第七章 系统框架47.熟悉系统框架将一系列代码封装为动态库(dynamic library),并在其中放入描述其接口的头文件,这样做出来的东西就叫框架。有时为iOS平台构建的第三方框架所使用的是静态库(static library),这是因为iOS应用程序不允许在其中包含动态库。这些东西严格来讲并不是真正的框架,然而也经常视为框架。不过,所有iOS平台的系统框架仍然使用动态库。 在为Mac OS X或iOS系统开发“带图形界面的应用程序”时,会用到名为Cocoa的框架,在iOS上成为Cocoa Touch。其实Cocoa本身并不是框架,但是里面继承了一批创建应用程序时经常会用到的框架。 开发者会碰到的主要框架就是Foundation,像是NSObject、NSArray、NSDictionary等类都在其中。Foundation框架是所有Objective-C应用程序的“基础”。 Foundation框架不仅提供了collection等基础核心功能,而且还提供了字符串处理这样的复杂功能。比方说,NSLinguisticTagger可以解析字符串并找到其中的全部名词、动词、代词等。 还有个与Foundation相伴的框架,叫做CoreFoundation。虽然从技术上讲,CoreFoundation框架不是Objective-C框架,但它确实编写Objective-C应用程序所应熟悉的重要框架,Foundation框架中的许多功能,都可以在此框架中找到对应的C语言API。CoreFoundation与Foundation不仅名字相似,而且还有更为紧密的联系。有个功能叫做“无缝桥接”(toll-free bridging),可以把CoreFoundation中的C语言数据结构平滑转换为Foundation中的Objective-C对象,也可以反向转换。比方说,Foundation框架中的字符串是NSString,而它可以转换为CoreFoundation里与之等效的CFString对象。无缝桥接技术是用某些相当复杂的代码实现出来的,这些代码可以使运行期系统把CoreFoundation框架中的对象视为普通的Objective-C对象。 除了Foundation与CoreFoundation之外,还有很多系统库,其中包括但不限于下面列出的这些:
Objective-C编程时会经常需要使用底层的C语言级API。用C语言来实现API的好处是,可以绕过Objective-C的运行期系统,从而提升执行速度。当然,由于ARC只负责Objective-C的对象,所以使用这些API时尤其要注意内存管理问题。 Mac OS X与iOS平台的核心UI框架分别叫AppKit及UIKit,它们都提供了构建在Foundation与CoreFoundation之上的Objective-C类。在这些主要的UI框架之下,是CoreAnimation与CoreGraphics框架。 CoreAnimation是用Objective-C语言写成的,它提供了一些工具,而UI框架则用这些工具来渲染图形并播放动画。CoreAnimation本身并不是框架,它是QuartzCore框架的一部分。 CoreGraphics框架是用C语言写成的,其中提供了2D渲染所必备的数据结构与函数。例如,其中定义了CGPoint、CGSize、CGRect等数据结构,而UIKit框架中的UIView类在确定视图控件之间的相对位置时,这些数据结构都要用到。 还有很多框架构建在UI框架之上,比如MapKit框架,它为iOS程序提供地图功能。又比如Social框架,它为Mac OS X及iOS程序提供了社交网络功能。 要点:
48.多用块枚举,少用for循环在编程中经常需要列举collection中的元素,当前的Objective-C语言有很多种办法实现此功能,可以用标准的C语言循环,也可以用Objective-C 1.0的NSEnumerator以及Objective-C 2.0的快速遍历。语言中引入“块”这一特性后,又多出来几种新的遍历方式,采用这几种新方式遍历collection时,可以传入块,而collection中的每个元素都可能会放在块里运行一遍,这种做法通常会大幅度简化编码过程。
NSEnumerator是个抽象基类,其中只定义了两个方法,供其具体子类来实现:
其中关键的方法是nextObject,它返回枚举里的下个对象。每次调用该方法时,其内部数据结构都会更新,使得下次调用方法时能返回下个对象。等到枚举中的全部对象都已返回之后,再调用就将返回nil,这表示达到枚举末端了。
Objective-C 2.0引入了快速遍历这一功能。它为for循环开设了in关键字。这个关键字大幅简化了遍历collection所需的语法。 如果某个类的对象支持快速遍历,那么就可以宣称自己遵从名为NSFastEnumeration的协议,从而令开发者可以采用此语法来迭代该对象。此协议只定义了一个方法:
