22_协议

协议 定义了一个蓝图，规定了用来实现某一特定任务或者功能的方法、属性，以及其他需要的东西。类、结构体或枚举都可以遵循协议，并为协议定义的这些要求提供具体实现。某个类型能够满足某个协议的要求，就可以说该类型遵循这个协议。

除了遵循协议的类型必须实现的要求外，还可以对协议进行扩展，通过扩展来实现一部分要求或者实现一些附加功能，这样遵循协议的类型就能够使用这些功能。

协议语法

protocol SomeProtocol {
    // 这里是协议的定义部分
}

让自定义类型遵循某个协议

struct SomeStructure: FirstProtocol, AnotherProtocol {
    // 这里是结构体的定义部分
}

拥有父类的类在遵循协议时，应该将父类名放在协议名之前，以逗号分隔：

class SomeClass: SomeSuperClass, FirstProtocol, AnotherProtocol {
    // 这里是类的定义部分
}

属性要求

协议可以要求遵循协议的类型提供特定名称和类型的实例属性或类型属性。协议不指定属性是存储型属性还是计算型属性，它只指定属性的名称和类型。此外，协议还指定属性是可读的还是可读可写的。

如果协议要求属性是可读可写的，那么该属性不能是常量属性或只读的计算型属性。如果协议只要求属性是可读的，那么该属性不仅可以是可读的，如果代码需要的话，还可以是可写的。

协议总是用 var 关键字来声明变量属性，在类型声明后加上 { set get } 来表示属性是可读可写的，可读属性则用 { get } 来表示：

protocol SomeProtocol {
    var mustBeSettable: Int { get set }
    var doesNotNeedToBeSettable: Int { get }
}

在协议中定义类型属性时，总是使用 static 关键字作为前缀。当类类型遵循协议时，除了 static 关键字，还可以使用 class 关键字来声明类型属性：

protocol AnotherProtocol {
    static var someTypeProperty: Int { get set }
}

例子：

protocol FullyNamed {
    var fullName: String { get }
}

//遵循 `FullyNamed` 协议的简单结构体：
struct Person: FullyNamed {
    var fullName: String
}
let john = Person(fullName: "John Appleseed")
// john.fullName 为 "John Appleseed"

class Starship: FullyNamed {
    var prefix: String?
    var name: String
    init(name: String, prefix: String? = nil) {
        self.name = name
        self.prefix = prefix
    }
    var fullName: String {
        return (prefix != nil ? prefix! + " " : "") + name
    }
}
var ncc1701 = Starship(name: "Enterprise", prefix: "USS")
// ncc1701.fullName 是 "USS Enterprise"

方法要求

协议可以要求遵循协议的类型实现某些指定的实例方法或类方法。和普通方法定义类似，但是不需要大括号和方法体。可以定义具有可变参数的方法。但是，不支持为协议中的方法的参数提供默认值。

protocol SomeProtocol {
    static func someTypeMethod()
}

protocol RandomNumberGenerator {
    func random() -> Double
}

如下所示，下边是一个遵循并符合 RandomNumberGenerator 协议的类。该类实现了一个叫做 线性同余生成器（linear congruential generator） 的伪随机数算法。

class LinearCongruentialGenerator: RandomNumberGenerator {
    var lastRandom = 42.0
    let m = 139968.0
    let a = 3877.0
    let c = 29573.0
    func random() -> Double {
        lastRandom = ((lastRandom * a + c).truncatingRemainder(dividingBy:m))
        return lastRandom / m
    }
}
let generator = LinearCongruentialGenerator()
print("Here's a random number: \(generator.random())")
// 打印 “Here's a random number: 0.37464991998171”
print("And another one: \(generator.random())")
// 打印 “And another one: 0.729023776863283”

Mutating 方法要求

有时需要在方法中改变方法所属的实例。例如，在值类型（即结构体和枚举）的实例方法中，将 mutating 关键字作为方法的前缀，写在 func 关键字之前，表示可以在该方法中修改它所属的实例以及实例的任意属性的值。

如果你在协议中定义了一个实例方法，该方法会改变遵循该协议的类型的实例，那么在定义协议时需要在方法前加 mutating 关键字。这使得结构体和枚举能够遵循此协议并满足此方法要求。

