西出来.

虽然这些东西非常好玩, 但也有一点不切实际. 你想想, 这意味着你不能在类里保存数组了, 除非你知道这个数组的长度永远不会被改变. 在很多情况下, 你不可能知道编译时会有多少个对象从 API 和数据库里被返回

简单的鉴别 空/非空 有很明确的现实意义, 并且也会简化 Swift 很多内部运作方式.

NonEmptyArray

This blog post is mostly a thought experiment. But it’s also a regular experiment. To that end, I built a non-empty array type. You can find it on GitHub here. It acts just like an array, but it isn’t emptiable. It conforms to Sequence, Collection, and has == and != methods.

这篇文章更像是一个 Idea 的尝试. 但这也只是一个常规尝试. 作为结尾, 我建立了一个非空数组类型. 你可以到这里看源码, 运作起来就像一个数组, 但不为空. 遵守 Sequence, Collection 协议并且有 == 和 != 方法.

由于 Swift 的类型系统有一部分我没能完全理解, 但尽管如此, 你还是可以重写协议(例如 Collection)里的方法(例如 first), 然后把 Element? 修改了 Element, Swift 会在调用时争产工作, 并且使用更加明确的类型, Element. 这意味着 NonEmptyArray 会在 first, last, max 和 min 里返回 non-optional, 虽然 Collection 里它们被定义为 Optional, repo 里的测试有断言来判断这个.

拥有一个绝对不为空的数组会有很多有趣的事情发生. 插入还好, 但删除元素的方法会带来更多问题. 我把这个方法标记为 throws, 但经过更多思考之后, 这也许不是一种正确地做法. 毕竟, Swift 原生的数组删除元素时也会产生问题, 只是它比起 NonEmptyArray 可以一个以上的元素. Swift 的数组会在尝试删除空数组的元素时调用 fatalError, 所以也许这才是正确地做法.

我很期待可以把 NonEmptyArray 拆分成几个提案, 看看失去 Swift 原生数组类型的语法糖是否值得, 去换取返回 non-optional 的方法.