SwiftUI学习(一)


总览

如果你想要入门 SwiftUI 的使用,那 Apple 这次给出的官方教程绝对给力。这个教程提供了非常详尽的步骤和说明,网页的交互也是一流,是觉得值得看和动手学习的参考。

不过,SwiftUI 中有一些值得注意的细节在教程里并没有太详细提及,也可能造成一些困惑。这篇文章以我的个人观点对教程的某些部分进行了补充说明,希望能在大家跟随教程学习 SwiftUI 的时候有点帮助。这篇文章的推荐阅读方式是,一边参照 SwiftUI 教程实际动手进行实现,一边在到达对应步骤时参照本文加深理解。在下面每段内容前我标注了对应的教程章节和链接,以供参考。

在开始学习 SwiftUI 之前,我们需要大致了解一个问题:为什么我们会需要一个新的 UI 框架。

为什么需要 SwiftUI

UIKit 面临的挑战

对于 Swift 开发者来说,昨天的 WWDC 19 首日 Keynote 和 Platforms State of the Union 上最引人注目的内容自然是 SwiftUI 的公布了。从 iOS SDK 2.0 开始,UIKit 已经伴随广大 iOS 开发者经历了接近十年的风风雨雨。UIKit 的思想继承了成熟的 AppKit 和 MVC,在初出时,为 iOS 开发者提供了良好的学习曲线。

UIKit 提供的是一套符合直觉的,基于控制流的命令式的编程方式。最主要的思想是在确保 View 或者 View Controller 生命周期以及用户交互时,相应的方法 (比如 viewDidLoad 或者某个 target-action 等) 能够被正确调用,从而构建用户界面和逻辑。不过,不管是从使用的便利性还是稳定性来说,UIKit 都面临着巨大的挑战。我个人勉强也能算是 iOS 开发的“老司机”了,但是「掉到 UIKit 的坑里」这件事,也几乎还是我每天的日常。UIKit 的基本思想要求 View Controller 承担绝大部分职责,它需要协调 model,view 以及用户交互。这带来了巨大的 side effect 以及大量的状态,如果没有妥善安置,它们将在 View Controller 中混杂在一起,同时作用于 view 或者逻辑,从而使状态管理愈发复杂,最后甚至不可维护而导致项目失败。不仅是作为开发者我们自己写的代码,UIKit 本身内部其实也经常受困于可变状态,各种奇怪的 bug 也频频出现。

声明式的界面开发方式

近年来,随着编程技术和思想的进步,使用声明式或者函数式的方式来进行界面开发,已经越来越被接受并逐渐成为主流。最早的思想大概是来源于 Elm,之后这套方式被 React 和 Flutter 采用,这一点上 SwiftUI 也几乎与它们一致。总结起来,这些 UI 框架都遵循以下步骤和原则:

  1. 使用各自的 DSL 来描述「UI 应该是什么样子」,而不是用一句句的代码来指导「要怎样构建 UI」。

    比如传统的 UIKit,我们会使用这样的代码来添加一个 “Hello World” 的标签,它负责“创建 label”,“设置文字”,“将其添加到 view 上”:

     func viewDidLoad() {
         super.viewDidLoad()
         let label = UILabel()
         label.text = "Hello World"
         view.addSubview(label)
         // 省略了布局的代码
     }
    

    而相对起来,使用 SwiftUI 我们只需要告诉 SDK 我们需要一个文字标签:

     var body: some View {
         Text("Hello World")
     }
    
  2. 接下来,框架内部读取这些 view 的声明,负责将它们以合适的方式绘制渲染。

    注意,这些 view 的声明只是纯数据结构的描述,而不是实际显示出来的视图,因此这些结构的创建和差分对比并不会带来太多性能损耗。相对来说,将描述性的语言进行渲染绘制的部分是最慢的,这部分工作将交由框架以黑盒的方式为我们完成。

  3. 如果 View 需要根据某个状态 (state) 进行改变,那我们将这个状态存储在变量中,并在声明 view 时使用它:

     @State var name: String = "Tom"
     var body: some View {
         Text("Hello \(name)")
     }
    

    关于代码细节可以先忽略,我们稍后会更多地解释这方面的内容。

  4. 状态发生改变时,框架重新调用声明部分的代码,计算出新的 view 声明,并和原来的 view 进行差分,之后框架负责对变更的部分进行高效的重新绘制。

SwiftUI 的思想也完全一样,而且实际处理也不外乎这几个步骤。使用描述方式开发,大幅减少了在 app 开发者层面上出现问题的机率。

一些细节解读

官方教程中对声明式 UI 的编程思想有深刻的体现。另外,SwiftUI 中也采用了非常多 Swift 5.1 的新特性,会让习惯了 Swift 4 或者 5 的开发者“耳目一新”。接下来,我会分几个话题,对官方教程的一些地方进行解释和探索。

