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使用键路径访问字典

作者：Ole Begemann，原文链接，原文日期：2017-01-09

译者：Cwift；校对： walkingway ；定稿： CMB

在 Swift Talk episode 31 上，Chris 和 Florian 展示了一种针对 Swift 中可变的嵌套异构字典的解决方案，这种字典是 [String:Any] 类型的。这是一个有趣的讨论，我鼓励你看看原视频或者阅读这篇优秀的文字记录。

我为准备这期对话节目做了点微小的贡献，不过围绕这个问题所进行的一些实验代码视频并没有提到，所以我想在这里展示给你。

一个异构字典

让我们从一个有着多层嵌套结构的异构字典入手。当你从一个 Web 服务器获取一个 JSON 数据或者从一个 plist 文件中加载初始化数据时，可能经常遇到这种结构的数据：

var dict: [String: Any] = [
    "language": "de",
    "translator": "Erika Fuchs",
    "translations": [
        "characters": [
            "Scrooge McDuck": "Dagobert",
            "Huey": "Tick",
            "Dewey": "Trick",
            "Louie": "Track",
            "Gyro Gearloose": "Daniel Düsentrieb",
        ],
        "places": [
            "Duckburg": "Entenhausen",
            "Money Bin": "Geldspeicher",
        ]
    ]
]

Florian 和 Chris 的解决方案允许你使用下面的语法来访问（以及修改）数组中嵌套的值：

dict[jsonDict: "translations"]?[jsonDict: "characters"]?[string: "Gyro Gearloose"]
// → "Daniel Düsentrieb"

使用键路径作为字典的下标

我想要引入一个类似于 Cocoa 中 KVC 使用的键路径的语法。结果看起来应该像这样：

dict[keyPath: "translations.characters.Gyro Gearloose"]
// → "Daniel Düsentrieb"

我们不能使用 Swift 中现有的 #keyPath 结构，因为它会在编译时检查键路径所引用的属性是否存在，这不可能应用到字典中。

KeyPath 类型

让我们用一个新的类型来表示键路径。它使用路径分段的数组来保存键路径，并且有一个便捷方法可以分离当前的首路径，稍后我们就会用到。

struct KeyPath {
    var segments: [String]

    var isEmpty: Bool { return segments.isEmpty }
    var path: String {
        return segments.joined(separator: ".")
    }

    /// 分离首路径并且
    /// 返回一组值，包含分离出的首路径以及余下的键路径
    /// 如果键路径没有值的话返回nil。
    func headAndTail() -> (head: String, tail: KeyPath)? {
        guard !isEmpty else { return nil }
        var tail = segments
        let head = tail.removeFirst()
        return (head, KeyPath(segments: tail))
    }
}

将这个功能添加到一个自定义的类型中不是绝对必要的；毕竟，我们在处理字符串类型的数据，所以这个方案中没有增加太多的类型安全方面的保护。提取字符串解析的代码很方便，所以不必在字典的下标中处理它。

说到解析，我们需要一个构造器，它接受一个键路径并且将其转换为内部使用的数组的表示形式：

import Foundation

///使用 "this.is.a.keypath" 这种格式的字符串初始化一个 KeyPath
extension KeyPath {
    init(_ string: String) {
        segments = string.components(separatedBy: ".")
    }
}

下一步是遵守 ExpressibleByStringLiteral 协议。这样我们就可以使用一个诸如 “this.is.a.key.path” 这种纯粹的字符串字面量来创建一个键路径了。这个协议包含了三个必须实现的构造器，所有的构造器都代理给我们刚刚定义的那个构造器：

extension KeyPath: ExpressibleByStringLiteral {
    init(stringLiteral value: String) {
        self.init(value)
    }
    init(unicodeScalarLiteral value: String) {
        self.init(value)
    }
    init(extendedGraphemeClusterLiteral value: String) {
        self.init(value)
    }
}

字典下标

现在，该给字典写一个扩展了。键路径只对键为字符串的字典有意义。不幸的是，在扩展包含泛型参数的对象时，Swift 3.0 不支持在扩展时选择泛型的具体类型，例如这样的格式： extension Dictionary where Key == String 。不过这个特性已经实现了，并将成为 Swift 3.1 中的一部分。

在此之前，我们可以定义一个虚拟的协议，然后让 String 遵守这个协议，以便绕过这个限制：

//因为 Swift 3.0 不支持根据具体类型进行扩展 (extension Dictionary where Key == String)
//所以这样做是必须的。
protocol StringProtocol {
    init(string s: String)
}

extension String: StringProtocol {
    init(string s: String) {
        self = s
    }
}

现在可以用 where Key: StringProtocol 来限制扩展了。我们将向 Dictionary 中新增一个下标，传入一个 KeyPath ，返回一个可选型的 Any 。下标需要一个 getter 和一个 setter，因为我们想要通过键路径来修改字典的值：

extension Dictionary where Key: StringProtocol {
    subscript(keyPath keyPath: KeyPath) -> Any? {
        get {
            // ...
        }
        set {
            // ...
        }
    }
}

