Swift属性包装器的设计模式应用
一、Swift 属性包装器基础回顾
在深入探讨 Swift 属性包装器的设计模式应用之前，我们先来回顾一下属性包装器的基础概念。属性包装器是 Swift 5.1 引入的一项强大特性，它允许我们以一种简洁且可复用的方式来管理属性的存储和访问。
属性包装器本质上是一个结构体、类或枚举，它为属性提供了额外的逻辑。通过 @propertyWrapper 关键字来标记。例如，我们创建一个简单的属性包装器 Box 来包装一个值：
@propertyWrapper
struct Box<T> {
var wrappedValue: T
init(wrappedValue: T) {
self.wrappedValue = wrappedValue
}
}
struct Content {
@Box var value: Int
}
var content = Content()
content.value = 42
print(content.value)
在上述代码中，Box 是一个属性包装器，Content 结构体中的 value 属性被 Box 包装。我们可以像访问普通属性一样访问 content.value，而背后实际是通过 Box 包装器来管理这个值的存储。
二、单例模式与属性包装器
2.1 传统单例实现方式
在 Swift 中，传统的单例模式实现通常是通过一个类的静态属性来实现。例如：
class Singleton {
static let shared = Singleton()
private init() {}
func doSomething() {
print("Singleton is doing something")
}
}
Singleton.shared.doSomething()
这种方式确保了 Singleton 类只有一个实例存在。然而，这种实现方式相对较为简单，当我们需要对单例的创建过程进行一些额外的逻辑处理，比如延迟加载、线程安全等，代码会变得相对复杂。
2.2 使用属性包装器实现单例模式
我们可以利用属性包装器来实现单例模式，使代码更加简洁和可维护。
@propertyWrapper
struct SingletonWrapper<T: AnyObject> {
private static var instance: T?
var wrappedValue: T {
if SingletonWrapper.instance == nil {
SingletonWrapper.instance = T.init() as? T
}
return SingletonWrapper.instance!
}
}
class MySingleton {
@SingletonWrapper static var shared: MySingleton
private init() {}
func doWork() {
print("MySingleton is working")
}
}
MySingleton.shared.doWork()
在上述代码中，SingletonWrapper 是一个属性包装器，它管理着 MySingleton 类的单例实例。通过 @SingletonWrapper 修饰 MySingleton 类的 shared 静态属性，当第一次访问 MySingleton.shared 时，会创建单例实例，后续访问则直接返回已创建的实例。这种方式将单例的创建逻辑封装在属性包装器中，使得 MySingleton 类本身更加简洁，只专注于自身的业务逻辑。
三、数据验证模式与属性包装器
3.1 简单的数据验证需求
在很多应用场景中，我们需要对属性的值进行验证。例如，一个表示年龄的属性，我们希望它的值在合理的范围内（比如 0 到 120 之间）。传统方式下，我们可能会在属性的 setter 方法中进行验证：
struct Person {
private var _age: Int = 0
var age: Int {
get {
return _age
}
set {
if newValue >= 0 && newValue <= 120 {
_age = newValue
} else {
print("Invalid age value")
}
}
}
}
var person = Person()
person.age = 30
person.age = 150
在上述代码中，Person 结构体的 age 属性在设置新值时会进行验证。如果值不在合理范围内，会打印提示信息。然而，这种方式会使属性的定义部分变得冗长，并且如果有多个属性都需要类似的验证逻辑，代码会出现重复。
3.2 使用属性包装器进行数据验证
我们可以创建一个属性包装器来处理数据验证逻辑，从而使属性的定义更加简洁。
@propertyWrapper
struct Validated<T> {
private var value: T
private let validator: (T) -> Bool
var wrappedValue: T {
get {
return value
}
set {
if validator(newValue) {
value = newValue
} else {
print("Invalid value")
}
}
}
init(wrappedValue: T, validator: @escaping (T) -> Bool) {
self.value = wrappedValue
self.validator = validator
}
}
struct NewPerson {
@Validated(wrappedValue: 0, validator: { $0 >= 0 && $0 <= 120 }) var age: Int
}
var newPerson = NewPerson()
newPerson.age = 25
newPerson.age = 150
在上述代码中，Validated 是一个属性包装器，它接受一个验证闭包 validator。NewPerson 结构体中的 age 属性使用 @Validated 进行包装，并传入初始值和验证逻辑。这样，当设置 age 的值时，会自动调用验证逻辑，只有验证通过才会更新值。这种方式将数据验证逻辑从属性定义中分离出来，提高了代码的复用性和可维护性。
四、延迟加载模式与属性包装器
4.1 传统延迟加载实现
在 Swift 中，传统的延迟加载属性通常使用 lazy 关键字来实现。例如：
class DataLoader {
func loadData() -> [String] {
// 模拟加载数据的耗时操作
print("Loading data...")