教程 1 - Creating and Combining Views
Section 1 - Step 3: SwiftUI app 的启动

创建 app 之后第一件好奇的事情是,SwiftUI app 是怎么启动的。

教程示例 app 在 AppDelegate 中通过 application(_:configurationForConnecting:options) 返回了一个名为 “Default Configuration” 的 UISceneConfiguration 实例:

func application(
    _ application: UIApplication,
    configurationForConnecting connectingSceneSession: UISceneSession,
    options: UIScene.ConnectionOptions) -> UISceneConfiguration
{
    return UISceneConfiguration(name: "Default Configuration", sessionRole: connectingSceneSession.role)
}

这个名字的 Configuration 在 Info.plist 的 “UIApplicationSceneManifest -> UISceneConfigurations” 中进行了定义,指定了 Scene Session Delegate 类为 $(PRODUCT_MODULE_NAME).SceneDelegate。这部分内容是 iOS 13 中新加入的通过 Scene 管理 app 生命周期的方式,以及多窗口支持部分所需要的代码。这部分不是我们今天的话题。在 app 完成启动后,控制权被交接给 SceneDelegate,它的 scene(_:willConnectTo:options:) 将会被调用,进行 UI 的配置:

func scene(
        _ scene: UIScene,
        willConnectTo session: UISceneSession,
        options connectionOptions: UIScene.ConnectionOptions)
    {
        let window = UIWindow(frame: UIScreen.main.bounds)
        window.rootViewController = UIHostingController(rootView: ContentView())
        self.window = window
        window.makeKeyAndVisible()
    }

这部分内容就是标准的 iOS app 启动流程了。UIHostingController 是一个 UIViewController 子类,它将负责接受一个 SwiftUI 的 View 描述并将其用 UIKit 进行渲染 (在 iOS 下的情况)。UIHostingController 就是一个普通的 UIViewController,因此完全可以做到将 SwiftUI 创建的界面一点点集成到已有的 UIKit app 中,而并不需要从头开始就是基于 SwiftUI 的构建。

由于 Swift ABI 已经稳定,SwiftUI 是一个搭载在用户 iOS 系统上的 Swift 框架。因此它的最低支持的版本是 iOS 13,可能想要在实际项目中使用,还需要等待一两年时间。

Section 1 - Step 4: 关于 some View
struct ContentView: View {
    var body: some View {
        Text("Hello World")
    }
}

一眼看上去可能会对 some 比较陌生,为了讲明白这件事,我们先从 View 说起。

View 是 SwiftUI 的一个最核心的协议,代表了一个屏幕上元素的描述。这个协议中含有一个 associatedtype:

public protocol View : _View {
    associatedtype Body : View
    var body: Self.Body { get }
}

这种带有 associatedtype 的协议不能作为类型来使用,而只能作为类型约束使用:

// Error
func createView() -> View {

}

// OK
func createView<T: View>() -> T {

}

这样一来,其实我们是不能写类似这种代码的:

// Error,含有 associatedtype 的 protocol View 只能作为类型约束使用
struct ContentView: View {
    var body: View {
        Text("Hello World")
    }
}

想要 Swift 帮助自动推断出 View.Body 的类型的话,我们需要明确地指出 body 的真正的类型。在这里,body 的实际类型是 Text

struct ContentView: View {
    var body: Text {
        Text("Hello World")
    }
}

当然我们可以明确指定出 body 的类型,但是这带来一些麻烦:

  1. 每次修改 body 的返回时我们都需要手动去更改相应的类型。
  2. 新建一个 View 的时候,我们都需要去考虑会是什么类型。
  3. 其实我们只关心返回的是不是一个 View,而对实际上它是什么类型并不感兴趣。

some View 这种写法使用了 Swift 5.1 的 Opaque return types 特性。它向编译器作出保证,每次 body 得到的一定是某一个确定的,遵守 View 协议的类型,但是请编译器“网开一面”,不要再细究具体的类型。返回类型确定单一这个条件十分重要,比如,下面的代码也是无法通过的:

let someCondition: Bool

// Error: Function declares an opaque return type, 
// but the return statements in its body do not have 
// matching underlying types.
var body: some View {
    if someCondition {
        // 这个分支返回 Text
        return Text("Hello World")
    } else {
        // 这个分支返回 Button,和 if 分支的类型不统一
        return Button(action: {}) {
            Text("Tap me")
        }
    }
}

