可以在 swift 中创建静态分配的数组吗？

我想在 swift 中创建一个结构体，它有少量固定数量的值（比如 16 个浮点数）作为实例数据。要求该结构体不将这些值存储在堆上，以便结构体实例的地址就是实例变量的地址。还要求这些值可以通过下标在结构内部访问，就像数组一样。

在 C 语言中，你可以简单地定义这种事情：

struct Matrix4x4 {
    float elements[16];
    ...
} myMatrix;

有了这段代码，sizeof(Matrix4x4) == 64并且&myMatrix == &myMatrix.elements[0];简而言之，如果我类似地定义elements变量作为类型[Float]，矩阵实例仅包含指向数组的指针，因为Array<Float>实例是存储在堆上的对象。

有没有一种方法可以快速获得实例变量的静态分配，而不放弃类似数组下标访问的便利性和效率？

目前，这在“纯 Swift”中是不可能的。有一个很长的讨论 在 swift-evolution 邮件列表中，起始地址为

• [swift-evolution] 提案：连续变量（又名固定大小数组类型） https://lists.swift.org/pipermail/swift-evolution/Week-of-Mon-20160125/007984.html

它需要这样的功能，例如将矩阵结构传递给 C 函数。 据我所知，这个建议很受欢迎，但没有具体的计划 截至目前，它还没有被列入当前有效的 Swift 提案 https://github.com/apple/swift-evolution/tree/master/proposals.

C 数组

float elements[16];

作为包含 16 个组件的元组导入到 Swift 中：

public var elements: (Float, Float, Float, Float, Float, Float, Float, Float, Float, Float, Float, Float, Float, Float, Float, Float)

目前，这似乎是定义具有给定内存布局的固定大小结构的唯一方法。 Apple 的 Joe Groff 撰文于[swift-user] 将 C 语义映射到 Swift https://lists.swift.org/pipermail/swift-users/Week-of-Mon-20160516/001968.html

Swift 结构具有未指定的布局。如果您依赖于特定的布局，您现在应该在 C 中定义该结构并将其导入到 Swift 中。

and 后来在那次讨论中 https://lists.swift.org/pipermail/swift-users/Week-of-Mon-20160516/001980.html:

您可以保留在 C 中定义的结构并将其导入到 Swift 中。 Swift 将尊重 C 的布局。

如果矩阵类型是在 C 头文件中定义的（为了简单起见，我使用 现在以 2x2 矩阵为例）

// matrix.h:
typedef struct Matrix2x2 {
    float elements[4];
} Matrix2x2;

然后将其导入到 Swift 中：

public struct Matrix2x2 {
    public var elements: (Float, Float, Float, Float)
    public init()
    public init(elements: (Float, Float, Float, Float))
}

如上所述，Swift 保留了 C 内存布局，因此矩阵及其 元素和第一个元素都具有相同的地址：

var mat = Matrix2x2(elements: (1, 2, 3, 4))
print(sizeofValue(mat)) // 16
withUnsafePointer(&mat) { print($0) }            // 0x00007fff5fbff808
withUnsafePointer(&mat.elements) { print($0) }   // 0x00007fff5fbff808
withUnsafePointer(&mat.elements.0) { print($0) } // 0x00007fff5fbff808

然而，元组是不可下标的，如果元组成员具有 不同种类。 swift-evolution 邮件列表上还有另一个讨论

• [swift-evolution] 统一元组上的 CollectionType [分叉连续变量] https://lists.swift.org/pipermail/swift-evolution/Week-of-Mon-20160208/009682.html

将“统一元组”视为集合，这将允许下标。 不幸的是，这尚未实施。

有一些方法可以通过索引访问元组成员，例如使用Mirror() or withUnsafe(Mutable)Pointer().

这是一个可能的解决方案斯威夫特 3 (Xcode 8)，这似乎运作良好 并且只涉及很少的开销。 “技巧”是定义 C 函数 返回指向元素存储的指针：

// matrix.h:

// Constant pointer to the matrix elements:
__attribute__((swift_name("Matrix2x2.pointerToElements(self:)")))
static inline const float * _Nonnull matrix2x2PointerToElements(const Matrix2x2 * _Nonnull mat)
{
    return mat->elements;
}

// Mutable pointer to the matrix elements:
__attribute__((swift_name("Matrix2x2.pointerToMutableElements(self:)")))
static inline float * _Nonnull pointerToMutableElements(Matrix2x2 * _Nonnull mat)
{
    return mat->elements;
}

我们需要两个变体来使正确的值语义发挥作用（下标设置器需要 变量、下标 getter 适用于常量或变量）。 “swift_name”属性使编译器将这些函数导入为成员 的职能Matrix2x2类型、比较

• SE-0044 作为会员导入 https://github.com/apple/swift-evolution/blob/master/proposals/0044-import-as-member.md

现在我们可以在 Swift 中定义下标方法：

extension Matrix2x2 {
    public subscript(idx: Int) -> Float {
        get {
            precondition(idx >= 0 && idx < 4)
            return pointerToElements()[idx]
        }
        set(newValue) {
            precondition(idx >= 0 && idx < 4)
            pointerToMutableElements()[idx] = newValue
        }
    }
}

一切都按预期进行：

// A constant matrix:
let mat = Matrix2x2(elements: (1, 2, 3, 4))
print(mat[0], mat[1], mat[2], mat[3]) // 1.0 2.0 3.0 4.0

// A variable copy:
var mat2 = mat
mat2[0] = 30.0
print(mat2) // Matrix2x2(elements: (30.0, 2.0, 3.0, 4.0))

当然你也可以定义类似矩阵的下标方法

public subscript(row: Int, col: Int) -> Float

以类似的方式。