Swift 2023：所有权、宏和 C++ 互操作

Swift 语言工作组已经详细说明了 2023 年及以后 Swift 重点发展的主要领域，其中包括定义内存管理的所有权模型、不可复制类型、宏系统和 C++ 互操作。

所有权是一种内存管理方法，最近由于 Rust 而变得流行起来。它是 Rust 最具有决定性的语言特征之一，是其提供内存安全保证的基础。

Rust 使用了第三种方法：内存是通过一个所有权系统来管理的，该系统有一套编译器检查规则。如果违反了任何规则，程序就不会编译。所有权的所有特性都不会拖慢程序运行时的速度。

关于在 Swift 中引入所有权的讨论始于 2017 年，并最终定义了所有权宣言。

虽然关于所有权的工作没有取得任何进展，但 Swift 语言工作组将其带回来，目的是为了让程序员对内存中的值有更多的控制权。这可以包括禁止隐式复制、允许所有权转移以及在不进行复制的情况下借用值。此外，Swift 可以支持不可复制类型，以限制临界值的生命周期。

这些控制将实现在内存中处理数据的新方法，将当前“不安全”结构的性能与 Swift 标准库功能的安全性相结合。

Swift 另一个有前途的领域是创建一个过程宏系统，以创建高级库和 DSL。宏是一种代码生成机制，可以在词法、句法或语义层面对源代码进行转换。Swift 中现有的一些功能可以实现为宏，如 Codable 协议、字符串插值、属性封装器和结果构建器。根据 Swift 语言团队的说法，使用宏来构建像上面列出的那些新特性，可以释放出更多的资源，用于语言及其工具相关的其他工作。

虽然 Swift 宏的相关工作仍处于非常早期的阶段，但关于它们在 Swift 中应该是什么样子，人们已经有一些想法。下面是一个可能的 stringify 宏的例子：

macro(contexts: [.expression, .parameter], external: "MyMacros.Stringify")func stringify(_ value: T) -> (T, String)

C++ 互操作旨在实现从 Swift 调用 C++ 代码，以及从 C++ 调用 Swift 代码。由于这个特性的相关工作进展得比较快，所以它有可能会首先出现在 Swift 官方版本中。根据 Swift 语言团队的说法，当前的 C++ 互操作实现已经支持自有值类型、普通值类型、外部引用类型和迭代器，并为方法、指针、l- 值和 r- 值引用有关的基本问题提供了答案。

虽然上述三个领域最具创新性，但 Swift 的演进也将专注于改进现有的功能，比如并发和泛型。

特别是在并发方面，其目标将是改善 Sendable 和 actors 提供的数据隔离，而泛型方面的工作将带来对变量泛型的支持，即拥有不同数量占位符类型的泛型。

重写 Foundation 框架

Swift 团队已着手开始 Foundation 框架的一个新的开源实现。新的实现完全采用 Swift 编写，旨在通过消除 Objective-C 和 Swift 之间的转换成本来提升性能，并对其进行模块化和清理。

因为采用了原生的 Swift 实现，Foundation 框架不再需要在 C 和 Swift 之间进行转换，从而获得更高的性能。

正如苹果工程师 Tony Parker 在 Swift 论坛上所解释的那样，性能方面带来的好处是非常显著的。

使用 Swift 重新实现的日历应用的速度是 C 的 1.5 到 18 倍（在创建、日期计算等各种测试基准中调用 Swift）。

Foundation 框架是大多数 macOS 和 iOS 应用程序的基石，提供了大量的抽象，包括 NSObject、NSString、NSArray 和 NSDictionary 等等。

Foundation 最初是用 Objective-C 编写的，很大程度上利用了它的动态特性，由于 Swift 与 Objective-C 运行时的互操作性，Foundation 目前可以用于运行苹果操作系统上的 Swift 应用程序。不过，对于其他支持 Swift 但只有原始 GNUstep Objective-C 运行时的平台（如 Linux）来说就不是这样了。为了规避这一限制，苹果在开源 Swift 时推出了 swift-corelibs-foundation，一个 Core Foundation 的 Swift 包装器，一个位于 Foundation 核心的底层 C API，并提供了映射到 Foundation 的“桥接”抽象，包括 CFString、CFDictionary 等。

如前所述，使用 Swift 重写将是一个重构 Foundation 框架的机会。目前，有五个不同的包进行了重新设计，包括 FoundationEssentials、FoundationInternationalization、FoundationNetworking、FoundationXML 和 FoundationObjCCompatibility。开发者可以只引入特定应用程序实际需要的依赖项。例如，一个从头开始开发应用程序并且想要切断与 Darwin Foundation 层所有联系的开发者，可以完全跳过 Obj-C 兼容层。

在做出重写 Foundation 决定的同时，苹果正在调整 C、Objective-C 和 Swift 层之间的顺序，并让 Swift 层成为 Foundation 的基础。这将有机会删除一些目前可以直接由 Swift 语言和标准库提供的特性，如 NSCoding 和 NSKeyedArchiver，取而代之的是 Codable，或者 Lock、OperationQueue，以及其他被 Swift 结构化并发取代的并发原语。不过，这些特性将由 Darwin 平台上的一个单独包提供，以确保与现有代码兼容。

这一声明在 Swift 论坛上引发了许多评论，其中大多数都暗示重新考虑现有的几个 API 的便利性，确保 Swift 类型（如 Codable）或结构化并发足够强大，以便在核心基础层完全取代 Obj-C 类型。

可以预见的是，Foundation 重写是一项中期的努力，目前还没有宣布具体的时间表，苹果正在邀请 Swift 社区加入讨论，一起定义它的未来。

对于 Swift 的发展，InfoQ 将继续跟踪报道。

参考链接：

https://www.infoq.com/news/2022/12/apple-swift-foundation-rewrite/

https://www.infoq.com/news/2022/12/swift-ownership-macros-cpp-api/

相关阅读：

C++ 开发，这些 GUI 库一定不要错过！

学 C++ 的以后都能从事哪些岗位？

现代化工具链在大规模 C++ 项目中的技术实践

C/C++ 的类型转换