注意
实现协议中的 mutating 方法时，若是类类型，则不用写 mutating 关键字。而对于结构体和枚举，则必须写 mutating 关键字。

protocol Togglable {
    mutating func toggle()
}

enum OnOffSwitch: Togglable {
    case off, on
    mutating func toggle() {
        switch self {
        case .off:
            self = .on
        case .on:
            self = .off
        }
    }
}
var lightSwitch = OnOffSwitch.off
lightSwitch.toggle()
// lightSwitch 现在的值为 .On

构造器要求

协议可以要求遵循协议的类型实现指定的构造器。你可以像编写普通构造器那样，在协议的定义里写下构造器的声明，但不需要写花括号和构造器的实体：

protocol SomeProtocol {
    init(someParameter: Int)
}

构造器要求在类中的实现

你可以在遵循协议的类中实现构造器，无论是作为指定构造器，还是作为便利构造器，你都必须为构造器实现标上 required 修饰符：

class SomeClass: SomeProtocol {
    required init(someParameter: Int) {
        // 这里是构造器的实现部分
    }
}

使用 required 修饰符可以确保所有子类也必须提供此构造器实现，从而也能符合协议。

关于 required 构造器的更多内容，请参考"必要构造器".

注意
如果类已经被标记为 final，那么不需要在协议构造器的实现中使用 required 修饰符，因为 final 类不能有子类。

如果一个子类重写了父类的指定构造器，并且该构造器满足了某个协议的要求，那么该构造器的实现需要同时标注 required 和 override 修饰符：

protocol SomeProtocol {
    init()
}

class SomeSuperClass {
    init() {
        // 这里是构造器的实现部分
    }
}

class SomeSubClass: SomeSuperClass, SomeProtocol {
    // 因为遵循协议，需要加上 required
    // 因为继承自父类，需要加上 override
    required override init() {
        // 这里是构造器的实现部分
    }
}

可失败构造器要求

协议还可以为遵循协议的类型定义可失败构造器要求。

遵循协议的类型可以通过可失败构造器（init?）或非可失败构造器（init）来满足协议中定义的可失败构造器要求。协议中定义的非可失败构造器要求可以通过非可失败构造器（init）或隐式解包可失败构造器（init!）来满足。

协议作为类型

尽管协议本身并未实现任何功能，但是协议可以被当做一个成熟的类型来使用。

协议可以像其他普通类型一样使用，使用场景如下：

• 作为函数、方法或构造器中的参数类型或返回值类型
• 作为常量、变量或属性的类型
• 作为数组、字典或其他容器中的元素类型

注意
协议是一种类型，因此协议类型的名称应与其他类型（例如 Int，Double，String）的写法相同，使用大写字母开头的驼峰式写法，例如（FullyNamed 和 RandomNumberGenerator）。

下面是将协议作为类型使用的例子：

class Dice {
    let sides: Int
    let generator: RandomNumberGenerator
    init(sides: Int, generator: RandomNumberGenerator) {
        self.sides = sides
        self.generator = generator
    }
    func roll() -> Int {
        return Int(generator.random() * Double(sides)) + 1
    }
}

例子中定义了一个 Dice 类，用来代表桌游中拥有 N 个面的骰子。Dice 的实例含有 sides 和 generator 两个属性，前者是整型，用来表示骰子有几个面，后者为骰子提供一个随机数生成器，从而生成随机点数。

generator 属性的类型为 RandomNumberGenerator，因此任何遵循了 RandomNumberGenerator 协议的类型的实例都可以赋值给 generator，除此之外并无其他要求。

Dice 类还有一个构造器，用来设置初始状态。构造器有一个名为 generator，类型为 RandomNumberGenerator 的形参。在调用构造方法创建 Dice 的实例时，可以传入任何遵循 RandomNumberGenerator 协议的实例给 generator。

Dice 类提供了一个名为 roll 的实例方法，用来模拟骰子的面值。它先调用 generator 的 random() 方法来生成一个 [0.0,1.0) 区间内的随机数，然后使用这个随机数生成正确的骰子面值。因为 generator 遵循了 RandomNumberGenerator 协议，可以确保它有个 random() 方法可供调用。

