聊一聊 iOS 开发中的惰性计算
本文摘自:作者臧成威,美团网 iOS 技术专家，QCon 讲师，国内 Functional Reactive Programming 技术爱好者.2015年加入美团，负责美团 iOS 发布工程系统的研发和流程优化梳理。擅长多语言范式，对各种编程范式有着独到的见解.
臧老师在美团组织过系统的 Functional Reactive Programming 培训，参与人数总计达百人。
他最近在 InfoQ 旗下的 StuQ 开设课程：《ReactiveCocoa 编程思想与开发实战》，第一期爆满结束。于是他最近开了第二期课程，本周五即将上课，感兴趣的可以看文末的课程详情。
正文
首先给大家讲一个笑话：
有一只小白兔，跑到蔬菜店里问老板：“老板，有 100 个胡萝卜吗？”。老板说：“没有那么多啊。”，小白兔失望的说道：“哎，连 100 个胡萝卜都没有。。。”。
第二天小白兔又来到蔬菜店问老板：“今天有 100 个胡萝卜了吧？”，老板尴尬的说：“今天还是缺点，明天就能好了。”，小白兔又很失望的走了。
第三天小白兔刚一推门，老板就高兴的说道：“有了有了，从前天就进货的 100 个胡萝卜到货了。”，小白兔说：“太好了，我要买 2 根！”。。。
不晓得笑话是否博您一笑，但是这里面确有一个点是和我们的主题惰性计算相关的。试想一下，假设蔬菜店是一个电商，你是老板，你挂商品数量的时候，是 100 个，1000 个，还是真实的备货 2 个？显然做过淘宝的同学都知道这其中的玄机，就是先挂大的余量，有卖出再补货。所以，如果这个老板先回答有 100 个胡萝卜，再等它要 2 个的时候把自己备货的 2 个拿给它，是不是就免去了 100 个胡萝卜的物流？
在程序开发中，我们也会经常的遇到这样的问题，明明创建了很大的一个对象，但是其实只用了一个字段；明明创建了一个 500 个的数组，其实只用了第 0 个和第 1 个元素。遇到这类问题，我们可以尝试使用惰性计算来解决。
关于惰性计算，或者惰性求值。想必大家第一反应就是在 getter 里动态返回属性了。例如有一个很大的属性，你希望在有人调用的时候才创建，就可以这样写：
- (id)someBigProperty
{
if (_someBigProperty == nil) {
NSMutableArray *someBigProperty = [NSMutableArray array];
for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
[someBigProperty addObject:@(i)];
}
_someBigProperty = [someBigProperty copy];
}
return _someBigProperty;
}
本文当然不拘泥于大家耳熟能详的知识点进行阐述了。上述的代码虽然也能勉强叫惰性求值，但并非足够理想。为什么说是 “勉强叫” 呢？大家想想上面的笑话，其实这样做和老板的做法并无差别。首先店里没有 100 个胡萝卜，就好像这个对象没有_someBigProperty属性一样。一旦有人需要 100 个 “胡萝卜”，就循环 100000 次创建这个_someBigProperty属性。然后可能使用者只需要第 0 个。
另外在实际项目中这样的一个手段几乎被大家严重的乱用了，为什么说是乱用呢？除了创建非常大的属性、或者创建对象的时候有一些必要的副作用不能提前创建之外，几乎不应该使用惰性求值来处理类似逻辑。原因如下：
如果真的是很大的属性，一般它比较重要，几乎一定会被访问，所以加上这个不如直接在 init 的时候创建。
@property 的 atomic、nonatomic、copy、strong 等描述在有 getter 方法的属性上会失效，后人修改代码的时候可能只改了 @property 声明，并不会记得改 getter，于是隐患就这样埋下了。
代码含有了隐私操作，尤其 getter 中再混杂了各种逻辑，使得程序出现问题非常不好排查。后人哪会想到someObj.someProperty这样一个简简单单的取属性发生了很多奇妙的事。
很多人的 getter 写得并不是完全标准，例如上述代码会导致多线程访问的时候，出现很多神奇的问题。一旦形成习惯，后续的很多稀奇古怪的 crash 就接踵而至了。
代码多，本来代码只需要在init方法中创建用上一两行，结果用了至少 7 行的一个 getter 方法才能写出来，想想一个程序轻则数百个属性，都这么搞，得多出多少行代码？另外代码格式几乎完全一样，不符合 DRY 原则。好的程序员不应该总是写重复的代码，不是么？
性能损耗，对于属性取值可能会非常的频繁，如果所有的属性取值之前都经过一个if判断，这不是平白浪费的性能？
我们回到正题。既然简单改写一下 getter 不但解决不了问题还有这么多隐患，那我们该如何能够正确优雅的把惰性计算写好？下面给大家一些建议。
观察上面的代码，你会发现 _someBigProperty 是一个非常规则的 NSArray，它的 item 内容与下标相等。我们可以看出 item 的结果与 index 存在如下关系：
f(x) = x
