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从 Codable 到 Swift 元编程

2018-03-14 08:55 OneV's Den


最近开设了一个小专栏,用来记录日常开发时遇到的问题和解决方案,同时也会收藏一些学习时记录的笔记,随想等。其中一些长文 (包括本文) 会首发于专栏,之后再同步到博客这边。虽然现在的文章还不多,但是因为计划更新比较勤快,所以适当进行收费,也算是对自己写作的一种鼓励和鞭笞。欢迎感兴趣的同学进行订阅,谢谢~


起源


前几天看到同事的一个 P-R,里面有将一个类型转换为字典的方法。在我们所使用的 API 中,某些方法需要接受 JSON 兼容的字典 (也就是说,字典中键值对的 value 只能是数字,字符串,布尔值,以及包含它们的嵌套字典或者数组等),因为项目开始是在好几年前了,所以一直都是在需要的时候使用下面这样手写生成字典的方法:


struct Cat {

    let name: String

    let age: Int

    

    func toDictionary() -> [String: Any] {

        return ["name": name, "age": age]

    }

}


let kitten = Cat(name: "kitten", age: 2)

kitten.toDictionary()

// ["name": "kitten", "age": 2]


显然这是很蠢的做法:


  1. 对于每一个需要处理的类型,我们都需要 toDictionary() 这样的模板代码;

  2. 每次进行属性的更改或增删,都要维护该方法的内容;

  3. 字典的 key 只是普通字符串,很可能出现 typo 错误或者没有及时根据类型定义变化进行更新的情况。


对于一个有所追求的项目来说,解决这部分遗留问题具有相当的高优先级。


Codable


在 Swift 4 引入 Codable 之后,我们有更优秀的方式来做这件事:那就是将 Cat 声明为 Codable (或者至少声明为 Encodable - 记住 Codable 其实就是 Decodable & Encodable),然后使用相关的 encoder 来进行编码。不过 Swift 标准库中并没有直接将一个对象编码为字典的编码器,我们可以进行一些变通,先将需要处理的类型声明为 Codable,然后使用 JSONEncoder 将其转换为 JSON 数据,最后再从 JSON 数据中拿到对应的字典:


struct Cat: Codable {

    let name: String

    let age: Int

}


let kitten = Cat(name: "kitten", age: 2)

let encoder = JSONEncoder()


do {

    let data = try encoder.encode(kitten)

    let dictionary = try JSONSerialization.jsonObject(with: data, options: [])

    // ["name": "kitten", "age": 2]

} catch {

    print(error)

}


这种方式也是同事提交的 P-R 中所使用的方式。我个人认为这种方法已经足够优秀了,它没有添加任何难以理解的部分,我们只需要将 encoder 在全局进行统一的配置,然后用它来对任意 Codable 进行编码即可。唯一美中不足的是,JSONEncoder 本身其实在内部就是先编码为字典,然后再从字典转换为数据的。在这里我们又“多此一举”地将数据转换回字典,稍显浪费。但是在非瓶颈的代码路径上,这一点性能损失完全可以接受的。


如果想要追求完美,那么我们可能需要仿照 _JSONEncoder 重新实现 KeyedEncodingContainer 的部分,来将 Encodable 对象编码到容器中 (因为我们只需要编码为字典,所以可以忽略掉 unkeyedContainer 和 singleValueContainer 的部分)。整个过程不会很复杂,但是代码显得有些“啰嗦”。如果你没有自己手动实现过一个 Codable encoder 的话,参照着 _JSONEncoder 的源码实现一个 DictionaryEncoder 对于你理解 Codable 系统的运作和细节,会是很好的练习。不过因为这篇文章的重点并不是 Codable 教学,所以这里就先跳过了。


标准库中要求 Codable 的编码器要满足 Encoder 协议,不过要注意,公开的 JSONEncoder 类型其实并不遵守 Encoder,它只提供了一套易用的 API 封装,并将具体的编码工作代理给一个内部类型 _JSONEncoder,后者实际实现了 Encoder,并负责具体的编码逻辑。


Mirror


Codable 的解决方案已经够好了,不过“好用的方式千篇一律,有趣的解法万万千千”,就这样解决问题也实在有些无聊,我们有没有一些更 hacky 更 cool 更 for fun 一点的做法呢?


