扩展

扩展可以为在当前 package 可见的类型（除函数、元组、接口）添加新功能。

当我们不能破坏原有类型的封装性，但希望添加额外的功能时，可以使用扩展。

可以添加的功能包括：

  • 添加成员函数
  • 添加操作符重载函数
  • 添加成员属性
  • 实现接口

扩展虽然可以添加额外的功能，但不能变更原有类型的封装性，因此扩展不支持以下功能：

  1. 扩展不能增加成员变量。
  2. 扩展的函数和属性必须拥有实现。
  3. 扩展的函数和属性不能使用 open、override、 redef修饰。
  4. 扩展不能访问原类型 private 的成员。

扩展的定义

一个简单的扩展语法结构示例如下：

extend String {
    public func printSize() {
        println("the size is ${this.size}")
    }
}

如上例所示，扩展使用 extend 关键字声明，其后跟着被扩展的类型 String 和扩展的功能。

当为 String 扩展了 printSize 函数之后，我们就能在当前 package 内对 String 的实例访问该函数，就像是 String 本身具备该函数。

main() {
    let a = "123"
    a.printSize() // the size is 3
}

编译执行上述代码，输出结果为：

the size is 3

被扩展类型处的泛型变元的名称不需要与原来定义处的相同（但个数要相同）。被扩展类型中的类型变元会隐式引入被扩展类型定义时的泛型约束。

例如下面所示的 MyList<T>。

class MyList<T> {
    public let data: Array<T> = Array<T>()
}

extend MyList<T> {} // OK
extend MyList<R> {} // OK
extend MyList {} // error
extend MyList<T, R> {} // error

对于泛型类型的扩展，我们可以在其中声明额外的泛型约束，来实现一些有限情况下才能使用的函数。

例如我们可以定义一个叫 Pair 的类型，这个类型可以让我们方便的存储两个元素（类似于 Tuple）。

我们希望 Pair 类型可以容纳任何类型，因此两个泛型变元不应该有任何约束，这样才能保证 Pair 能容纳所有类型。

但同时我们又希望当两个元素可以判等的时候，让 Pair 也可以判等，这时就可以用扩展来实现这个功能。

如下面的代码所示，我们使用扩展语法，约束了 T1 和 T2 在支持 equals 的情况下，Pair 也可以实现 equals 函数。

class Pair<T1, T2> {
    var first: T1
    var second: T2
    public init(a: T1, b: T2) {
        first = a
        second = b
    }
}

interface Eq<T> {
    func equals(other: T): Bool
}

extend Pair<T1, T2> where T1 <: Eq<T1>, T2 <: Eq<T2> {
    public func equals(other: Pair<T1, T2>) {
        first.equals(other.first) && second.equals(other.second)
    }
}

class Foo <: Eq<Foo> {
    public func equals(other: Foo): Bool {
        true
    }
}

main() {
    let a = Pair(Foo(), Foo())
    let b = Pair(Foo(), Foo())
    println(a.equals(b)) // true
}

编译执行上述代码，输出结果为：

true

根据扩展有没有实现新的接口，扩展可以分为 直接扩展 和 接口扩展 两种用法，直接扩展即不包含额外接口的扩展，以上我们看到的例子都属于直接扩展；接口扩展即包含接口的扩展，接口扩展可以用来为现有的类型添加新功能并实现接口，增强抽象灵活性。

例如下面的例子，类型 Array 本身没有实现接口 PrintSizeable，但我们可以通过扩展的方式为 Array 增加额外的成员函数 printSize，并实现 PrintSizeable。

interface PrintSizeable {
    func printSize(): Unit
}

extend Array<T> <: PrintSizeable {
    public func printSize() {
        println("The size is ${this.size}")
    }
}

当使用扩展为 Array 实现 PrintSizeable 之后，就相当于在 Array 定义时实现接口 PrintSizeable。

因此我们可以将 Array 作为 PrintSizeable 的实现类型来使用了，如以下代码所示。

main() {
    let a: PrintSizeable = Array<Int64>()
    a.printSize() // 0
}

编译执行上述代码，输出结果为：

The size is 0

我们可以在同一个扩展内同时实现多个接口，多个接口之间使用 & 分开，接口的顺序没有先后关系。

如下面代码所示，我们可以在扩展中为 Foo 同时实现 I1、I2、I3。

interface I1 {
    func f1(): Unit
}

interface I2 {
    func f2(): Unit
}

interface I3 {
    func f3(): Unit
}

class Foo {}

extend Foo <: I1 & I2 & I3 {
    public func f1(): Unit {}
    public func f2(): Unit {}
    public func f3(): Unit {}
}