该方法允许类实例同时返回多个对象,这就使得循环遍历操作更为高效了。
在当前的Objective-C语言中,最新引入的一种做法就是基于块来遍历。NSArray中定义了下面这个方法,它可以实现最基本的遍历功能:
此方法提供了一种优雅的机制,用于终止遍历操作,开发者可以通过设定stop变量值来实现。
NSEnumerationOptions类型是个enum,其各种取值可用“按位或”连接,用以表明遍历方式。例如,开发者可以请求以并发方式执行各轮迭代,也就是说,如果当前系统资源状况允许,那么执行每次迭代所用的块就可以并行执行了。通过NSEnumerationConcurrent选项即可开启此功能。如果使用此选项,那么底层会通过GCD来处理并发执行事宜,具体实现时很可能会用到dispatch group。反向遍历是通过NSEnumerationReverse选项来实现的。 总体来看,块枚举法拥有其他遍历方式都具备的又是,而且还能带来更多好处。与快速遍历法相比,它更多用一些代码,可是却能提供遍历时所针对的下标,在遍历字典时也能同时提供键与值,而且还有选项可以开启并发迭代功能。 要点:
49.对自定义其内存管理语义的collection使用无缝桥接使用“无缝桥接”技术,可以在定义于Foundation框架中的Objective-C类和定义与CoreFoundation框架中的C数据结构之间互相转换。 下列代码演示了简单的无缝桥接:
转换中的bridge告诉ARC如何处理转换所涉及的Objective-C对象。bridge本身的意思是:ARC仍然具备这个Objective-C对象的所有权。而bridge_retained则与之相反,意味着ARC将交出对象的所有权。若是前面那段代码改用它来实现,那么用完数组之后就要加上CFRelease(aCFArray)以释放其内存。与之相似,反向转换可通过bridge_transfer来实现。比方说,想把CFArrayRef转换为NSArray*,并且想令ARC获得对象所有权,那么就可以采用此种转换方式。这三种转换方式成为”桥式转换“(bridged cast)。 以纯Objective-C来编写应用程序时,为何要用到这种功能呢?这是因为:Foundation框架中的Objective-C类所具备的某些功能,是CoreFoundation框架中的C语言数据结构所不具备的,反之亦然。在使用Foundation框架中的字典对象时会遇到一个大问题,那就是其键的内存管理语义为”拷贝“,而值的语义却是”保留“。除非使用强大的无缝桥接技术,否则无法改变其语义。 CoreFoundation框架中的字典类型叫做CFDictionary。其可变版本称为CFMutableDictionary。创建CFMutableDictionary时,可以通过下列方法来指定键和值的内存管理语义:
首个参数表示将要使用的内存分配器。CoreFoundation对象里的数据结构需要占用内存,而分配器负责分配及回收这些内存。开发者通常为这个参数传入NULL,表示采用默认的分配器。 第二个参数定义了字典的初始化大小。它并不会限制字典的最大容量,只是向分配器提示了一开始应该分配多少内存。加入要创建的字典含有10个对象,那就向该参数传入10。 最后两个参数值得注意。它们定义了许多回调函数,用于指示字典中的键和值在遇到各种事件时应该执行何种操作。这两个参数都是指向结构体的指针,二者所对应的结构体如下:
version参数目前应设为0。当前编程时总是取这个值,不过将来苹果公司也许会修改此结构体,所以要预留该值以表示版本号。这个参数可以用于检测新版与旧版数据结构之间是否兼容。结构体中的其余成员都是函数指针,它们定义了各种事件发生时应该采用哪个函数来执行相关任务。比方说,如果字典中加入了新的键与值,那么就会调用retain函数。此参数的类型定义如下:
由此可见retain是个函数指针,其所指向的函数接受两个参数,其类型分别是CFAllocatorRef与const void 。传给此函数的value参数表示即将加入字典中的键或值。而返回的void则表示要加到字典里的最终值。开发者可以用下列代码实现这个回调函数:
这么写只是把将加入字典中的值照原样返回。于是,如果用它充当retain回调函数来创建字典,那么该字典就不会“保留”键与值了。将此种写法与无缝桥接搭配起来,就可以创建出特殊的NSDictionary对象,而其行为与用Objective-C创建出来的普通字典不同。 下面的代码演示了这种字典的创建步骤:
在设定回调函数时,copyDescription取值为NULL,因为采用默认实现就很好,而equal与hash回调函数分别设为CFEqual与CFHash,因为这二者所采用的做法与NSMutableDictionary的默认实现相。CFEqual最终会调用NSObject的“isEqual:”方法,而CFHash则会调用hash方法。由此可以看出无缝桥接技术更为强大的一面。 键与值所对应的retain与release回调函数指针分别指向EOCRetainCallback与EOCReleaseCallback函数。如果用作键的对象不支持拷贝操作,此时就不能使用普通的NSMutableDictionary了,因为对象所属的类不支持NSCopying协议,因为“copyWithZone:”方法未实现。开发者可以直接在CoreFoundation层创建字典,于是就能修改内存管理语义,对键执行“保留”而非“拷贝”操作了。 要点:
50.构建缓存时选用NSCache而非NSDictionaryNSCache是Foundation框架专为处理缓存任务而设计的。 NSCache胜过NSDictionary之处在于,当系统资源将要耗尽时,它可以自动删减缓存。如果采用普通的字典,那么就要自己编写挂钩,在系统发出“低内存”(low memory)通知时手工删减缓存。而NSCache则会自动删减,由于其是NSFoundation框架的一部分,所以与开发者相比,它能在更深的层面上插入挂钩。此外,NSCache还会先行删减”最久未使用的”对象。若想自己编写代码来为字典添加此功能,则会十分复杂。 NSCache并不会“拷贝”键,而是会“保留”它。此行为用NSDictionary也可以实现,然而需要编写相当复杂的代码。NSCache对象不拷贝键的原因在于:很多时候,键都是由不支持拷贝操作的对象来充当的。因此,NSCache不会自动拷贝键,所以说,在键不支持拷贝操作的情况下,该类用起来比字典更方便。另外,NSCache是线程安全的。而NSDictionary则绝对不具备此优势,意思就是:在开发者自己不编写加锁代码的前提下,多个线程便可以同时访问NSCache。对缓存来说,线程安全通常很重要,因为开发者可能要在某个线程中读取数据,此时如果发现缓存里找不到指定的键,那么就要下载该键所对应的数据了。而下载完数据之后所要执行的回调函数,有可能会放在背景线程中运行,这样的话,就等于是用另外一个线程来写入缓存了。 开发者可以操控缓存删减其内容的时机。有两个与系统资源相关的尺度可供调整,其一是缓存中的对象总数,其二是所有对象的”总开销“。开发者在将对象加入缓存时,可为其指定”开销值“。当对象总数或总开销超过上限时,缓存就可能会删减其中的对象了,在可用的系统资源趋于紧张时,也会这么做。然而要注意,是”可能“会删减某个对象,而不是”一定“会删减某个对象。删减对象时所遵照的顺序,由具体实现来定。 向缓存中添加对象时,只有在能很快计算出”开销值“的情况下,才应该考虑采用这个尺度。若计算过程很复杂,那么照这种方式来使用缓存就达不到最佳效果了。 下面演示了缓存的用法:
本例中,下载数据所用的URL,就是缓存的键。若缓存未命中,则下载数据并将其放入缓存。而数据的开销值则为其长度。创建NSCache时,将其中可缓存的总对象数目上限设为100,将总开销上限设置为5MB。 还有个类叫NSPurgeableData,和NSCache搭配起来用,效果很好,此类事NSMutableData的子类,而且实现了NSDiscardableContent协议。如果某个对象所占的内存能够根据需要随时丢弃,那么就可以实现该协议所定义的接口。这就是说,当系统资源紧张时,可以把保存NSPurgeableData对象的那块内存释放掉。NSDiscardableContent协议里定义了名为isContentDiscarded的方法,可用来查询相关内存是否已释放。 如果需要访问某个NSPurgeableData对象,可以调用其beginContentAccess方法,告诉它现在还不应丢弃自己所占的内存。用完之后,调用endContentAccess方法,告诉它在必要时可以丢弃自己所占的内存了。这些调用可以嵌套,所以说,它们就像递增与递减引用计数所用的方法那样。只有对象的”引用计数“为0时才可以丢弃。 如果将NSPurgeableData对象加入NSCache,那么当该对象为系统所丢弃时,也会自动从缓存中移除。通过NSCache的evictsObjectsWithDiscardedContent属性,可以开启或关闭此功能。 刚才那个例子可以用NSPurgeableData改写如下:
注意,创建好NSPurgeableData对象之后,其”purge引用计数“会多1,所以无须再调用beginContentAccess了,然而气候必须调用endContentAccess,将多出来的这个”1“抵消掉。 要点:
51.精简initialize与load的实现代码有时候,类必须先执行某些初始化操作,然后才能正常使用。NSObject类有两个方法,可用来实现这种初始化操作。 load方法原型:
对于加入运行期系统中的每个类及分类来说,必定会调用此方法,而且仅调用一次。当包含类或分类的程序库载入系统时,就会执行此方法,而这通常就是指应用程序启动的时候,若程序是为iOS平台设计的,则肯定会在此时执行。Mac OS X应用程序更自由一些,它们可以使用”动态加载“之类的特性,等应用程序启动好之后再去加载程序库。如果分类和其他所属的类都定义了load方法,则先调用类里的,再调用分类里的。 load方法的问题在于,执行该方法时,运行期系统处于”脆弱状态“。在执行子类的load方法之前,必定会先执行所有超类的load方法,而如果代码还依赖了其他程序库,那么程序库里相关类的load方法也必定会先执行。然而,根据某个给定的程序库,却无法判断出其中各个类的载入顺序。因此,在load方法中使用其他类是不安全的。 比方说:
此处使用NSLog没问题,而且相关字符串也会照常记录,因为Foundation框架肯定在运行load方法之前就已经载入系统了。但是,在EOCClassB的load方法里使用EOCClassA却不太安全,因为无法确定在执行EOCClassB的load方法之前,EOCClassA是不是已经记载好了。可以想见:EOCClassA这个类,也许会在其load方法中执行某些重要操作,只有执行完这些操作之后,该类实例才能正常使用。 有个重要的事情需注意,那就是load方法并不像普通的方法那样,它并不遵从那套继承规则,如果某个类本身没实现load方法,那么不管其各级超类是否实现此方法,系统都不会调用。此外,分类和其所属的类里,都可能出现load方法。此时两种实现代码都会调用,类的实现要比分类的实现先执行。 而且load方法务必实现得精简一些,也就是要尽量减少其所执行的操作,因为整个应用程序在执行load方法时都会阻塞。如果load方法中包含繁杂的代码,那么应用程序在执行期间就会变得无响应。不要在里面等待锁,也不要调用可能会加锁的方法。总之,能不做的事情就别做。 想执行与类相关的初始化操作,还有个办法,就是覆写下列方法:
对于每个类来说,该方法会在程序首次用该类之前调用,且只调用一次。它是由运行期系统来调用的,绝不应该通过代码直接调用。其虽与load相似,但却有几个非常重要的微妙区别。首先,它是”惰性调用的“,也就是说,只有当程序用到了相关的类时,才会调用。因此,如果某个类一直都没有使用,那么其initialize方法就一直不会运行。这也就是说,应用程序无须先把每个类的initialize都执行一遍,这与load方法不同,对于load来说,应用程序必须则色并等着所有类的load都执行完,才能继续。 此方法与load还有个区别,就是运行期系统在执行该方法时,是处于正常状态的,因此,从运行期系统完整度上来讲,此时可以安全使用并调用任意类中的任意方法。而且,运行期系统也能保证initialize方法一定会在”线程安全的环境“中执行,这就是说,只有执行initialize的那个线程可以操作类或类的实例。其他线程都要先则色,等着initialize执行完。 最后一个区别是:initialize方法与其他消息一样,如果某个类未实现它,而其超类实现了,那么就会运行超类的实现代码。 initialize也遵循通常的继承规则,通常都会这么来实现initialize方法:
加上这条检测语句之后,只有当开发者所期望的那个类载入系统时,才会执行相关的初始化操作。 在load和initialize方法中尽量精简代码,在里面设置一些状态,使本类能够正常运作就可以了,不要执行那种耗时太久或需要加锁的任务。 开发者无法控制类的初始化时机。类在首次使用之前,肯定要初始化,但编写程序时不能令代码依赖特定的时间点,否则会很危险。运行期系统将来更新了之后,可能会略微改变类的初始化方式,这样的话,开发者原来如果假设某个类必定会在某个具体时间点初始化,那么现在这条假设可能就不成立了。 如果某个类的实现代码很复杂,那么其中可能会直接或间接用到其他类。若那些类尚未初始化,则系统会迫使其初始化。然而,本类的初始化方法此时尚未运行完毕。其他类在运行其initialize方法时,有可能会依赖本类中的某些数据,而这些数据此时也许还未初始化好。 若某个全局状态无法在编译期初始化,则可以在initialize里来做:
要点:
52.别忘了NSTimer回保留其目标对象计时器要和“运行循环”(run loop)相关联,运行循环到时候会触发任务。创建NSTimer时,可以将其“预先安排”在当前的运行循环中,也可以先创建好,然后由开发者自己来调度。无论采用哪种方式,只有把计时器放在运行循环里,它才能正常触发任务。 例如下面这个方法可以创建计时器,并将其预先安排在当前运行循环中:
要点:
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