return ["data1", "data2", "data3"]
}
}
class ViewModel {
lazy var data: [String] = {
let loader = DataLoader()
return loader.loadData()
}()
func displayData() {
print(data)
}
}
let viewModel = ViewModel()
// 第一次访问 data 属性时才会加载数据
viewModel.displayData()
在上述代码中，ViewModel 类的 data 属性使用 lazy 关键字进行延迟加载。当第一次访问 data 属性时，才会执行闭包中的代码来加载数据。
4.2 使用属性包装器实现延迟加载
我们也可以通过属性包装器来实现延迟加载，并且可以提供更多的定制化功能。
@propertyWrapper
struct LazyLoad<T> {
private var value: T?
private let initializer: () -> T
var wrappedValue: T {
if value == nil {
value = initializer()
}
return value!
}
init(_ initializer: @escaping () -> T) {
self.initializer = initializer
}
}
class NewDataLoader {
func fetchData() -> [Int] {
print("Fetching data...")
return [1, 2, 3]
}
}
class NewViewModel {
@LazyLoad {
let loader = NewDataLoader()
return loader.fetchData()
} var newData: [Int]
func showData() {
print(newData)
}
}
let newViewModel = NewViewModel()
// 第一次访问 newData 属性时才会加载数据
newViewModel.showData()
在上述代码中，LazyLoad 是一个属性包装器，它接受一个闭包 initializer 来初始化值。NewViewModel 类的 newData 属性使用 @LazyLoad 进行包装，并传入初始化闭包。当第一次访问 newData 属性时，才会执行闭包中的代码来加载数据。这种方式通过属性包装器实现了延迟加载，并且可以根据具体需求对延迟加载的逻辑进行定制。
五、依赖注入模式与属性包装器
5.1 依赖注入基础概念
依赖注入是一种设计模式，它允许我们将对象所依赖的其他对象通过外部传递进来，而不是在对象内部创建。这样可以提高代码的可测试性和可维护性。例如，一个 UserService 类依赖于一个 Database 类来获取用户数据：
class Database {
func fetchUserData() -> String {
return "User data from database"
}
}
class UserService {
private let database: Database
init(database: Database) {
self.database = database
}
func getUserData() -> String {
return database.fetchUserData()
}
}
let database = Database()
let userService = UserService(database: database)
print(userService.getUserData())
在上述代码中，UserService 类通过构造函数接受一个 Database 实例，这就是一种简单的依赖注入方式。
5.2 使用属性包装器实现依赖注入
我们可以利用属性包装器来简化依赖注入的过程。
@propertyWrapper
struct Inject<T> {
let value: T
var wrappedValue: T {
return value
}
init(_ value: T) {
self.value = value
}
}
class NewDatabase {
func retrieveUserData() -> String {
return "New user data from database"
}
}
class NewUserService {
@Inject var database: NewDatabase
func getNewUserData() -> String {
return database.retrieveUserData()
}
}
let newDatabase = NewDatabase()
let newUserService = NewUserService()
newUserService.database = newDatabase
print(newUserService.getNewUserData())
在上述代码中，Inject 是一个属性包装器，它包装了 NewUserService 类的 database 属性。通过 @Inject，我们可以方便地将 NewDatabase 实例注入到 NewUserService 中。这种方式使依赖注入的过程更加直观和简洁，尤其是在处理多个依赖关系时，代码的可读性会得到显著提升。
六、属性包装器在复杂业务场景中的综合应用
6.1 场景描述
假设我们正在开发一个电商应用，其中有一个 Product 结构体表示商品。商品有价格、库存等属性，并且我们需要对这些属性进行数据验证、延迟加载以及依赖注入等操作。
6.2 代码实现
首先，我们创建数据验证的属性包装器：
@propertyWrapper
struct PriceValidator {
private var price: Double
var wrappedValue: Double {
get {
return price
}
set {
if newValue > 0 {
price = newValue
} else {
print("Invalid price value")
}
}
}
init(wrappedValue: Double) {
self.price = wrappedValue
}
}
@propertyWrapper
struct StockValidator {
private var stock: Int
var wrappedValue: Int {
get {
return stock
}
set {
if newValue >= 0 {
stock = newValue
} else {
print("Invalid stock value")
}
}
}
init(wrappedValue: Int) {
self.stock = wrappedValue
}
}
然后，创建延迟加载的属性包装器，用于加载商品描述：
@propertyWrapper
struct LazyDescription {
private var description: String?