我们也可以在接口扩展中声明额外的泛型约束，来实现一些特定约束下才能满足的接口。

例如我们可以让上面的 Pair 类型实现 Eq 接口，这样 Pair 自己也能成为一个符合 Eq 约束的类型，如下代码所示。

class Pair<T1, T2> {
    var first: T1
    var second: T2
    public init(a: T1, b: T2) {
        first = a
        second = b
    }
}

interface Eq<T> {
    func equals(other: T): Bool
}

extend Pair<T1, T2> <: Eq<Pair<T1, T2>> where T1 <: Eq<T1>, T2 <: Eq<T2> {
    public func equals(other: Pair<T1, T2>) {
        first.equals(other.first) && second.equals(other.second)
    }
}

class Foo <: Eq<Foo> {
    public func equals(other: Foo): Bool {
        true
    }
}

main() {
    let a = Pair(Foo(), Foo())
    let b = Pair(Foo(), Foo())
    println(a.equals(b)) // true
}

编译执行上述代码，输出结果为：

true

如果被扩展的类型已经包含接口要求的函数或属性，那么我们在扩展中不需要并且也不能重新实现这些函数或属性。

例如下面的例子，我们定义了一个新接口 Sizeable，目的是获得某个类型的 size，而我们已经知道 Array 中包含了这个函数，因此我们就可以通过扩展让 Array 实现 Sizeable，而不需要添加额外的函数。

interface Sizeable {
    prop size: Int64
}

extend Array<T> <: Sizeable {}

main() {
    let a: Sizeable = Array<Int64>()
    println(a.size)
}

编译执行上述代码，输出结果为：

0

扩展的修饰符

扩展本身不能使用修饰符修饰。

例如，下面的例子中对 A 的直接扩展前使用了 public 修饰，将编译报错。

public class A {}

public extend A {}  // error, expected no modifier before extend

扩展成员可使用的修饰符有：static、public、protected（仅限于被扩展类型是 class 类型）、private、mut。

  • 使用 private 修饰的成员只能在本扩展内使用，外部不可见。
  • 使用 protected 修饰的成员除了能在本包内被访问，对包外的当前 class 子类也可以访问。
  • 没有使用 private，protected 或 public 修饰的成员只能在本包内使用。
  • 使用 static 修饰的成员，只能通过类型名访问，不能通过实例对象访问。
  • 对 struct 类型的扩展可以定义 mut 函数。
package p1

public open class A {}

extend A {
    public func f1() {}
    protected func f2() {}
    private func f3() {}
    static func f4() {}
}

main() {
    A.f4()
    var a = A()
    a.f1()
    a.f2()
}

扩展内的成员定义不支持使用 open、override、redef 修饰。

class Foo {
    public open func f() {}
    static func h() {}
}

extend Foo {
    public override func f() {} // error
    public open func g() {} // error
    redef static func h() {} // error
}

扩展的孤儿规则

为一个其它 package 的类型实现另一个 package 的接口，可能造成理解上的困扰。

为了防止一个类型被意外实现不合适的接口，我们不允许定义孤儿扩展，指的是既不与接口（包含接口继承链上的所有接口）定义在同一个包中，也不与被扩展类型定义在同一个包中的接口扩展。

如下代码所示，我们不能在 package c 中，为 package a 里的 Foo 实现 package b 里的 Bar。

我们只能在 package a 或者在 package b 中为 Foo 实现 Bar。

// package a
public class Foo {}

// package b
public interface Bar {}

// package c
import a.Foo
import b.Bar

extend Foo <: Bar {} // Error

扩展的访问和遮盖

扩展的实例成员与类型定义处一样可以使用 this，this 的功能保持一致。同样也可以省略 this 访问成员。扩展的实例成员不能使用 super。

class A {
    var v = 0
}

extend A {
    func f() {
        print(this.v) // ok
        print(v) // ok
    }
}

扩展不能访问被扩展类型的 private 修饰的成员（意味着非 private 修饰的成员均能被访问）。

class A {
    private var v1 = 0
    protected var v2 = 0
}

extend A {
    func f() {
        print(v1) // error
        print(v2) // ok
    }
}

