Александр Казанский Санкт-Петербург «БХВ-Петербург» К37 Казанский А. А. К37 Разработка приложений на Swift 5.1 и SwiftUI с нуля. — СПб.: БХВ-Петербург, 2021. — 384 с.: ил. — (С нуля) Рассмотрены принципы протокольно-ориентированного и функционального программирования на языке Swift 5.1 для операционных систем macOS, iOS и iPadOS. Подробно описана среда разработки Xcode 11.2 и новейшая технология Apple — SwiftUI. Приведены приемы проектирования и разработки программ для macOS с использованием фреймворка Cocoa, мобильных приложений с помощью фреймворка Cocoa Touch, описаны принципы создания проектов с интерфейсом Storyboard. Главы содержат упражнения с решениями и примеры кода для начинающих программистов. Для программистов Группа подготовки издания: Руководитель проекта Зав. редакцией Компьютерная верстка Дизайн обложки Павел Шалин Екатерина Сависте Ольги Сергиенко Карины Соловьевой "БХВ-Петербург", 191036, Санкт-Петербург, Гончарная ул., 20. © Казанский А. А., 2021 © Оформление. ООО "БХВ-Петербург", ООО "БХВ", 2021 <0> <0> <0> <0> <0> <0> <0> <0> <0> <0> <0> <0> <0> <0> <0> ОГЛАВЛЕНИЕ Введение ............................................................................................................................ 9 ЧАСТЬ I. ПРОГРАММИРОВАНИЕ НА SWIFT 5.1............................................... 13 . Среда разработки Xcode ............................................................................... 15 1.1. Консольные приложения playground для iOS ...................................................................... 17 1.2. Консольные приложения playground для macOS ................................................................. 23 1.3. Консольные приложения в режиме Project с шаблоном Command Line Tool ................... 24 1.4. Написание кода на REPL Swift .............................................................................................. 29 1.5. Программирование на Swift 5.1 в режиме online ................................................................. 31 . Основы программирования на языке Swift 5.1 ....................................... 33 2.1. Переменные и константы ....................................................................................................... 33 2.2. Стандартные числовые функции........................................................................................... 39 2.3. Арифметические операции и операции сравнения.............................................................. 42 2.4. Построение арифметических выражений и преобразование числовых данных ............... 45 2.5. Упражнения на рассмотренный материал ............................................................................ 48 2.6. Логические операции ............................................................................................................. 48 2.7. Упражнения на рассмотренный материал ............................................................................ 49 Упражнение № 1 .............................................................................................................. 49 Упражнение № 2 .............................................................................................................. 50 Упражнение № 3 .............................................................................................................. 50 2.8. Создание собственных пользовательских операций ........................................................... 50 2.9. Работа с символьными константами и переменными String и Character .......................... 52 2.10. Опциональные (Optional) типы данных и nil ..................................................................... 55 . Функции языка Swift 5.1 и их возможности ............................................. 59 3.1. Функции, не имеющие параметров и возвращаемого значения ......................................... 60 3.2. Функции без параметров и с одним возвращаемым значением ......................................... 61 3.3. Функции c несколькими входными параметрами и одним возвращаемым значением ...... 62 3.4. Локальные параметры функции ............................................................................................ 63 3.5. Метки и имена параметров функции .................................................................................... 64 3.6. Функции c несколькими входными параметрами и несколькими возвращаемыми значениями .............................................................................................................................. 66 3.7. Функции с переменным числом параметров (Variadic function) ........................................ 67 3.8. Параметры типа in-out (входные-выходные) ....................................................................... 67 3.9. Упражнения на рассмотренный материал ............................................................................ 68 Упражнение № 1 .............................................................................................................. 68 Упражнение № 2 .............................................................................................................. 68 Упражнение № 3 .............................................................................................................. 69 Упражнение № 4 .............................................................................................................. 69 3.10. Способы работы с параметрами in-out, не приводящие к побочным эффектам ............. 69 3.11. Перегрузка функций ............................................................................................................. 71 3.12. Вложенные функции ............................................................................................................ 72 3.13. Функции, возвращающие другие функции ........................................................................ 73 3.14. Замыкания (Closures) ............................................................................................................ 75 3.15. Замыкающие выражения (Closure expressions) .................................................................. 78 3.16. Захват значений замыкания из контекста и запрет их изменений ................................... 80 3.17. Использование переменной в качестве функции ............................................................... 81 3.18. Каррирование функций (Currying functions) ...................................................................... 81 3.19. Универсальные функции (Generic functions)...................................................................... 83 . Управление потоком (Control Flow). Перечисления............................... 87 4.1. Условный оператор if ............................................................................................................. 87 4.2. Конструкция условного оператора if...else ........................................................................... 89 4.3. Упражнения на рассмотренный материал ............................................................................ 91 Упражнение № 1 .............................................................................................................. 91 Упражнение № 2 .............................................................................................................. 91 Упражнение № 3 .............................................................................................................. 91 Упражнение № 4 .............................................................................................................. 91 Упражнение № 5 .............................................................................................................. 91 4.4. Условный оператор switch ..................................................................................................... 91 4.5. Упражнение на рассмотренный материал ............................................................................ 94 4.6. Циклы ...................................................................................................................................... 94 4.6.1. Циклы for _ in ......................................................................................................... 95 4.6.2. Циклы forEach........................................................................................................ 98 4.6.3. Циклы while .......................................................................................................... 100 4.6.4. Циклы repeat...while ............................................................................................. 101 4.7. Кортежи (Tuples)................................................................................................................... 102 4.8. Перечисления (Enumeration) ................................................................................................ 104 4.9. Диапазоны (Range) ............................................................................................................... 108 . Коллекции ..................................................................................................... 111 5.1. Одномерные массивы ........................................................................................................... 