Apple 期望在 Swift 中指針能夠盡量減少登場(chǎng)幾率，因此在 Swift 中指針被映射為了一個(gè)泛型類型，并且還比較抽象。這在一定程度上造成了在 Swift 中指針使用的困難，特別是對(duì)那些并不熟悉指針，也沒(méi)有多少指針操作經(jīng)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)者 (包括我自己也是) 來(lái)說(shuō)，在 Swift 中使用指針確實(shí)是一個(gè)挑戰(zhàn)。在這篇文章里，我希望能從最基本的使用開(kāi)始，總結(jié)一下在 Swift 中使用指針的一些常見(jiàn)方式和場(chǎng)景。這篇文章假定你至少知道指針是什么，如果對(duì)指針本身的概念不太清楚的話，可以先看看這篇五分鐘 C 指針教程 (或者它的中文版本)，應(yīng)該會(huì)很有幫助。

初步

在 Swift 中，指針都使用一個(gè)特殊的類型來(lái)表示，那就是 UnsafePointer<T>。遵循了 Cocoa 的一貫不可變?cè)瓌t，UnsafePointer<T> 也是不可變的。當(dāng)然對(duì)應(yīng)地，它還有一個(gè)可變變體，UnsafeMutablePointer<T>。絕大部分時(shí)間里，C 中的指針都會(huì)被以這兩種類型引入到 Swift 中：C 中 const 修飾的指針對(duì)應(yīng) UnsafePointer (最常見(jiàn)的應(yīng)該就是 C 字符串的 const char * 了)，而其他可變的指針則對(duì)應(yīng) UnsafeMutablePointer。除此之外，Swift 中存在表示一組連續(xù)數(shù)據(jù)指針的 UnsafeBufferPointer<T>，表示非完整結(jié)構(gòu)的不透明指針 COpaquePointer 等等。另外你可能已經(jīng)注意到了，能夠確定指向內(nèi)容的指針類型都是泛型的 struct，我們可以通過(guò)這個(gè)泛型來(lái)對(duì)指針指向的類型進(jìn)行約束以提供一定安全性。

對(duì)于一個(gè) UnsafePointer<T> 類型，我們可以通過(guò) memory 屬性對(duì)其進(jìn)行取值，如果這個(gè)指針是可變的 UnsafeMutablePointer<T> 類型，我們還可以通過(guò) memory 對(duì)它進(jìn)行賦值。比如我們想要寫(xiě)一個(gè)利用指針直接操作內(nèi)存的計(jì)數(shù)器的話，可以這么做：

func incrementor(ptr: UnsafeMutablePointer) { 
    ptr.memory += 1 
} 
 
var a = 10 
incrementor(&a) 
 
a  // 11 

這里和 C 的指針使用類似，我們通過(guò)在變量名前面加上 & 符號(hào)就可以將指向這個(gè)變量的指針傳遞到接受指針作為參數(shù)的方法中去。在上面的 incrementor 中我們通過(guò)直接操作 memory 屬性改變了指針指向的內(nèi)容。

與這種做法類似的是使用 Swift 的 inout 關(guān)鍵字。我們?cè)趯⒆兞總魅?inout 參數(shù)的函數(shù)時(shí)，同樣也使用 & 符號(hào)表示地址。不過(guò)區(qū)別是在函數(shù)體內(nèi)部我們不需要處理指針類型，而是可以對(duì)參數(shù)直接進(jìn)行操作.

func incrementor1(inout num: Int) { 
    num += 1 
} 
 
var b = 10 
incrementor1(&b) 
 
b  // 11 

雖然 & 在參數(shù)傳遞時(shí)表示的意義和 C 中一樣，是某個(gè)“變量的地址”，但是在 Swift 中我們沒(méi)有辦法直接通過(guò)這個(gè)符號(hào)獲取一個(gè) UnsafePointer 的實(shí)例。需要注意這一點(diǎn)和 C 有所不同：

// 無(wú)法編譯 
let a = 100 
let b = &a 

指針初始化和內(nèi)存管理

在 Swift 中不能直接取到現(xiàn)有對(duì)象的地址，我們還是可以創(chuàng)建新的 UnsafeMutablePointer 對(duì)象。與 Swift 中其他對(duì)象的自動(dòng)內(nèi)存管理不同，對(duì)于指針的管理，是需要我們手動(dòng)進(jìn)行內(nèi)存的申請(qǐng)和釋放的。一個(gè) UnsafeMutablePointer 的內(nèi)存有三種可能狀態(tài)：

內(nèi)存沒(méi)有被分配，這意味著這是一個(gè) null 指針，或者是之前已經(jīng)釋放過(guò)

