Swift底层原理探索2----枚举

枚举的基本你用法

enum Direction_1 {
    case north, south, east, west
}

enum Direction {
    case north
    case south
    case east
    case west
}
var dir = Direction.west
dir = Direction.east
dir = .north
print(dir)

switch dir {
case .north:
    print("north")
case .south:
    print("south")
case .east:
    print("east")
case .west:
    print("west")
}

关联值（Associated Values）

关联值是直接存在枚举变量的内存里面的，这点要牢记，对于一个有固定取值范围的变量，设计成枚举比较合适

enum Score {
    case points(Int)
    case grade(Character)
}
var score = Score.points(96)
score = .grade("A")

switch score {
case let .points(i):
    print(i, "points")
case let .grade(i):
    print("grade", i)
} // grade A

enum Date {
    case digit(year: Int, month: Int, day: Int)
    case string(String)
}
var date = Date.digit(year: 2020, month: 02, day: 29)
date = .string("2020-02-29")
switch date {
case let .digit(year, month, day):  
    print(year, month, day)
case let .string(dateStr):
    print(dateStr)
    
} // "2020-02-29"

注意上看switch内部对let/var关键字的使用，如果下载枚举值左边，那么关联值只能统一绑定给let常量或者var变量

case let .digit(year, month, day): //year、month、day都是let常量
case var .digit(year, month, day): //year、month、day都是var变量

如果let/var关键字写在关联值括号内，就比较灵活

case .digit(let year, var month, let day)

另外一些枚举举例

enum Password {
    case number(Int, Int, Int, Int)
    case gesture(String)
}
var pwd = Password.number(3, 5, 7, 9)
pwd = .gesture("3259")
switch pwd {
case let .number(n1 , n2 , n3 , n4 ): //数字密码
    print("number is", n1, n2, n3, n4)
case let .gesture(pwdStr):// 字符串密码
    print("gestrue is", pwdStr)
}

原始值（Raw Values）

枚举成员可以只用相同类型的默认值预先关联，这个默认值叫做 原始值

enum PokerSuit: Character { //这里的Character表示的是枚举值所关联的原始值
    case spade = "️"
    case heart = "️"
    case diamond = "️"
    case club = "️"
}
var suit = PokerSuit.spade
print(suit)
print(suit.rawValue)
print(PokerSuit.club.rawValue)

enum Grade: String {
    case perfect = "A"
    case great = "B"
    case good = "C"
    case bad = "D"
}
print(Grade.perfect.rawValue) // A
print(Grade.great.rawValue) // B
print(Grade.good.rawValue) // C
print(Grade.bad.rawValue) // D

隐式原始值（Implicitly Assigned Raw Values）

enum Direction1: String {
    case north, south, east, west
}
print(Direction1.north.rawValue)

enum Direction2: String {
    case north = "nor", south, east, west
}
print(Direction2.north.rawValue)//有赋值，就用赋值的字符串
print(Direction2.south.rawValue)//没赋值， 就用case名字符串

enum Season: Int {
    case spring, summer, autumn, winter
}
print(Season.spring.rawValue)//0
print(Season.summer.rawValue)//1
print(Season.autumn.rawValue)//2
print(Season.winter.rawValue)//3

enum Season2: Int {
    case spring = 2, summer, autumn = 6, winter
}
print(Season2.spring.rawValue) //2
print(Season2.summer.rawValue) //3
print(Season2.autumn.rawValue) //6
print(Season2.winter.rawValue) //7

递归枚举（Recursive Enumeration）

//书写方法一
indirect enum ArithExpr_1 {
    case number(Int)
    case sum(ArithExpr, ArithExpr)
    case difference(ArithExpr, ArithExpr)
}