当然有,在 review P-R 的时候第一想到的就是 Mirror。使用 Mirror 类型,可以让我们在运行时一窥某个类型的实例的内容,它也是 Swift 中为数不多的与运行时特性相关的手段。Mirror 的最基本的用法如下,你也可以在官方文档中查看它的一些其他定义:


struct Cat {

    let name: String

    let age: Int

}


let kitten = Cat(name: "kitten", age: 2)

let mirror = Mirror(reflecting: kitten)

for child in mirror.children {

    print("\(child.label!) - \(child.value)")

}

// 输出:

// name - kitten

// age - 2


通过访问实例中 mirror.children 的每一个 child,我们就可以得到所有的存储属性的 label 和 value。以 label 为字典键,value 为字典值,我们就能从任意类型构建出对应的字典了。


字典中值的类型


不过注意,这个 child 中的值是以 Any 为类型的,也就是说,任意类型都可以在 child.value 中表达。而我们的需求是构建一个 JSON 兼容的字典,它不能包含我们自定义的 Swift 类型 (对于自定义类型,我们需要先转换为字典的形式)。所以还需要做一些额外的类型保证的工作,这里可以添加一个 DictionaryValue 协议,来表示目标字典能接受的类型:


protocol DictionaryValue {

    var value: Any { get }

}


对于 JSON 兼容的字典来说,数字,字符串和布尔值都是可以接受的,它们不需要进行转换,在字典中就是它们自身:


extension Int: DictionaryValue { var value: Any { return self } }

extension Float: DictionaryValue { var value: Any { return self } }

extension String: DictionaryValue { var value: Any { return self } }

extension Bool: DictionaryValue { var value: Any { return self } }


严格来说,我们还需要对像是 Int16,Double 之类的其他数字类型进行 DictionaryValue 适配。不过对于一个「概念验证」的 demo 来说,上面的定义就足够了。

有了这些,我们就可以进一步对 DictionaryValue 进行协议扩展,让满足它的其他类型通过 Mirror 的方式来构建字典:


extension DictionaryValue {

    var value: Any {

        let mirror = Mirror(reflecting: self)

        var result = [String: Any]()

        for child in mirror.children {

            // 如果无法获得正确的 key,报错

            guard let key = child.label else {

                fatalError("Invalid key in child: \(child)")

            }

            // 如果 value 无法转换为 DictionaryValue,报错

            if let value = child.value as? DictionaryValue {

                result[key] = value.value

            } else {

                fatalError("Invalid value in child: \(child)")

            }

        }

        return result

    }

}


现在,我们就可以将想要转换的类型声明为 DictionaryValue,然后调用 value 属性来获取字典了:


struct Cat: DictionaryValue {

    let name: String

    let age: Int

}


let kitten = Cat(name: "kitten", age: 2)

print(kitten.value)

// ["name": "kitten", "age": 2]


对于嵌套自定义 DictionaryValue 值的其他类型,字典转换也可以正常工作:


struct Wizard: DictionaryValue {

    let name: String

    let cat: Cat

}


let wizard = Wizard(name: "Hermione", cat: kitten)

print(wizard.value)

// ["name": "Hermione", "cat": ["name": "kitten", "age": 2]]


字典中的嵌套数组和字典


上面处理了类型中属性是一般值 (JSON 原始值以及嵌套其他 DictionaryValue 类型) 的情况,不过对于 JSON 中的数组和字典的情况还无法处理 (因为我们还没有让 Array 和 Dictionary 遵守 DictionaryValue)。对于数组或字典这样的容器中的值,如果这些值满足 DictionaryValue 的话,那么容器本身显然也是 DictionaryValue 的。用代码表示的话类似这样:


extension Array: DictionaryValue where Element: DictionaryValue {

    var value: Any { return map { $0.value } }

}


extension Dictionary: DictionaryValue where Value: DictionaryValue {

    var value: Any { return mapValues { $0.value } }

}


在这里我们遇到一个非常“经典”的 Swift 的语言限制,那就是在 Swift 4.1 之前还不能写出上面这样的带有条件语句 (也就是 where 从句,Element 和 Value 满足 DictionaryValue) 的 extension。这个限制在 Swift 4.1 中得到了解决,不过再此之前,我们只能强制做一些变化:


extension Array: DictionaryValue {

    var value: Any { return map { ($0 as! DictionaryValue).value } }

}

extension Dictionary: DictionaryValue {

    var value: Any { return mapValues { ($0 as! DictionaryValue).value } }

}


这么做我们失去了编译器的保证:对于任意的 Array 和 Dictionary,我们都将可以调用 value,不过,如果它们中的值不满足 DictionaryValue 的话,程序将会崩溃。当然,实际如果使用的时候可以考虑返回 NSNull(),来表示无法完成字典转换 (因为 null 也是有效的 JSON 值)。


有了数组和字典的支持,我们现在就可以使用 Mirror 的方法来对任意满足条件的类型进行转换了:


struct Cat: DictionaryValue {

    let name: String

    let age: Int

}


struct Wizard: DictionaryValue {

    let name: String

    let cat: Cat

}


struct Gryffindor: DictionaryValue {

    let wizards: [Wizard]

}


let crooks = Cat(name: "Crookshanks", age: 2)

let hermione = Wizard(name: "Hermione", cat: crooks)


let hedwig = Cat(name: "hedwig", age: 3)

let harry = Wizard(name: "Harry", cat: hedwig)


let gryffindor = Gryffindor(wizards: [harry, hermione])


print(gryffindor.value)

// ["wizards": 

//   [

//     ["name": "Harry", "cat": ["name": "hedwig", "age": 3]], 

//     ["name": "Hermione", "cat": ["name": "Crookshanks", "age": 2]]

//   ]

// ]


Mirror 很 cool,它让我们可以在运行时探索和列举实例的特性。除了上面用到的存储属性之外,对于集合类型,多元组以及枚举类型,Mirror 都可以对其进行探索。强大的运行时特性,也意味着额外的开销。Mirror 的文档明确告诉我们,这个类型更多是用来在 Playground 和调试器中进行输出和观察用的。如果我们想要以高效的方式来处理字典转换问题,也许应该试试看其他思路。


代码生成


最高效的方式应该还是像一开始我们提到的纯手写了。但是显然这种重复劳动并不符合程序员的美学,对于这种“机械化”和“模板化”的工作,定义模板自动生成代码会是不错的选择。


Sourcery


Sourcery 是一个 Swift 代码生成的开源命令行工具,它 (通过 SourceKitten) 使用 Apple 的 SourceKit 框架,来分析你的源码中的各种声明和标注,然后套用你预先定义的 Stencil 模板 (一种语法和 Mustache 很相似的 Swift 模板语言) 进行代码生成。我们下面会先看一个使用 Sourcery 最简单的例子,来说明如何使用这个工具。然后再针对我们的字典转换问题进行实现。


安装 Sourcery 非常简单,brew install sourcery 即可。不过,如果你想要在实际项目中使用这个工具的话,我建议直接从发布页面下载二进制文件,放到 Xcode 项目目录中,然后添加 Run Script 的 Build Phase 来在每次编译的时候自动生成。


EnumSet


来看一个简单的例子,假设我们在文件夹中有以下源码:


// source.swift

enum HogwartsHouse {

    case gryffindor

    case hufflepuff

    case ravenclaw

    case slytherin

}


很多时候我们会有想要得到 enum 中所有 case 的集合,以及确定一共有多少个 case 成员的需求。如果纯手写的话,大概是这样的:


enum HogwartsHouse {

    // ...

    static let all: [HogwartsHouse] = [

        .gryffindor,

        .hufflepuff,

        .ravenclaw,

        .slytherin

    ]

    

    static let count = 4

}


显然这么做对于维护很不友好,没有人能确保时刻记住在添加新的 case 后一定会去更新 all 和 count。对其他有同样需求的 enum,我们也需要重复劳动。Sourcery 就是为了解决这样的需求而生的,相对于手写 all 和 count,我们可以定义一个空协议 EnumSet,然后让 HogwartsHouse 遵守它:


protocol EnumSet {}

extension HogwartsHouse: EnumSet {}


这个定义为 Sourcery 提供了一些提示,Sourcery 需要一些方式来确定为哪部分代码进行代码生成,“实现了某个协议”这个条件就是一个很有用的提示。现在,我们可以创建模板文件了,在同一个文件夹中,新建 enumset.stencil,并书写下面的内容:


乍一看上去可能有些可怕,不过其实仔细辨识的话基底依然是 Swift。模板中被 {% %} 包含的内容将被作为代码执行,{{ }} 中的内容将被求值并嵌入到生成的文本中,而其他部分被直接作为文本复制到目标文件里。


第一行:


即“选取那些实现了 EnumSet 的类型,滤出其中所有的 enum 类型,然后对每个 enum 进行枚举”。接下来,我们对这个选出的 enum 类型,为它创建了一个 extension,并对其所有 case 进行迭代,生成 all 数组。最后,将 count 设置为成员个数。


一开始你可能会有不少疑问,types.implementing 是什么,我怎么能知道 enum 在有 name, cases,hasAssociatedValues 之类的属性?Sourcery 有非常详尽的文档,对上述问题,你可以在 Types 和 Enum 的相关页面找到答案。在初上手写模板逻辑时,参照文档是不可避免的。


一切就绪,现在我们可以将源文件喂给模板,来生成最后的代码了:


sourcery --sources ./source.swift --templates ./enumset.stencil


--sources 和 --templates 都可以接受文件夹,Sourcery 会按照后缀自行寻找源文件和模板文件,所以也可以用 sourcery --sources ./ --templates ./ 来替代上面的命令。不过实际操作中还是建议将源文件和模板文件放在不同的文件夹下,方便管理。

在同一个文件夹下,可以看到生成的 enumset.generated.swift 文件:


extension HogwartsHouse {

    static let all: [HogwartsHouse] = [

        .gryffindor,

        .hufflepuff,

        .ravenclaw,

        .slytherin

    ]

    static let count: Int = 4

}


问题解决。:]


字典转换


下面来进行字典转换。类似上面的做法,定义一个空协议,让想要转换的自定义类型满足协议:


protocol DictionaryConvertible {}


struct Cat: DictionaryConvertible {

    let name: String

    let age: Int

}


struct Wizard: DictionaryConvertible {

    let name: String

    let cat: Cat

}


struct Gryffindor: DictionaryConvertible {

    let wizards: [Wizard]

}


接下来就可以尝试以下书写模板代码了。屏上得来终觉浅,有了上面 EnumSet 的经验,我强烈建议你花一点时间自己完成 DictionaryConvertible 的模板。你可以参照 Sourcery 文档 关于单个 TypeVariable 的部分的内容来实现。另外,可以考虑使用 --watch 模式来在文件改变时自动生成代码,来实时观察结果。


sourcery --sources ./ --templates ./ --watch


最后,我的带有完整注释的对应的模板代码如下 (为了方便阅读,调整了一些格式):


生成的代码如下:


// 生成的代码

extension Cat {

    var value: [String: Any] {

        return [

            "name": name,

            "age": age

        ]

    }

}

extension Gryffindor {

    var value: [String: Any] {

        return [

            "wizards": wizards.map { $0.value }

        ]

    }

}

extension Wizard {

    var value: [String: Any] {

        return [

            "name": name,

            "cat": cat.value

        ]

    }

}


最后,我们还需要在原来的 Swift 文件中加上一些原始类型的扩展,这样对于原始类型值的数组和字典,我们的生成代码也能正确处理:


extension Int { var value: Int { return self } }

extension String { var value: String { return self } }

extension Bool { var value: Bool { return self } }


当然,你也可以考虑使用代码生成的方式来搞定,不过因为兼容的类型不会改变,直接写死亦无伤大雅。


相比于 JSON Codable 和 Mirror 的做法,这显然是运行时最高效的方式。除了使用 Sourcery 内建的类型匹配系统和 API 外,你还可以在源码中添加 Sourcery 的标注:/// sourcery:。被标注的内容将可以通过 annotations进行访问,这使得 Sourcery 几乎“无所不能”。


gyb


代码生成方式的另一个“流行”选择时 gyb (Generate Your Boilerplate)。gyb 严格来说就是一个 Python 脚本,它将预定义的值填充到模板中。这个工具被大量用于 Swift 项目本身的开发,标准库中有不少以 .gyb 作为后缀的文件,比如 Array 就是通过 gyb 生成的。


gyb 设计的最初目的主要是为了解决像是 Int8,Int16,Int32 等这一系列十分类似但又必须加以区分的类型中模板代码问题的。(鉴于 Apple 自己都有可能用其他工具来替换掉它,) 我们这里就不展开介绍了。如果你对 gyb 感兴趣,可以看看这篇简明教程