內(nèi)存進(jìn)行了分配，但是值還沒(méi)有被初始化

內(nèi)存進(jìn)行了分配，并且值已經(jīng)被初始化

其中只有第三種狀態(tài)下的指針是可以保證正常使用的。UnsafeMutablePointer 的初始化方法 (init) 完成的都是從其他類型轉(zhuǎn)換到 UnsafeMutablePointer 的工作。我們?nèi)绻胍陆ㄒ粋€(gè)指針，需要做的是使用 alloc: 這個(gè)類方法。該方法接受一個(gè) num: Int 作為參數(shù)，將向系統(tǒng)申請(qǐng) num 個(gè)數(shù)的對(duì)應(yīng)泛型類型的內(nèi)存。下面的代碼申請(qǐng)了一個(gè) Int 大小的內(nèi)存，并返回指向這塊內(nèi)存的指針：

var intPtr = UnsafeMutablePointer<Int>.alloc(1) 
// "UnsafeMutablePointer(0x7FD3A8E00060)" 

接下來(lái)應(yīng)該做的是對(duì)這個(gè)指針的內(nèi)容進(jìn)行初始化，我們可以使用 initialize: 方法來(lái)完成初始化：

intPtr.initialize(10) 
// intPtr.memory 為 10 

在完成初始化后，我們就可以通過(guò) memory 來(lái)操作指針指向的內(nèi)存值了。

在使用之后，我們***盡快釋放指針指向的內(nèi)容和指針本身。與 initialize: 配對(duì)使用的 destroy 用來(lái)銷毀指針指向的對(duì)象，而與 alloc: 對(duì)應(yīng)的 dealloc: 用來(lái)釋放之前申請(qǐng)的內(nèi)存。它們都應(yīng)該被配對(duì)使用：

intPtr.destroy() 
intPtr.dealloc(1) 
intPtr = nil 

注意其實(shí)在這里對(duì)于 Int 這樣的在 C 中映射為 int 的 “平凡值” 來(lái)說(shuō)，destroy 并不是必要的，因?yàn)檫@些值被分配在常量段上。但是對(duì)于像類的對(duì)象或者結(jié)構(gòu)體實(shí)例來(lái)說(shuō)，如果不保證初始化和摧毀配對(duì)的話，是會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存泄露的。所以沒(méi)有特殊考慮的話，不論內(nèi)存中到底是什么，保證 initialize: 和 destroy 配對(duì)會(huì)是一個(gè)好習(xí)慣。

指向數(shù)組的指針

在 Swift 中將一個(gè)數(shù)組作為參數(shù)傳遞到 C API 時(shí)，Swift 已經(jīng)幫助我們完成了轉(zhuǎn)換，這在 Apple 的官方博客中有個(gè)很好的例子：

import Accelerate 
 
let a: [Float] = [1, 2, 3, 4] 
let b: [Float] = [0.5, 0.25, 0.125, 0.0625] 
var result: [Float] = [0, 0, 0, 0] 
 
vDSP_vadd(a, 1, b, 1, &result, 1, 4) 
 
// result now contains [1.5, 2.25, 3.125, 4.0625] 

對(duì)于一般的接受 const 數(shù)組的 C API，其要求的類型為 UnsafePointer，而非 const 的數(shù)組則對(duì)應(yīng) UnsafeMutablePointer。使用時(shí)，對(duì)于 const 的參數(shù)，我們直接將 Swift 數(shù)組傳入 (上例中的 a 和 b)；而對(duì)于可變的數(shù)組，在前面加上 & 后傳入即可 (上例中的 result)。

對(duì)于傳參，Swift 進(jìn)行了簡(jiǎn)化，使用起來(lái)非常方便。但是如果我們想要使用指針來(lái)像之前用 memory 的方式直接操作數(shù)組的話，就需要借助一個(gè)特殊的類型：UnsafeMutableBufferPointer。Buffer Pointer 是一段連續(xù)的內(nèi)存的指針，通常用來(lái)表達(dá)像是數(shù)組或者字典這樣的集合類型。

var array = [1, 2, 3, 4, 5] 
var arrayPtr = UnsafeMutableBufferPointer<Int>(start: &array, count: array.count) 
// baseAddress 是***個(gè)元素的指針 
var basePtr = arrayPtr.baseAddress as UnsafeMutablePointer<Int> 
 
basePtr.memory // 1 
basePtr.memory = 10 
basePtr.memory // 10 
 
//下一個(gè)元素 
var nextPtr = basePtr.successor() 
nextPtr.memory // 2 

指針操作和轉(zhuǎn)換

withUnsafePointer

上面我們說(shuō)過(guò)，在 Swift 中不能像 C 里那樣使用 & 符號(hào)直接獲取地址來(lái)進(jìn)行操作。如果我們想對(duì)某個(gè)變量進(jìn)行指針操作，我們可以借助 withUnsafePointer 這個(gè)輔助方法。這個(gè)方法接受兩個(gè)參數(shù)，***個(gè)是 inout 的任意類型，第二個(gè)是一個(gè)閉包。Swift 會(huì)將***個(gè)輸入轉(zhuǎn)換為指針，然后將這個(gè)轉(zhuǎn)換后的 Unsafe 的指針作為參數(shù)，去調(diào)用閉包。使用起來(lái)大概是這個(gè)樣子：