//书写方法二
enum ArithExpr {
    case number(Int)
    indirect case sum(ArithExpr, ArithExpr)
    indirect case difference(ArithExpr, ArithExpr)
}

let five = ArithExpr.number(5)
let four = ArithExpr.number(4)
let two = ArithExpr.number(2)
let sum = ArithExpr.sum(five, four)
let difference = ArithExpr.difference(sum, two)


func calculate(_ expr: ArithExpr) -> Int{
    switch expr {
    case let .number(value):
        return value
    case let .sum(left, right):
        return calculate(left) + calculate(right)
    case let .difference(left, right):
        return calculate(left) - calculate(right)
    }
}

MemoryLayout

我们可以使用 MemoryLayout 来获取数据类型占用的内存大小，相当于C里面使用的sizeof

enum Password2 {
    case number(Int, Int, Int, Int)
    case other
}
MemoryLayout<Password2>.stride //系统分配给变量的内存大小--40
MemoryLayout<Password2>.size //实际被使用的内存大小--33
MemoryLayout<Password2>.alignment //对其参数--8

var pd = Password2.number(9, 8, 7, 6)
pd = .other
print(pd) //"other/n"
MemoryLayout.stride(ofValue: pd)  //40
MemoryLayout.size(ofValue: pd)  //33
MemoryLayout.alignment(ofValue: pd)  //8

枚举在内存中是如何存储的？

通过MemoryLayout，我们只能简单查看一些内存相关的信息，但还不足以看清枚举在内存中的具体细节，由于Xcode调试工具无法为我们提供枚举变量的内存地址，因此需要借助一些额外的工具，这里推介一下大牛李明杰的一个工具。

（1）首先来看下一种简单的情况～～～～～～～

enum TestEnum {
    case test1, test2, test3
}
print("系统实际分配内存",MemoryLayout<TestEnum>.stride)
print("实际使用的内存",MemoryLayout<TestEnum>.size)
print("内存对齐参数",MemoryLayout<TestEnum>.alignment)

var t = TestEnum.test1
print("枚举变量t的内存地址：",Mems.ptr(ofVal: &t)) //这里可以输出变量t的内存地址
t = .test2
t = .test3
print("Stop for debug")

Mems.ptr(ofVal: &t)可以帮我们获得变量t的内存地址，准备好3个断点

image

然后将程序运行值断点1处，此时我们已经获得t的内存地址，根据该地址，调出内存界面，我们来观察一下此时的内存细节

image

在继续走到断点2、断点3处，对比一下各自的内存情况如下

image

在这里插入图片描述

小结：enum TestEnum { case test1, test2, test3 }

系统为TestEnum类型的变量分配1个字节的内存空间

test1 、 test2、 test3 三个case对应在内存中用整数0、1、2来表示

（2）把场景调整为有Int型原始值的情形如下～～～～～～～

enum TestEnum: Int {
    case test1
    case test2 = 3
    case test3
    case test4 = 10
    case test5
}
print("系统实际分配内存",MemoryLayout<TestEnum>.stride)
print("实际使用的内存",MemoryLayout<TestEnum>.size)
print("内存对齐参数",MemoryLayout<TestEnum>.alignment)

var t = TestEnum.test1
print("枚举变量t的内存地址：",Mems.ptr(ofVal: &t)) //这里可以输出变量t的内存地址
t = .test2
t = .test3
t = .test4
t = .test5
print("Stop for debug")

按照上面同样的方法，对比各自case的内存情况如下

image

我们在查看一下各自case的rawValue

print("test1的rawValue：", TestEnum.test1.rawValue)
print("test2的rawValue：", TestEnum.test2.rawValue)
print("test2的rawValue：", TestEnum.test3.rawValue)
print("test2的rawValue：", TestEnum.test4.rawValue)
print("test2的rawValue：", TestEnum.test5.rawValue)