这是一个编译期间的特性,在保证 associatedtype protocol 的功能的前提下,使用 some 可以抹消具体的类型。这个特性用在 SwiftUI 上简化了书写难度,让不同 View 声明的语法上更加统一。

Section 2 - Step 1: 预览 SwiftUI

SwiftUI 的 Preview 是 Apple 用来对标 RN 或者 Flutter 的 Hot Reloading 的开发工具。由于 IBDesignable 的性能上的惨痛教训,而且得益于 SwiftUI 经由 UIKit 的跨 Apple 平台的特性,Apple 这次选择了直接在 macOS 上进行渲染。因此,你需要使用搭载有 SwiftUI.framework 的 macOS 10.15 才能够看到 Xcode Previews 界面。

Xcode 将对代码进行静态分析 (得益于 SwiftSyntax 框架),找到所有遵守 PreviewProvider 协议的类型进行预览渲染。另外,你可以为这些预览提供合适的数据,这甚至可以让整个界面开发流程不需要实际运行 app 就能进行。

笔者自己尝试下来,这套开发方式带来的效率提升相比 Hot Reloading 要更大。Hot Reloading 需要你有一个大致界面和准备相应数据,然后运行 app,停在要开发的界面,再进行调整。如果数据状态发生变化,你还需要 restart app 才能反应。SwiftUI 的 Preview 相比起来,不需要运行 app 并且可以提供任何的 dummy 数据,在开发效率上更胜一筹。

经过短短一天的使用,Option + Command + P 这个刷新 preview 的快捷键已经深入到我的肌肉记忆中了。

Section 3 - Step 5: 关于 ViewBuilder

创建 Stack 的语法很有趣:

VStack(alignment: .leading) {
    Text("Turtle Rock")
        .font(.title)
    Text("Joshua Tree National Park")
        .font(.subheadline)
}

一开始看起来好像我们给出了两个 Text,似乎是构成的是一个类似数组形式的 [View],但实际上并不是这么一回事。这里调用了 VStack 类型的初始化方法:

public struct VStack<Content> where Content : View {
    init(
        alignment: HorizontalAlignment = .center, 
        spacing: Length? = nil, 
        content: () -> Content)
}

前面的 alignment 和 spacing 没啥好说,最后一个 content 比较有意思。看签名的话,它是一个 () -> Content 类型,但是我们在创建这个 VStack 时所提供的代码只是简单列举了两个 Text,而并没有实际返回一个可用的 Content

这里使用了 Swift 5.1 的另一个新特性:Funtion builders。如果你实际观察 VStack 的这个初始化方法的签名,会发现 content 前面其实有一个 @ViewBuilder 标记:

init(
    alignment: HorizontalAlignment = .center, 
    spacing: Length? = nil, 
    @ViewBuilder content: () -> Content)

而 ViewBuilder 则是一个由 @_functionBuilder 进行标记的 struct:

@_functionBuilder public struct ViewBuilder { /* */ }

使用 @_functionBuilder 进行标记的类型 (这里的 ViewBuilder),可以被用来对其他内容进行标记 (这里用 @ViewBuilder 对 content 进行标记)。被用 function builder 标记过的 ViewBuilder 标记以后,content 这个输入的 function 在被使用前,会按照 ViewBuilder 中合适的 buildBlock 进行 build 后再使用。如果你阅读 ViewBuilder文档,会发现有很多接受不同个数参数的 buildBlock 方法,它们将负责把闭包中一一列举的 Text 和其他可能的 View 转换为一个 TupleView,并返回。由此,content 的签名 () -> Content 可以得到满足。

实际上构建这个 VStack 的代码会被转换为类似下面这样:

// 等效伪代码,不能实际编译。
VStack(alignment: .leading) { viewBuilder -> Content in
    let text1 = Text("Turtle Rock").font(.title)
    let text2 = Text("Joshua Tree National Park").font(.subheadline)
    return viewBuilder.buildBlock(text1, text2)
}

当然这种基于 funtion builder 的方式是有一定限制的。比如 ViewBuilder 就只实现了最多十个参数的 buildBlock,因此如果你在一个 VStack 中放超过十个 View 的话,编译器就会不太高兴。不过对于正常的 UI 构建,十个参数应该足够了。如果还不行的话,你也可以考虑直接使用 TupleView 来用多元组的方式合并 View

TupleView<(Text, Text)>(
    (Text("Hello"), Text("Hello"))
)