下面的例子展示了如何使用 LinearCongruentialGenerator 的实例作为随机数生成器来创建一个六面骰子：

var d6 = Dice(sides: 6, generator: LinearCongruentialGenerator())
for _ in 1...5 {
    print("Random dice roll is \(d6.roll())")
}
// Random dice roll is 3
// Random dice roll is 5
// Random dice roll is 4
// Random dice roll is 5
// Random dice roll is 4

委托（代理）模式

委托是一种设计模式，它允许类或结构体将一些需要它们负责的功能委托给其他类型的实例。委托模式的实现很简单：定义协议来封装那些需要被委托的功能，这样就能确保遵循协议的类型能提供这些功能。委托模式可以用来响应特定的动作，或者接收外部数据源提供的数据，而无需关心外部数据源的类型。

下面的例子定义了两个基于骰子游戏的协议：

protocol DiceGame {
    var dice: Dice { get }
    func play()
}
protocol DiceGameDelegate {
    func gameDidStart(_ game: DiceGame)
    func game(_ game: DiceGame, didStartNewTurnWithDiceRoll diceRoll: Int)
    func gameDidEnd(_ game: DiceGame)
}

DiceGame 协议可以被任意涉及骰子的游戏遵循。DiceGameDelegate 协议可以被任意类型遵循，用来追踪 DiceGame 的游戏过程。

如下所示，SnakesAndLadders 是 蛇梯棋游戏的新版本。新版本使用 Dice 实例作为骰子，并且实现了 DiceGame 和 DiceGameDelegate 协议，后者用来记录游戏的过程：

class SnakesAndLadders: DiceGame {
    let finalSquare = 25
    let dice = Dice(sides: 6, generator: LinearCongruentialGenerator())
    var square = 0
    var board: [Int]
    init() {
        board = [Int](count: finalSquare + 1, repeatedValue: 0)
        board[03] = +08; board[06] = +11; board[09] = +09; board[10] = +02
        board[14] = -10; board[19] = -11; board[22] = -02; board[24] = -08
    }
    var delegate: DiceGameDelegate?
    func play() {
        square = 0
        delegate?.gameDidStart(self)
        gameLoop: while square != finalSquare {
            let diceRoll = dice.roll()
            delegate?.game(self, didStartNewTurnWithDiceRoll: diceRoll)
            switch square + diceRoll {
            case finalSquare:
                break gameLoop
            case let newSquare where newSquare > finalSquare:
                continue gameLoop
            default:
                square += diceRoll
                square += board[square]
            }
        }
        delegate?.gameDidEnd(self)
    }
}

class DiceGameTracker: DiceGameDelegate {
    var numberOfTurns = 0
    func gameDidStart(_ game: DiceGame) {
        numberOfTurns = 0
        if game is SnakesAndLadders {
            print("Started a new game of Snakes and Ladders")
        }
        print("The game is using a \(game.dice.sides)-sided dice")
    }
    func game(_ game: DiceGame, didStartNewTurnWithDiceRoll diceRoll: Int) {
        numberOfTurns += 1
        print("Rolled a \(diceRoll)")
    }
    func gameDidEnd(_ game: DiceGame) {
        print("The game lasted for \(numberOfTurns) turns")
    }
}

let tracker = DiceGameTracker()
let game = SnakesAndLadders()
game.delegate = tracker
game.play()
// Started a new game of Snakes and Ladders
// The game is using a 6-sided dice
// Rolled a 3
// Rolled a 5
// Rolled a 4
// Rolled a 5
// The game lasted for 4 turns

通过扩展添加协议一致性

即便无法修改源代码，依然可以通过扩展令已有类型遵循并符合协议。扩展可以为已有类型添加属性、方法、下标以及构造器，因此可以符合协议中的相应要求。

注意
通过扩展令已有类型遵循并符合协议时，该类型的所有实例也会随之获得协议中定义的各项功能。

例如下面这个 TextRepresentable 协议，任何想要通过文本表示一些内容的类型都可以实现该协议。这些想要表示的内容可以是实例本身的描述，也可以是实例当前状态的文本描述：

protocol TextRepresentable {
    var textualDescription: String { get }
}

可以通过扩展，令先前提到的 Dice 类遵循并符合 TextRepresentable 协议：

extension Dice: TextRepresentable {
    var textualDescription: String {
        return "A \(sides)-sided dice"
    }
}