***********运行结果
test1的rawValue： 0
test2的rawValue： 3
test2的rawValue： 4
test2的rawValue： 10
test2的rawValue： 11

看得出，如果原始值类型为Int：

那么在不手动设定的情况下，首个case的原始值默为整数0，非首个case的默认值为上一个case的默认值+1
如果手动设定了，那么原始值即为设定值。

（3）看过了带Int型原始值的情况之后，在看一下带String型原始值的情况，改造如下～～～～～～～

enum TestEnum: String {
    case test1
    case test2 = "AA"
    case test3 = "汉字"
    case test4 = "🦕"
    case test5
}
print("系统实际分配内存",MemoryLayout<TestEnum>.stride)
print("实际使用的内存",MemoryLayout<TestEnum>.size)
print("内存对齐参数",MemoryLayout<TestEnum>.alignment)

var t = TestEnum.test1
print("枚举变量t的内存地址：",Mems.ptr(ofVal: &t)) //这里可以输出变量t的内存地址
t = .test2
t = .test3
t = .test4
t = .test5
print("Stop for debug")


print("test1的rawValue：", TestEnum.test1.rawValue)
print("test2的rawValue：", TestEnum.test2.rawValue)
print("test2的rawValue：", TestEnum.test3.rawValue)
print("test2的rawValue：", TestEnum.test4.rawValue)
print("test2的rawValue：", TestEnum.test5.rawValue)

****************运行结果
系统实际分配内存 1
实际使用的内存 1
内存对齐参数 1
枚举变量t的内存地址： 0x0000000100008218
Stop for debug
test1的rawValue： test1
test2的rawValue： AA
test2的rawValue： 汉字
test2的rawValue： 🦕
test2的rawValue： test5
Program ended with exit code: 0

内存的情况这里省略，和上面Int型的时候是一样的，根据调试输出的情况，我们可以看出

如果不设置原始值，那么case的原始值为该case名称的字符串
如果设置了原始值，那吗case的原始值即为设定值

总结带原始值的枚举

枚举变量本身的就占一个字节

枚举变量所对应的内存里所存放的具体值：对应第一个case为0，并且往后逐个+1

（4）带关联值的场景～～～～～～～

enum TestEnum {
    case test1(a: Int, b: Int, c: Int)
    case test2(d: Int, e: Int)
    case test3(f: Int)
    case test4(g: Bool)
    case test5
}
print("系统实际分配内存",MemoryLayout<TestEnum>.stride)
print("实际使用的内存",MemoryLayout<TestEnum>.size)
print("内存对齐参数",MemoryLayout<TestEnum>.alignment)

var t = TestEnum.test1(a: 1, b: 2, c: 3)
//这里可以输出变量t的内存地址
print("枚举变量t的内存地址：",Mems.ptr(ofVal: &t))
t = .test2(d: 4, e: 5)
t = .test3(f: 6)
t = .test4(g: true)
t = .test5
print("Stop for debug")

*****************运行结果
系统实际分配内存 32
实际使用的内存 25
内存对齐参数 8
枚举变量t的内存地址： 0x0000000100008208

接下来照例在过一遍内存，下面直接贴上内存查看的结果

t = test1(a: 1, b: 2, c: 3)

01 00 00 00 00 00 00 00  --> 对应a
02 00 00 00 00 00 00 00  --> 对应b
03 00 00 00 00 00 00 00  --> 对应c
00 00 00 00 00 00 00 00  --> 对应case test1

t = test2(d: 4, e: 5)

04 00 00 00 00 00 00 00  --> 对应d
05 00 00 00 00 00 00 00  --> 对应e
00 00 00 00 00 00 00 00  --> 此时没用到
01 00 00 00 00 00 00 00  --> 对应case test2

t = test3(f: 6)

06 00 00 00 00 00 00 00  --> 对应f
00 00 00 00 00 00 00 00  --> 此时没用到
00 00 00 00 00 00 00 00  --> 此时没用到
02 00 00 00 00 00 00 00  --> 对应case test3

t = test4(g: true)

01 00 00 00 00 00 00 00  --> 对应g
00 00 00 00 00 00 00 00  --> 此时没用到
00 00 00 00 00 00 00 00  --> 此时没用到
03 00 00 00 00 00 00 00  --> 对应case test4

t = test5

00 00 00 00 00 00 00 00  --> 此时没用到
00 00 00 00 00 00 00 00  --> 此时没用到
00 00 00 00 00 00 00 00  --> 此时没用到
04 00 00 00 00 00 00 00  --> 对应case test5