这里引出 gyb,主要是想说明,挖掘 Swift 源码 (特别是标准库源码,因为标准库本身大部分也是由 Swift 写的),是非常有意思的一件事情。今后如果有机会我可能也会写一些阅读 Swift 标准库源码的文章,和大家一起探讨 Swift 源码中一些有趣的事情 :P


AST & libSyntax


我们说到,Sourcery 是依赖于 SourceKitten 获取源码信息的,而一路向下的话,SourceKitten 本身是对 SourceKit (sourcekitd.framework) 的高层级封装,最后它们都是对抽象语法树 (Abstract Syntax Tree, AST) 进行解析操作。编译器将源码 token 化,并构建 AST。


在上面的 Sourcery 的例子中,我们实际上做的首先是通过 AST 获取全部的源码信息,然后将语法单元进行组合,生成 Sourcery API 中的各个对象。接着,将这些对象传递给 Stencil 模板进行“渲染”,得到生成的源码。除了使用模板以外,还有一种直接操作 AST,通过代码“生成”代码的方式,那就是 libSyntax。


libSyntax 相对鲜为人知,它作为 Swift 项目的一个工具库,现在被用于 Swift 代码的重构 (在 Xcode 9 中 Cmd + 点击,你应该可以看到重命名,提取方法等一系列重构操作的菜单)。通过 libSyntax 提供的 API,你可以生成结构化的代码,比如下面的代码片段,可以生成一个名成为 name,类型为 type 的 let 变量声明:


注意,为了使用 SwiftSyntax,你需要安装并切换为 Swift 4.1 的工具链 (至少在本文写作时如此,libSyntax 还没有确定会不会最终集成在 Swift 4.1 中),并为 libSyntax 指定正确的 Runpath 和 Library 搜索路径。关于如何在 Xcode 中使用 libSyntax,可以参考项目主页


SwiftSyntax 这一封装为我们提供了 Swift 类型安全的方式,来操作和生成代码。结合使用工厂类 SyntaxFactory 和各种类型的 builder (希望你还记得设计模式那一整套东西 :P ),可以“方便”地生成我们需要的代码。比如下面的 createLetDecl 为我们生成一个 let 的变量声明,我们之后会用它作为更进一步的例子的构建模块:


import Foundation

import SwiftSyntax


// Trivia 指的是像空格,回车,tab,分号等元素

func createLetDecl(name: String, type: String,

                   leadingTrivia: Trivia = .zero, trailingTrivia: Trivia = .newlines(1)) -> VariableDeclSyntax

{

    // 创建 let 关键字 (`let`)

    let letKeyword = SyntaxFactory.makeLetKeyword(leadingTrivia: leadingTrivia, trailingTrivia: .spaces(1))

    

    // 根据 name 创建属性名 (`name`)

    let nameId = SyntaxFactory.makeIdentifier(name)


    // 组合类型标记 (比如 `: Int` 部分)

    let typeId = SyntaxFactory.makeTypeIdentifier(type, trailingTrivia: trailingTrivia)

    let colon = SyntaxFactory.makeColonToken(trailingTrivia: .spaces(1))

    let typeAnnotation = SyntaxFactory.makeTypeAnnotation(colon: colon, type: typeId)


    let member = IdentifierPatternSyntax { builder in

        builder.useIdentifier(nameId)

    }

    

    let patterBinding = SyntaxFactory.makePatternBinding(pattern: member,

                                                         typeAnnotation: typeAnnotation,

                                                         initializer: nil, accessor: nil, trailingComma: nil)

    let list = SyntaxFactory.makePatternBindingList([patterBinding])