通过扩展遵循并符合协议，和在原始定义中遵循并符合协议的效果完全相同。协议名称写在类型名之后，以冒号隔开，然后在扩展的大括号内实现协议要求的内容。

现在所有 Dice 的实例都可以看做 TextRepresentable 类型：

let d12 = Dice(sides: 12, generator: LinearCongruentialGenerator())
print(d12.textualDescription)
// 打印 “A 12-sided dice”

同样，SnakesAndLadders 类也可以通过扩展遵循并符合 TextRepresentable 协议：

extension SnakesAndLadders: TextRepresentable {
    var textualDescription: String {
        return "A game of Snakes and Ladders with \(finalSquare) squares"
    }
}
print(game.textualDescription)
// 打印 “A game of Snakes and Ladders with 25 squares”

通过扩展遵循协议

当一个类型已经符合了某个协议中的所有要求，却还没有声明遵循该协议时，可以通过空扩展体的扩展来遵循该协议：

struct Hamster {
    var name: String
    var textualDescription: String {
        return "A hamster named \(name)"
    }
}
extension Hamster: TextRepresentable {}

从现在起，Hamster 的实例可以作为 TextRepresentable 类型使用：

let simonTheHamster = Hamster(name: "Simon")
let somethingTextRepresentable: TextRepresentable = simonTheHamster
print(somethingTextRepresentable.textualDescription)
// 打印 “A hamster named Simon”

注意
即使满足了协议的所有要求，类型也不会自动遵循协议，必须显式地遵循协议。

协议类型的集合

协议类型可以在数组或者字典这样的集合中使用，下面的例子创建了一个元素类型为 TextRepresentable 的数组：

let things: [TextRepresentable] = [game, d12, simonTheHamster]

如下所示，可以遍历 things 数组，并打印每个元素的文本表示：

for thing in things {
    print(thing.textualDescription)
}
// A game of Snakes and Ladders with 25 squares
// A 12-sided dice
// A hamster named Simon

thing 是 TextRepresentable 类型而不是 Dice，DiceGame，Hamster 等类型，即使实例在幕后确实是这些类型中的一种。由于 thing 是 TextRepresentable 类型，任何 TextRepresentable 的实例都有一个 textualDescription 属性，所以在每次循环中可以安全地访问 thing.textualDescription。

协议的继承

协议能够继承一个或多个其他协议，可以在继承的协议的基础上增加新的要求。协议的继承语法与类的继承相似，多个被继承的协议间用逗号分隔：

protocol InheritingProtocol: SomeProtocol, AnotherProtocol {
    // 这里是协议的定义部分
}

protocol PrettyTextRepresentable: TextRepresentable {
    var prettyTextualDescription: String { get }
}

extension SnakesAndLadders: PrettyTextRepresentable {
    var prettyTextualDescription: String {
        var output = textualDescription + ":\n"
        for index in 1...finalSquare {
            switch board[index] {
            case let ladder where ladder > 0:
                output += "▲ "
            case let snake where snake < 0:
                output += "▼ "
            default:
                output += "○ "
            }
        }
        return output
    }
}

print(game.prettyTextualDescription)
// A game of Snakes and Ladders with 25 squares:
// ○ ○ ▲ ○ ○ ▲ ○ ○ ▲ ▲ ○ ○ ○ ▼ ○ ○ ○ ○ ▼ ○ ○ ▼ ○ ▼ ○

类类型专属协议

你可以在协议的继承列表中，通过添加 class 关键字来限制协议只能被类类型遵循，而结构体或枚举不能遵循该协议。class 关键字必须第一个出现在协议的继承列表中，在其他继承的协议之前：

protocol SomeClassOnlyProtocol: class, SomeInheritedProtocol {
    // 这里是类类型专属协议的定义部分
}

在以上例子中，协议 SomeClassOnlyProtocol 只能被类类型遵循。如果尝试让结构体或枚举类型遵循该协议，则会导致编译错误。

注意
当协议定义的要求需要遵循协议的类型必须是引用语义而非值语义时，应该采用类类型专属协议。

协议合成

有时候需要同时遵循多个协议，你可以将多个协议采用 SomeProtocol & AnotherProtocol 这样的格式进行组合，称为 协议合成（protocol composition）。你可以罗列任意多个你想要遵循的协议，以与符号(&)分隔。