类似的可以有很多，例如> 100的为@“world”，0 <= x <= 100的为@“hello”；item 为下标的平方；item 为下标的数值转换成的字符串等。所以这类NSArray，基本需要一个 count 和一个函数就可以构成了。那我们现在就基于NSArray这个类簇，实现一个特殊的类吧！
关于类簇，相信很多同学都有所了解，大概的说法是不可以直接继承一个NSArray、NSNumber、NSString这样的类。如果要继承需要实现全部的必要方法，在NSArray这个类簇来说，就是如下的方法：
@interface NSArray<__covariant ObjectType> : NSObject
@property (readonly) NSUInteger count;
- (ObjectType)objectAtIndex:(NSUInteger)index;
- (instancetype)init NS_DESIGNATED_INITIALIZER;
- (instancetype)initWithObjects:(const ObjectType [])objects count:(NSUInteger)cnt NS_DESIGNATED_INITIALIZER;
- (nullable instancetype)initWithCoder:(NSCoder *)aDecoder NS_DESIGNATED_INITIALIZER;
@end
当然除了NSArray类的基本方法，还有NSCopying、NSMutableCopying、NSSecureCoding这些协议需要实现，另外NSFastEnumberation协议已经默认实现完成，不需要额外处理。与惰性计算无关的细节大家可以自己填补，对于本例，我们只需要关心这几个方法的实现：
typedef id(^ItemBlock)(NSUInteger index);
@interface ZDynamicArray : NSArray
- (instancetype)initWithItemBlock:(ItemBlock)block count:(NSUInteger)cnt;
- (id)objectAtIndex:(NSUInteger)index;
- (NSUInteger)count;
@end
按照上文的说法，对于这样一个特殊的NSArray，我们真正要储存的数据只有一个 count 值外加一个函数，所以我们用这两个作为init参数。实现也很简单：
@interface ZDynamicArray()
@property (nonatomic, readonly) ItemBlock block;
@property (nonatomic, readonly) NSUInteger cnt;
@end
@implementation ZDynamicArray
- (instancetype)initWithItemBlock:(ItemBlock)block count:(NSUInteger)cnt
{
if (self = [super init]) {
_block = block;
_cnt = cnt;
}
return self;
}
- (NSUInteger)count
{
return self.cnt;
}
- (id)objectAtIndex:(NSUInteger)index
{
if (self.block) {
return self.block(index);
} else {
return nil;
}
}
@end
瞧，就这么简单的写好了。让我们试一下吧！
ZDynamicArray *array = [[ZDynamicArray alloc] initWithItemBlock:^id(NSUInteger index) {
return @(index);
} count:100000];
for (id v in array) {
NSLog(@"%@", v);
}
NSLog(@"%@", array[15]);
一个看似 10w 数据的数组，其实占用空间微乎其微，但是作用和最开始那样的代码效果一样。很不错吧。大家也可以动手实践，写一些自己需要用到的惰性计算代码，例如一个Model的数组，并非所有的Model都需要用到，我们也可以做成这样的一个数组，等用到的时候再从NSDicitonary转换成Model。就像这样：
NSArray *downloadData = @[@{}, @{}, @{}, @{}];
NSArray *modelArray = [[ZDynamicArray alloc] initWithItemBlock:^id(NSUInteger index) {
return [SomeModel modelFromDictionary:downloadData[index]];
} count:downloadData.count];
当然这可能有一定的风险，因为传统的写法会更早一步的发现某些数据不正确，然后惰性计算，会把这个发现问题的时间延后。这就需要更多更好的错误处理机制。ReactiveCocoa这个著名的 FRP 库为我们提供了更多编程的可能，它在很多处理上都是惰性计算的，同时它又做了很好的异常处理工作。学习它可以让你编程思路更广。
全文完。