扩展不能遮盖被扩展类型的任何成员。

class A {
    func f() {}
}

extend A {
    func f() {} // error
}

扩展也不允许遮盖其它扩展增加的任何成员。

class A {}

extend A {
    func f() {}
}

extend A {
    func f() {} // error
}

在同一个 package 内对同一类型可以扩展多次。

在扩展中可以直接调用（不加任何前缀修饰）其它对同一类型的扩展中的非 private 修饰的函数。

class Foo {}

extend Foo { // OK
    private func f() {}
    func g() {}
}

extend Foo { // OK
    func h() {
        g() // OK
        f() // Error
    }
}

扩展泛型类型时，可以使用额外的泛型约束。泛型类型的任意两个扩展之间的可见性规则如下：

  • 如果两个扩展的约束相同，则两个扩展相互可见，即两个扩展内可以直接使用对方内的函数或属性；
  • 如果两个扩展的约束不同，且两个扩展的约束有包含关系，约束更宽松的扩展对约束更严格的扩展可见，反之，不可见；
  • 当两个扩展的约束不同时，且两个约束不存在包含关系，则两个扩展均互相不可见。

示例：假设对同一个类型 E<X> 的两个扩展分别为扩展 1 和扩展 2 ，X 的约束在扩展 1 中比扩展 2 中更严格，那么扩展 1 中的函数和属性对扩展 2 均不可见，反之，扩展 2 中的函数和属性对扩展 1 可见。

// B <: A
class E<X> {}

interface I1 {
    func f1(): Unit
}
interface I2 {
    func f2(): Unit
}

extend E<X> <: I1 where X <: B {  // extension 1
    public func f1(): Unit {
        f2() // OK
    }
}

extend E<X> <: I2 where X <: A   { // extension 2
    public func f2(): Unit {
        f1() // Error
    }
}

扩展的导入导出

扩展也是可以被导入和导出的，但是扩展本身不能使用 public 修饰，扩展的导出有一套特殊的规则。

对于直接扩展，只有当扩展与被扩展的类型在同一个 package，并且被扩展的类型和扩展中添加的成员都使用 public 或 protected 修饰时，扩展的功能才会被导出。

除此以外的直接扩展均不能被导出，只能在当前 package 使用。

如以下代码所示，Foo 是使用 public 修饰的类型，并且 f 与 Foo 在同一个 package 内，因此 f 会跟随 Foo 一起被导出。而 g 和 Foo 不在同一个 package，因此 g 不会被导出。

package a

public class Foo {}

extend Foo {
    public func f() {}
}

///////

package b

extend Foo {
    public func g() {}
}

///////

package c
import a.*
import b.*

main() {
    let a = Foo()
    a.f() // OK
    a.g() // Error
}

对于接口扩展则分为两种情况：

  1. 如果接口扩展和被扩展类型在同一个 package，但接口是来自导入的，只有当被扩展类型使用 public 修饰时，扩展的功能才会被导出。
  2. 如果接口扩展与接口在同一个 package，则只有当接口是使用 public 修饰时，扩展的功能才会被导出。

如下代码所示，Foo 和 I 都使用了 public 修饰，因此对 Foo 的扩展就可以被导出。

package a

public class Foo {}

public interface I {
    func g(): Unit
}

extend Foo <: I {
    public func g(): Unit {}
}

///////

package b
import a.*

main() {
    let a: I = Foo()
    a.g()
}

与扩展的导出类似，扩展的导入也不需要显式地用 import 导入，扩展的导入只需要导入被扩展的类型和接口，就可以导入可访问的所有扩展。

如下面的代码所示，在 package b 中，只需要导入 Foo 就可以使用 Foo 对应的扩展中的函数 f。

而对于接口扩展，需要同时导入被扩展的类型和扩展的接口才能使用，因此在 package c 中，需要同时导入 Foo 和 I 才能使用对应扩展中的函数 g。

package a

public class Foo {}
extend Foo {
    public func f() {}
}

///////

package b
import a.Foo

public interface I {
    func g(): Unit
}
extend Foo <: I {
    public func g() {
        this.f() // OK
    }
}

///////
package c
import a.Foo
import b.I

func test() {
    let a = Foo()
    a.f() // OK
    a.g() // OK
}