下面的例子中，将 Named 和 Aged 两个协议按照上述语法组合成一个协议，作为函数参数的类型：

protocol Named {
    var name: String { get }
}
protocol Aged {
    var age: Int { get }
}
struct Person: Named, Aged {
    var name: String
    var age: Int
}
func wishHappyBirthday(to celebrator: Named & Aged) {
    print("Happy birthday, \(celebrator.name), you're \(celebrator.age)!")
}
let birthdayPerson = Person(name: "Malcolm", age: 21)
wishHappyBirthday(to: birthdayPerson)
// 打印 “Happy birthday Malcolm - you're 21!”

wishHappyBirthday(to:) 函数的参数 celebrator 的类型为 Named & Aged。这意味着它不关心参数的具体类型，只要参数符合这两个协议即可。

这里有一个例子：将Location类和前面的Named协议进行组合：

class Location {
    var latitude: Double
    var longitude: Double
    init(latitude: Double, longitude: Double) {
        self.latitude = latitude
        self.longitude = longitude
    }
}
class City: Location, Named {
    var name: String
    init(name: String, latitude: Double, longitude: Double) {
        self.name = name
        super.init(latitude: latitude, longitude: longitude)
    }
}
func beginConcert(in location: Location & Named) {
    print("Hello, \(location.name)!")
}
 
let seattle = City(name: "Seattle", latitude: 47.6, longitude: -122.3)
beginConcert(in: seattle)
// Prints "Hello, Seattle!"

beginConcert(in:)方法接受一个类型为 Location & Named 的参数，这意味着"任何Location的子类，并且遵循Named协议"。例如，City就满足这样的条件。

检查协议一致性

你可以使用is 和 as 操作符来检查协议一致性，即是否符合某协议，并且可以转换到指定的协议类型。检查和转换到某个协议类型在语法上和类型的检查和转换完全相同：

• is 用来检查实例是否符合某个协议，若符合则返回 true，否则返回 false。
• as? 返回一个可选值，当实例符合某个协议时，返回类型为协议类型的可选值，否则返回 nil。
• as! 将实例强制向下转换到某个协议类型，如果强转失败，会引发运行时错误。

下面的例子定义了一个 HasArea 协议，该协议定义了一个 Double 类型的可读属性 area：

protocol HasArea {
    var area: Double { get }
}

class Circle: HasArea {
    let pi = 3.1415927
    var radius: Double
    var area: Double { return pi * radius * radius }
    init(radius: Double) { self.radius = radius }
}
class Country: HasArea {
    var area: Double
    init(area: Double) { self.area = area }
}

// 未遵循 `HasArea` 协议
class Animal {
    var legs: Int
    init(legs: Int) { self.legs = legs }
}

let objects: [AnyObject] = [
    Circle(radius: 2.0),
    Country(area: 243_610),
    Animal(legs: 4)
]

for object in objects {
    if let objectWithArea = object as? HasArea {
        print("Area is \(objectWithArea.area)")
    } else {
        print("Something that doesn't have an area")
    }
}
// Area is 12.5663708
// Area is 243610.0
// Something that doesn't have an area

可选的协议要求

协议可以定义可选要求，遵循协议的类型可以选择是否实现这些要求。在协议中使用 optional 关键字作为前缀来定义可选要求。可选要求用在你需要和 Objective-C 打交道的代码中。协议和可选要求都必须带上@objc属性。标记 @objc 特性的协议只能被继承自 Objective-C 类的类或者 @objc 类遵循，其他类以及结构体和枚举均不能遵循这种协议。

使用可选要求时，它们的类型会自动变成可选的。比如，一个类型为 (Int) -> String 的方法会变成 ((Int) -> String)?。需要注意的是整个函数类型是可选的，而不是函数的返回值。