var test = 10 
test = withUnsafeMutablePointer(&test, { (ptr: UnsafeMutablePointer<Int>) -> Int in 
    ptr.memory += 1 
    return ptr.memory 
}) 
 
test // 11 

這里其實(shí)我們做了和文章一開(kāi)始的 incrementor 相同的事情，區(qū)別在于不需要通過(guò)方法的調(diào)用來(lái)將值轉(zhuǎn)換為指針。這么做的好處對(duì)于那些只會(huì)執(zhí)行一次的指針操作來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的，可以將“我們就是想對(duì)這個(gè)指針做點(diǎn)事兒”這個(gè)意圖表達(dá)得更加清晰明確。

unsafeBitCast

unsafeBitCast 是非常危險(xiǎn)的操作，它會(huì)將一個(gè)指針指向的內(nèi)存強(qiáng)制按位轉(zhuǎn)換為目標(biāo)的類型。因?yàn)檫@種轉(zhuǎn)換是在 Swift 的類型管理之外進(jìn)行的，因此編譯器無(wú)法確保得到的類型是否確實(shí)正確，你必須明確地知道你在做什么。比如：

let arr = NSArray(object: "meow") 
let str = unsafeBitCast(CFArrayGetValueAtIndex(arr, 0), CFString.self) 
str // “meow” 

因?yàn)?NSArray 是可以存放任意 NSObject 對(duì)象的，當(dāng)我們?cè)谑褂?CFArrayGetValueAtIndex 從中取值的時(shí)候，得到的結(jié)果將是一個(gè) UnsafePointer<Void>。由于我們很明白其中存放的是 String 對(duì)象，因此可以直接將其強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為 CFString。

關(guān)于 unsafeBitCast 一種更常見(jiàn)的使用場(chǎng)景是不同類型的指針之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因?yàn)橹羔槺旧硭加玫牡拇笮∈且欢ǖ模灾羔樀念愋瓦M(jìn)行轉(zhuǎn)換是不會(huì)出什么致命問(wèn)題的。這在與一些 C API 協(xié)作時(shí)會(huì)很常見(jiàn)。比如有很多 C API 要求的輸入是 void *，對(duì)應(yīng)到 Swift 中為 UnsafePointer<Void>。我們可以通過(guò)下面這樣的方式將任意指針轉(zhuǎn)換為 UnsafePointer。

var count = 100 
var voidPtr = withUnsafePointer(&count, { (a: UnsafePointer<Int>) -> UnsafePointer<Void> in 
    return unsafeBitCast(a, UnsafePointer<Void>.self) 
}) 
// voidPtr 是 UnsafePointer<Void>。相當(dāng)于 C 中的 void * 
 
// 轉(zhuǎn)換回 UnsafePointer<Int> 
var intPtr = unsafeBitCast(voidPtr, UnsafePointer<Int>.self) 
intPtr.memory //100 

總結(jié)

Swift 從設(shè)計(jì)上來(lái)說(shuō)就是以安全作為重要原則的，雖然可能有些啰嗦，但是還是要重申在 Swift 中直接使用和操作指針應(yīng)該作為***的手段，它們始終是無(wú)法確保安全的。從傳統(tǒng)的 C 代碼和與之無(wú)縫配合的 Objective-C 代碼遷移到 Swift 并不是一件小工程，我們的代碼庫(kù)肯定會(huì)時(shí)不時(shí)出現(xiàn)一些和 C 協(xié)作的地方。我們當(dāng)然可以選擇使用 Swift 重寫(xiě)部分陳舊代碼，但是對(duì)于像是安全或者性能至關(guān)重要的部分，我們可能除了繼續(xù)使用 C API 以外別無(wú)選擇。如果我們想要繼續(xù)使用那些 API 的話，了解一些基本的 Swift 指針操作和使用的知識(shí)會(huì)很有幫助。

對(duì)于新的代碼，盡量避免使用 Unsafe 開(kāi)頭的類型，意味著可以避免很多不必要的麻煩。Swift 給開(kāi)發(fā)者帶來(lái)的***好處是可以讓我們用更加先進(jìn)的編程思想，進(jìn)行更快和更專注的開(kāi)發(fā)。只有在尊重這種思想的前提下，我們才能更好地享受這門新語(yǔ)言帶來(lái)的種種優(yōu)勢(shì)。顯然，這種思想是不包括到處使用 UnsafePointer 的 :)