除了按顺序接受和构建 View 的 buildBlock 以外,ViewBuilder 还实现了两个特殊的方法:buildEither 和 buildIf。它们分别对应 block 中的 if...else 的语法和 if 的语法。也就是说,你可以在 VStack 里写这样的代码:

var someCondition: Bool

VStack(alignment: .leading) {
    Text("Turtle Rock")
        .font(.title)
    Text("Joshua Tree National Park")
        .font(.subheadline)
    if someCondition {
        Text("Condition")
    } else {
        Text("Not Condition")
    }
}

其他的命令式的代码在 VStack 的 content 闭包里是不被接受的,下面这样也不行:

VStack(alignment: .leading) {
    // let 语句无法通过 function builder 创建合适的输出
    let someCondition = model.condition
    if someCondition {
        Text("Condition")
    } else {
        Text("Not Condition")
    }
}

到目前为止,只有以下三种写法能被接受 (有可能随着 SwiftUI 的发展出现别的可接受写法):

  • 结果为 View 的语句
  • if 语句
  • if...else... 语句
Section 4 - Step 7: 链式调用修改 View 的属性

教程到这一步的话,相信大家已经对 SwiftUI 的超强表达能力有所感悟了。

var body: some View {
    Image("turtlerock")
        .clipShape(Circle())
        .overlay(
            Circle().stroke(Color.white, lineWidth: 4))
        .shadow(radius: 10)
}

可以试想一下,在 UIKit 中要动手撸一个这个效果的困难程度。我大概可以保证,99% 的开发者很难在不借助文档或者 copy paste 的前提下完成这些事情,但是在 SwiftUI 中简直信手拈来。在创建 View 之后,用链式调用的方式,可以将 View 转换为一个含有变更后内容的对象。这么说比较抽象,我们可以来看一个具体的例子。比如简化一下上面的代码:

let image: Image = Image("turtlerock")
let modified: _ModifiedContent<Image, _ShadowEffect> = image.shadow(radius: 10)

image 通过一个 .shadow 的 modifier,modified 变量的类型将转变为 _ModifiedContent<Image, _ShadowEffect>。如果你查看 View 上的 shadow 的定义,它是这样的:

extension View {
    func shadow(
        color: Color = Color(.sRGBLinear, white: 0, opacity: 0.33), 
        radius: Length, x: Length = 0, y: Length = 0) 
    -> Self.Modified<_ShadowEffect>
}

Modified 是 View 上的一个 typealias,在 struct Image: View 的实现里,我们有:

public typealias Modified<T> = _ModifiedContent<Self, T>

_ModifiedContent 是一个 SwiftUI 的私有类型,它存储了待变更的内容,以及用来实施变更的 Modifier

struct _ModifiedContent<Content, Modifier> {
    var content: Content
    var modifier: Modifier
}

在 Content 遵守 ViewModifier 遵守 ViewModifier 的情况下,_ModifiedContent 也将遵守 View,这是我们能够通过 View 的各个 modifier extension 进行链式调用的基础:

extension _ModifiedContent : _View 
    where Content : View, Modifier : ViewModifier 
{
}

在 shadow 的例子中,SwiftUI 内部会使用 _ShadowEffect 这个 ViewModifier,并把 image 自身和 _ShadowEffect实例存放到 _ModifiedContent 里。不论是 image 还是 modifier,都只是对未来实际视图的描述,而不是直接对渲染进行的操作。在最终渲染前,ViewModifier 的 body(content: Self.Content) -> Self.Body 将被调用,以给出最终渲染层所需要的各个属性。

更具体来说,_ShadowEffect 是一个满足 EnvironmentalModifier 协议的类型,这个协议要求在使用前根据使用环境将自身解析为具体的 modifier。

其他的几个修改 View 属性的链式调用与 shadow 的原理几乎一致。

小结

上面是对 SwiftUI 教程的第一部分进行的一些说明,在之后的一篇文章里,我会对剩余的几个教程中有意思的部分再做些解释。

虽然公开还只有一天,但是 SwiftUI 已经经常被用来和 Flutter 等框架进行比较。试用下来,在 view 的描述表现力上和与 app 的结合方面,SwiftUI 要胜过 Flutter 和 Dart 的组合很多。Swift 虽然开源了,但是 Apple 对它的掌控并没有减弱。Swift 5.1 的很多特性几乎可以说都是为了 SwiftUI 量身定制的,我们已经在本文中看到了一些例子,比如 Opaque return types 和 Function builder 等。在接下来对后面几个教程的解读中,我们还会看到更多这方面的内容。

另外,Apple 在背后使用 Combine.framework 这个响应式编程框架来对 SwiftUI.framework 进行驱动和数据绑定,相比于现有的 RxSwift/RxCocoa 或者是 ReactiveSwift 的方案来说,得到了语言和编译器层级的大力支持。如果有机会,我想我也会对这方面的内容进行一些探索和介绍。