private let fetcher: () -> String
var wrappedValue: String {
if description == nil {
description = fetcher()
}
return description!
}
init(_ fetcher: @escaping () -> String) {
self.fetcher = fetcher
}
}
接着，创建依赖注入的属性包装器，用于注入商品图片加载器：
@propertyWrapper
struct ImageLoaderInject {
let loader: ImageLoader
var wrappedValue: ImageLoader {
return loader
}
init(_ loader: ImageLoader) {
self.loader = loader
}
}
class ImageLoader {
func loadImage() -> String {
return "Loaded product image"
}
}
最后，定义 Product 结构体：
struct Product {
@PriceValidator var price: Double
@StockValidator var stock: Int
@LazyDescription {
"This is a great product"
} var description: String
@ImageLoaderInject var imageLoader: ImageLoader
func displayInfo() {
print("Price: \(price), Stock: \(stock), Description: \(description), Image: \(imageLoader.loadImage())")
}
}
let imageLoader = ImageLoader()
let product = Product()
product.price = 100.0
product.stock = 50
product.imageLoader = imageLoader
product.displayInfo()
在上述代码中，Product 结构体综合运用了数据验证、延迟加载和依赖注入的属性包装器。通过这种方式，我们可以将复杂的业务逻辑以一种清晰、可维护的方式组织起来，使得代码更加易于理解和扩展。
七、属性包装器在 iOS 开发中的应用实践
7.1 视图绑定
在 iOS 开发中，我们经常需要将视图的属性与数据模型进行绑定。例如，一个 UILabel 的文本属性需要根据数据模型中的某个属性进行更新。我们可以使用属性包装器来简化这个过程。
import UIKit
@propertyWrapper
struct LabelBinding {
weak var label: UILabel?
var wrappedValue: String {
didSet {
label?.text = wrappedValue
}
}
init(wrappedValue: String, label: UILabel) {
self.wrappedValue = wrappedValue
self.label = label
}
}
class ViewController: UIViewController {
@IBOutlet weak var myLabel: UILabel!
@LabelBinding(wrappedValue: "", label: myLabel) var displayText: String
override func viewDidLoad() {
super.viewDidLoad()
displayText = "Hello, iOS!"
}
}
在上述代码中，LabelBinding 是一个属性包装器，它将 displayText 属性与 UILabel 进行绑定。当 displayText 的值发生变化时，会自动更新 UILabel 的文本。
7.2 视图状态管理
在处理视图的状态（如是否可点击、是否隐藏等）时，属性包装器也能发挥很大作用。
@propertyWrapper
struct ButtonState {
weak var button: UIButton?
var wrappedValue: Bool {
didSet {
button?.isEnabled = wrappedValue
}
}
init(wrappedValue: Bool, button: UIButton) {
self.wrappedValue = wrappedValue
self.button = button
}
}
class AnotherViewController: UIViewController {
@IBOutlet weak var actionButton: UIButton!