下面是 getter 的实现方式：

extension Dictionary where Key: StringProtocol {
    subscript(keyPath keyPath: KeyPath) -> Any? {
        get {
            switch keyPath.headAndTail() {
            case nil:
                // 键路径为空。
                return nil
            case let (head, remainingKeyPath)? where remainingKeyPath.isEmpty:
                // 到达了路径的尾部。
                let key = Key(string: head)
                return self[key]
            case let (head, remainingKeyPath)?:
                // 键路径有一个尾部，我们需要遍历。
                let key = Key(string: head)
                switch self[key] {
                case let nestedDict as [Key: Any]:
                    // 嵌套的下一层是一个字典
                    // 用剩下的路径作为下标继续取值
                    return nestedDict[keyPath: remainingKeyPath]
                default:
                    // 嵌套的下一层不是字典
                    // 键路径无效，中止。
                    return nil
                }
            }
        }
        // ...

它需要处理四种情况：

如果键路径是空的，返回 nil 。这种情况只有当我们处理空的键路径的时候才会发生。
如果键路径只有一个路径段，使用基础的字典下标返回该键所对应的值（如果键不存在则返回 nil ）。
如果键路径上的路径段超过一个，检查是否存在可以继续遍历的嵌套字典。如果存在，使用剩余的路径段递归调用下标。
如果没有嵌套字典，则键路径的格式错误。返回 nil 。

setter 具有类似的结构：

extension Dictionary where Key: StringProtocol {
    subscript(keyPath keyPath: KeyPath) -> Any? {
        // ...
        set {
            switch keyPath.headAndTail() {
            case nil:
                // 键路径为空。
                return
            case let (head, remainingKeyPath)? where remainingKeyPath.isEmpty:
                // 直达键路径的末尾。
                let key = Key(string: head)
                self[key] = newValue as? Value
            case let (head, remainingKeyPath)?:
                let key = Key(string: head)
                let value = self[key]
                switch value {
                case var nestedDict as [Key: Any]:
                    // 键路径的尾部需要遍历
                    nestedDict[keyPath: remainingKeyPath] = newValue
                    self[key] = nestedDict as? Value
                default:
                    // 无效的键路径
                    return
                }
            }
        }
    }
}

用到的代码相当的多，但它们被很好地安置到了扩展当中。并且调用时的格式读起来非常优雅，这才是最重要的。

你的目标是让每个 API 清晰地表达出它们的用处。

—— Swift API 设计指南

这有一个例子：

dict[keyPath: "translations.characters.Gyro Gearloose"]
// → "Daniel Düsentrieb"
dict[keyPath: "translations.characters.Magica De Spell"] = "Gundel Gaukeley"
dict[keyPath: "translations.characters.Magica De Spell"]
// → "Gundel Gaukeley"

我们可以访问值以及分配新的值。

可变的方法

下标返回的类型是 Any? 。这意味着在对返回值做任何有用的操作之前，你总是要先把它转换成特定类型。这与值类型为 Any 的异构字典的默认下标没有区别。

正如 Chris 和 Florian 在视频中所展示的那样，一个很有意义的问题是改变字典中的值（不是分配一个新的值）变得非常困难，因为你不能通过转换类型来改变值。下面的两行代码都不能通过编译：

// error: value of type 'Any' has no member 'append'
dict[keyPath: "translations.characters.Scrooge McDuck"]?.append(" Duck")

// error: cannot use mutating member on immutable value of type 'String'
(dict[keyPath: "translations.characters.Scrooge McDuck"] as? String)?.append(" Duck")

想让这样的代码可以运行，我们需要一个返回 String? 的下标。最好的办法是让下标变成泛型的，但是下标不支持泛型。另一个最佳方案是为我们想要支持的类型添加各自参数标签的下标。实现部分可以转发到现有的下标，缺点是必须手动添加每一个需要的类型。以下是字符串和字典的两种下标：

extension Dictionary where Key: StringProtocol {
    subscript(string keyPath: KeyPath) -> String? {
        get { return self[keyPath: keyPath] as? String }
        set { self[keyPath: keyPath] = newValue }
    }

    subscript(dict keyPath: KeyPath) -> [Key: Any]? {
        get { return self[keyPath: keyPath] as? [Key: Any] }
        set { self[keyPath: keyPath] = newValue }
    }
}

现在下面的代码可以运行了：

dict[string: "translations.characters.Scrooge McDuck"]?.append(" Duck")
dict[keyPath: "translations.characters.Scrooge McDuck"]
// → "Dagobert Duck"

dict[dict: "translations.places"]?.removeAll()
dict[keyPath: "translations.places"]
// → [:]