总结带关联值的枚举

枚举变量的成员case的值只用了其内存空间的1字节来存放

枚举的case关联值也存放在枚举变量的内存中

系统为枚举的case关联值所分配的内存空间，必须保证可以放下所需内存最大的那个关联值

枚举变量的内存空间里，先存放存放的是case关联值，成员case的值被放在最后

枚举变量的内存总空间按内存对齐参数进行补齐（计算机常识）

（5）一些极端场景～～～～～～～

enum TestEnum {
    case test
}

print("系统实际分配内存",MemoryLayout<TestEnum>.stride)
print("实际使用的内存",MemoryLayout<TestEnum>.size)
print("内存对齐参数",MemoryLayout<TestEnum>.alignment)
var t = TestEnum.test
print(print("枚举变量t的内存地址：",Mems.ptr(ofVal: &t)))

****************运行结果
系统实际分配内存 1
实际使用的内存 0
内存对齐参数 1
枚举变量t的内存地址： 0x0000000000000001
Program ended with exit code: 0

可以看到，系统确实是分配了1个字节给枚举，但是实际上用到了0个，因为一种情况不需要做任何区分，所以也就不需要存储，当然貌似没人会这么用，所以系统针对这种情况下的处理，就不难理解了。在看看带关联值的情况：

enum TestEnum {
    case test(Int)
}

print("系统实际分配内存",MemoryLayout<TestEnum>.stride)
print("实际使用的内存",MemoryLayout<TestEnum>.size)
print("内存对齐参数",MemoryLayout<TestEnum>.alignment)
var t = TestEnum.test(10)
print("枚举变量t的内存地址：",Mems.ptr(ofVal: &t))
print("Stop for debug")

***************运行结果
系统实际分配内存 8
实际使用的内存 8
内存对齐参数 8
枚举变量t的内存地址： 0x0000000100007200
Stop for debug
Program ended with exit code: 0

***************汇编结果
0A 00 00 00 00 00 00 00

可以看到系统直接分配了8个字节来存储枚举里面的Int型关联值，没有分配空间来存储成员case的值，原因和上面很想，因为现在就是一种case，没有必要再存储成员变量的值，只需要关心case关联值就好。那如果有一个以上的case，是不是就会给成员case分配空间了？咱们试试看，如下

enum TestEnum {
    case other
    case test(Int)
}

print("系统实际分配内存",MemoryLayout<TestEnum>.stride)
print("实际使用的内存",MemoryLayout<TestEnum>.size)
print("内存对齐参数",MemoryLayout<TestEnum>.alignment)

var t = TestEnum.other
//Mem.memStr是大神李明杰提供的工具，文中有链接，可以帮我直接获取变量的内存里面的值
print("枚举变量t = other 时的内存情况：  ",Mems.memStr(ofVal: &t)) 
t = TestEnum.test(10)
print("枚举变量t = test(10)时的内存地址：",Mems.memStr(ofVal: &t))
print("Stop for debug")

***************运行结果
系统实际分配内存 16
实际使用的内存 9
内存对齐参数 8
枚举变量t = other 时的内存情况：   0x0000000000000000 0x0000000000000001
枚举变量t = test(10)时的内存地址： 0x000000000000000a 0x0000000000000000