@ButtonState(wrappedValue: true, button: actionButton) var isButtonEnabled: Bool
func updateButtonState() {
isButtonEnabled = false
}
}
在上述代码中，ButtonState 属性包装器管理着 UIButton 的启用状态。通过 @ButtonState 包装的 isButtonEnabled 属性，当该属性值改变时，会自动更新 UIButton 的启用状态，使得视图状态管理更加简洁和直观。
八、属性包装器与代码可测试性
8.1 传统代码测试的痛点
在传统的代码结构中，属性的内部逻辑与类的业务逻辑紧密耦合，这给单元测试带来了一定的困难。例如，对于一个包含复杂数据验证逻辑的属性，在测试时可能需要深入到类的内部去模拟各种输入情况，测试代码会变得复杂且难以维护。
8.2 属性包装器对可测试性的提升
属性包装器将属性的管理逻辑分离出来，使得测试更加容易。以之前的数据验证属性包装器 Validated 为例：
// 测试 Validated 属性包装器
import XCTest
class ValidatedTests: XCTestCase {
func testValidValue() {
let validator = { (value: Int) -> Bool in value >= 0 && value <= 100 }
var validated = Validated(wrappedValue: 50, validator: validator)
XCTAssertEqual(validated.wrappedValue, 50)
}
func testInvalidValue() {
let validator = { (value: Int) -> Bool in value >= 0 && value <= 100 }
var validated = Validated(wrappedValue: 150, validator: validator)
XCTAssertNotEqual(validated.wrappedValue, 150)
}
}
在上述测试代码中，我们可以单独对 Validated 属性包装器进行测试，而不需要依赖于包含该属性的整个类。这种分离使得测试更加聚焦和简单，提高了代码的可测试性。
九、属性包装器的性能考虑
9.1 额外的间接层
属性包装器引入了额外的间接层，每次访问包装的属性时，都会经过包装器的 wrappedValue 的 get 和 set 方法。这在一定程度上会带来性能开销，尤其是在频繁访问属性的场景下。例如：
@propertyWrapper
struct PerformanceTestWrapper {
var wrappedValue: Int
init(wrappedValue: Int) {
self.wrappedValue = wrappedValue
}
}
struct PerformanceTestStruct {
@PerformanceTestWrapper var number: Int
}
var testStruct = PerformanceTestStruct()
for _ in 0..<1000000 {
testStruct.number += 1
}
在上述代码中，PerformanceTestStruct 的 number 属性被 PerformanceTestWrapper 包装。每次对 number 进行加 1 操作时，都会经过包装器的 wrappedValue 的 set 方法，相比于直接访问普通属性，会有一定的性能损耗。
9.2 优化建议
为了减少性能影响，在设计属性包装器时，应尽量保持 wrappedValue 的 get 和 set 方法的逻辑简洁。避免在这些方法中进行复杂的计算或 I/O 操作。如果性能要求非常高，对于一些频繁访问的属性，可以考虑不使用属性包装器，或者对属性包装器进行针对性的优化，比如缓存一些计算结果等。
十、属性包装器与代码维护
10.1 代码可读性提升
属性包装器将属性的特定逻辑（如验证、延迟加载等）封装起来，使得类的属性定义部分更加简洁明了。例如，通过 @Validated 修饰属性，我们可以一眼看出该属性需要进行数据验证，而不需要去查看属性的 setter 方法中的复杂逻辑。这大大提高了代码的可读性，使得新加入的开发人员能够快速理解代码的意图。
10.2 维护成本降低
当属性的管理逻辑需要修改时，比如修改数据验证规则，我们只需要在属性包装器中进行修改，而不需要在每个使用该属性的类中进行修改。这使得代码的维护成本大大降低，同时也减少了因为修改而引入错误的风险。例如，对于之前的 Validated 属性包装器，如果我们需要修改验证逻辑，只需要在 Validated 结构体中修改 validator 闭包即可，而不会影响到其他使用该包装器的代码。
综上所述，Swift 属性包装器在设计模式应用方面具有丰富的可能性，它不仅能提升代码的可读性、可维护性和可测试性，还能在复杂业务场景和 iOS 开发中发挥重要作用。然而，在使用过程中，我们也需要关注性能问题，合理地运用属性包装器，以达到最佳的开发效果。