    

    // 生成属性声明

    return SyntaxFactory.makeVariableDecl(attributes: nil, modifiers: nil, letOrVarKeyword: letKeyword, bindings: list)

}


let nameDecl = createLetDecl("name", "String")

// let name: String


let ageDecl = createLetDecl("age", "Int")

// let age: Int


现在,可以尝试用类似的方式生成之前例子中的 Cat 结构体:


let keyword = SyntaxFactory.makeStructKeyword(trailingTrivia: .spaces(1))

let catId = SyntaxFactory.makeIdentifier("Cat", trailingTrivia: .spaces(1))

let members = MemberDeclBlockSyntax {

    $0.useLeftBrace(SyntaxFactory.makeLeftBraceToken(trailingTrivia: .newlines(1)))

    $0.addDecl(createLetDecl(name: "name", type: "String", leadingTrivia: .spaces(4)))

    $0.addDecl(createLetDecl(name: "age", type: "Int", leadingTrivia: .spaces(4), trailingTrivia: .zero))

    $0.useRightBrace(SyntaxFactory.makeRightBraceToken(leadingTrivia: .newlines(1)))

}


let catStruct = StructDeclSyntax {

    $0.useStructKeyword(keyword)

    $0.useIdentifier(catId)

    $0.useMembers(members)

}


print(catStruct)

/*

struct Cat {

    let name: String

    let age: Int

}

*/


SwiftSyntax 是一套功能完备的 Swift 源码生成工具,也就是说,除了变量声明和结构体,其他上至类、枚举、方法,下到访问控制关键字、冒号、逗号,都有对应的类型安全的方式进行操作。除了通过代码生成代码以外,SwiftSyntax 也支持遍历访问所有的 token。回到我们的字典转换的工作,我们需要做的就是,使用 libSyntax 遍历访问 token (或者想简单一些的话可以直接用 SourceKitten),找到我们感兴趣的需要转换的类,然后遍历它的属性声明。接下来将这些属性声明再通过 libSyntax 的各种 maker 和 builder 组织为字典的形式,以 extension 的形式写回对应文件中去。


由于这样来进行字典转换实在没有什么实用价值,所以不再浪费篇幅贴代码了。不过使用 libSyntax 来完成一些像是缩进/对齐/括号换行之类的 formatter 工具会是很不错的选择。你也可以仔细思考看看如果你是 Xcode 的开发者,会如何实现像是重命名或者方法提取这样的重构功能。(也许下一份工作就可以投 Apple 的 Xcode 团队或者 JetBrains 的 AppCode 团队了呢~)


顺带一提,作为元编程库的 libSyntax 本身也大量使用了 gyb 的方式来生成代码,也许你可以把它叫做“元元编程”。😂


SwiftSyntax 非常强大,不过它还在持续的开发中,并没有达到稳定。因此最好也不要现在将它用在实际的项目中,它的文档几乎没有,部分语法支持还没有完整实现,很多细节也还没有最终确定。(不过也正是这样,才满足一个好玩的“玩具”的特质。)


总结


不管是运行时的反射 (类似 Mirror),还是编译前生成代码,都可以归类到“元编程”的范畴里。绕了一大圈,其实对于本文中的例子来说,可能简单地使用 Codable 就已经足够好。不过,从多个角度看这个问题的话,我们能发现不少有趣的其他解决方案,这有益无害。


实际上,有很多工作更适合使用元编程来处理:比如在处理事件统计时,我们可以自动通过定义生成所需要的统计类型;在写网络 API Client 时,可以生成请求的定义;对于重复的单元测试,可以用模板批量生成 mock 或者 stub 帮助简化流程和保持测试代码与产品代码的同步;在策划人员难以直接修改源码时,可以为他们提供配置文件,最后再按照将配置文件生成需要的代码等。每个方面都有值得进一步思考和研究的深度内容,而这种元编程的能力可以让我们避免直接对代码进行重复维护,依靠更加可靠的自动机制避免引入人为错误,这在已有代码需要大范围重复变更的时候尤为有效。


在今后有类似的重复体力劳动需求时,不妨考虑使用元编程的方法稍微放飞自我。:)


 
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