可以看出，只要case大于1个，除了Int型关联值需要占用8个字节外，枚举变量还使用了1个字节来存储成员case的值，根据内存对齐参数8，系统给枚举变量分配了16字节空间。上面的结果中，最后一个字节是用来存放成员case的值也就是case other 对应了01， case test 对应了00，但是感觉顺序不太对，明明是other在前，test在后的，带着这个疑问，我们把用例改造如下

enum TestEnum {
    case aaa
    case test(Int)
    case ccc
    case test3(Int, Int)
    case test2(Int,Int, Int)
    case other
}
print("系统实际分配内存",MemoryLayout<TestEnum>.stride)
print("实际使用的内存",MemoryLayout<TestEnum>.size)
print("内存对齐参数",MemoryLayout<TestEnum>.alignment)

var t = TestEnum.aaa
print("t = .aaa的内存情况：              ",Mems.memStr(ofVal: &t))
t = TestEnum.test(10)
print("t = .test(10)的内存情况：         ",Mems.memStr(ofVal: &t))
t = TestEnum.ccc
print("t = .ccc的内存情况：              ",Mems.memStr(ofVal: &t))
t = TestEnum.test3(16, 32)
print("t = .test3(16, 32)的内存情况：    ",Mems.memStr(ofVal: &t))
t = TestEnum.test2(20, 20, 20)
print("t = .test2(20, 20, 20)的内存情况：",Mems.memStr(ofVal: &t))
t = TestEnum.other
print("t = .other的内存情况：            ",Mems.memStr(ofVal: &t))
print("Stop for debug")



*************************************运行结果
系统实际分配内存 32
实际使用的内存 25
内存对齐参数 8
t = .aaa的内存情况：               0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000000000000003
t = .test(10)的内存情况：          0x000000000000000a 0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000000000000000
t = .ccc的内存情况：               0x0000000000000001 0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000000000000003
t = .test3(16, 32)的内存情况：     0x0000000000000010 0x0000000000000020 0x0000000000000000 0x0000000000000001
t = .test2(20, 20, 20)的内存情况： 0x0000000000000014 0x0000000000000014 0x0000000000000014 0x0000000000000002
t = .other的内存情况：             0x0000000000000002 0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000000000000003
Stop for debug
Program ended with exit code: 0

从上面的调试，又挖掘了一点小细节：

image

对于有关联值的成员case，它的case值会根据定义的顺序，默认从0开始+1累加，
其余所有不带关联值的成员case，它们的case值相同，而且都等于最后一个可关联成员case 的值+1

关联值 VS 原始值rawValue

以上我们看清楚了简单枚举、关联值枚举、原始值枚举在内存中分别是如何存储的，可以看出，枚举的关联值和原始值又以下区别：

内存角度：关联值是直接存储在枚举变量内存里面的，而原始值则不是，因为原始值是通过xx.rawValue访问的，因此它的值完全不需要存储，可以在枚举定义完之后通过方法提供给外部。
使用角度：原始值必须在枚举定义的时候确定原始值类型，才能被使用 enum Direction : String/Int/... {...}。关联值则必须在枚举定义的时候，确定好case所对应的关联值类型
赋值：关联值只能在枚举case被赋值给变量的时候进行赋值，因为同一个case每次被赋值给变量，都需要设定一个关联值，因此也可以说关联值是可以改变的，如下

enum Score {
    case points(Int)
    case grade(Character)
}
var score = Score.points(96)
score = .grade("A")
score = .grade("B") -->相同的case，不同的关联值

而原始值，只能在枚举定义的时候进行赋值，不赋值则系统会给定相应的默认值，也就是只有一次机会可以赋值，定义完枚举之后，就没有办法可以更改原始值了，示例如下

enum Grade: String {
    case perfect = "A"
    case great
    case good = "C"
    case bad = "D"
}
print(Grade.perfect.rawValue) --> A
print(Grade.great.rawValue) --> 定义时无赋值，系统默认为case的名称 great
print(Grade.good.rawValue) --> C
print(Grade.bad.rawValue) -> D

`switch`的实现原理(待续...)

最后编辑于：2020.10.15 10:03:25

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Swift底层原理探索2----枚举

枚举的基本你用法

关联值（Associated Values）

原始值（Raw Values）

隐式原始值（Implicitly Assigned Raw Values）

递归枚举（Recursive Enumeration）

MemoryLayout

枚举在内存中是如何存储的？

关联值 VS 原始值rawValue

switch的实现原理(待续...)

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