协议中的可选要求可通过可选链式调用来使用，因为遵循协议的类型可能没有实现这些可选要求。

@objc protocol CounterDataSource {
    @objc optional func incrementForCount(count: Int) -> Int
    @objc optional var fixedIncrement: Int { get }
}

class Counter {
    var count = 0
    var dataSource: CounterDataSource?
    func increment() {
        if let amount = dataSource?.incrementForCount?(count) {
            count += amount
        } else if let amount = dataSource?.fixedIncrement {
            count += amount
        }
    }
}

class ThreeSource: NSObject, CounterDataSource {
    let fixedIncrement = 3
}

var counter = Counter()
counter.dataSource = ThreeSource()
for _ in 1...4 {
    counter.increment()
    print(counter.count)
}
// 3
// 6
// 9
// 12

下面是一个更为复杂的数据源 TowardsZeroSource，它将使得最后的值变为 0：

@objc class TowardsZeroSource: NSObject, CounterDataSource {
    func increment(forCount count: Int) -> Int {
        if count == 0 {
            return 0
        } else if count < 0 {
            return 1
        } else {
            return -1
        }
    }
}


counter.count = -4
counter.dataSource = TowardsZeroSource()
for _ in 1...5 {
    counter.increment()
    print(counter.count)
}
// -3
// -2
// -1
// 0
// 0

协议扩展

协议可以通过扩展来为遵循协议的类型提供属性、方法以及下标的实现。通过这种方式，你可以基于协议本身来实现这些功能，而无需在每个遵循协议的类型中都重复同样的实现，也无需使用全局函数。

例如，可以扩展 RandomNumberGenerator 协议来提供 randomBool() 方法。该方法使用协议中定义的 random() 方法来返回一个随机的 Bool 值：

extension RandomNumberGenerator {
    func randomBool() -> Bool {
        return random() > 0.5
    }
}

通过协议扩展，所有遵循协议的类型，都能自动获得这个扩展所增加的方法实现，无需任何额外修改：

let generator = LinearCongruentialGenerator()
print("Here's a random number: \(generator.random())")
// 打印 “Here's a random number: 0.37464991998171”
print("And here's a random Boolean: \(generator.randomBool())")
// 打印 “And here's a random Boolean: true”

提供默认实现

可以通过协议扩展来为协议要求的属性、方法以及下标提供默认的实现。如果遵循协议的类型为这些要求提供了自己的实现，那么这些自定义实现将会替代扩展中的默认实现被使用。

注意
通过协议扩展为协议要求提供的默认实现和可选的协议要求不同。虽然在这两种情况下，遵循协议的类型都无需自己实现这些要求，但是通过扩展提供的默认实现可以直接调用，而无需使用可选链式调用。

extension PrettyTextRepresentable  {
    var prettyTextualDescription: String {
        return textualDescription
    }
}

为协议扩展添加限制条件

在扩展协议的时候，可以指定一些限制条件，只有遵循协议的类型满足这些限制条件时，才能获得协议扩展提供的默认实现。这些限制条件写在协议名之后，使用 where 子句来描述，正如“Where子句”中所描述的。

例如，你可以扩展 CollectionType 协议，但是只适用于集合中的元素遵循了 TextRepresentable 协议的情况：

extension Collection where Iterator.Element: TextRepresentable {
    var textualDescription: String {
        let itemsAsText = self.map { $0.textualDescription }
        return "[" + itemsAsText.joined(separator: ", ") + "]"
    }
}

textualDescription 属性返回整个集合的文本描述，它将集合中的每个元素的文本描述以逗号分隔的方式连接起来，包在一对方括号中。

let murrayTheHamster = Hamster(name: "Murray")
let morganTheHamster = Hamster(name: "Morgan")
let mauriceTheHamster = Hamster(name: "Maurice")
let hamsters = [murrayTheHamster, morganTheHamster, mauriceTheHamster]

因为 Array 符合 CollectionType 协议，而数组中的元素又符合 TextRepresentable 协议，所以数组可以使用 textualDescription 属性得到数组内容的文本表示：

print(hamsters.textualDescription)
// 打印 “[A hamster named Murray, A hamster named Morgan, A hamster named Maurice]”

注意
如果多个协议扩展都为同一个协议要求提供了默认实现，而遵循协议的类型又同时满足这些协议扩展的限制条件，那么将会使用限制条件最多的那个协议扩展提供的默认实现。