111 5.2. Сортировка одномерных массивов ..................................................................................... 114 5.3. Двумерные массивы ............................................................................................................. 115 5.4. Словари (Dictionaries)........................................................................................................... 120 5.5. Множества (Sets) .................................................................................................................. 124 . Классы и структуры ................................................................................... 131 6.1. Синтаксис и семантика классов и структур ....................................................................... 133 6.2. Сохраняемые и ленивые сохраняемые свойства................................................................ 135 6.3. Вычисляемые свойства ........................................................................................................ 136 6.4. Наблюдатели свойств ........................................................................................................... 138 6.5. Инициализаторы ................................................................................................................... 140 6.6. Методы класса ...................................................................................................................... 143 6.7. Сабскрипты (Subscripts) ....................................................................................................... 147 6.8. Наследование (Inheritance) ................................................................................................... 151 6.9. Создание класса для решения матричной задачи .............................................................. 160 6.10. Структуры (Structs) ............................................................................................................. 164 6.11. Мутирующие методы структур ......................................................................................... 168 6.12. Расширения (Extensions) .................................................................................................... 170 6.13. Контроль доступа ............................................................................................................... 172 6.14. Типы значений и ссылочные типы .................................................................................... 173 6.15. Автоматический подсчет ссылок (ARC) .......................................................................... 177 6.16. Сильные, слабые и не учитываемые (Unowned) ссылки ................................................. 178 6.17. Метод Copy-On-Write (COW) ............................................................................................ 181 . Функциональное программирование на Swift 5.1................................. 185 7.1. Простые математические функции ..................................................................................... 191 7.2. Функции высшего порядка ..................................................................................................194 7.3. Рекурсии ................................................................................................................................ 195 7.4. Упражнения на рассмотренный материал .......................................................................... 203 Упражнение № 1 ............................................................................................................ 203 Упражнение № 2 ............................................................................................................ 203 7.5. Функциональные программы, использующие вместо циклов рекурсии ......................... 204 Пример 7.5.1. Поиск простых чисел ............................................................................ 204 Пример 7.5.2. Разложение положительного целого числа на простые множители .................................................................................................. 205 Пример 7.5.3. Построение таблиц ................................................................................ 205 Пример 7.5.4. Преобразование типа массива .............................................................. 206 7.6. Библиотечные функции для работы с одномерными массивами ..................................... 207 7.6.1. Метод map() ......................................................................................................... 208 7.6.2. Метод reduce() ..................................................................................................... 208 7.6.3. Метод filter()......................................................................................................... 209 7.6.4. Метод reversed() ................................................................................................... 210 7.6.5. Метод enumerated().............................................................................................. 210 7.6.6. Метод zip() ............................................................................................................ 210 7.6.7. Метод contains() ................................................................................................... 211 7.7. Упражнения на рассмотренный материал .......................................................................... 211 Упражнение № 1 ............................................................................................................ 211 Упражнение № 2 ............................................................................................................ 211 Упражнение № 3 ............................................................................................................ 211 7.8. Функциональные программы для вычисления векторных операций .............................. 211 7.8.1. Векторные операции ........................................................................................... 212 7.8.2. Примеры функциональных программ для работы с векторами ...................... 212 Сумма векторов ............................................................................................... 212 Умножение вектора на скаляр ........................................................................ 213 Скалярное произведение векторов ................................................................ 214 Длина вектора .................................................................................................. 214 7.9. Упражнения на рассмотренный материал .......................................................................... 214 Упражнение № 1 ............................................................................................................ 214 Упражнение № 2 ............................................................................................................ 214 Упражнение № 3 ............................................................................................................ 215 Упражнение № 4 ............................................................................................................ 215 7.10. Использование методов функционального программирования при решении задач с массивами ........................................................................................ 215 7.11. Упражнения на рассмотренный материал ........................................................................ 218 Упражнение № 1 ............................................................................................................ 218 Упражнение № 2 ............................................................................................................ 218 Упражнение № 3 ............................................................................................................ 218 7.12. Использование функционального программирования для работы со сложными типами данных ............................................................................................ 219 . Протокольно-ориентированное программирование на Swift 5.1 ....... 221 8.1. Протоколы стандартной библиотеки Swift ........................................................................ 222 8.2. Требования, которые можно задавать в протоколе ........................................................... 225 8.3. Объявление свойств в протоколе ........................................................................................ 226 8.4. Объявление методов в протоколе ....................................................................................... 230 8.5. Наследование протоколов.................................................................................................... 231 8.6. Композиция протоколов ...................................................................................................... 232 8.7. Делегирование (Delegation) ................................................................................................. 233 8.8. Протокол как тип .................................................................................................................. 235 8.9. Расширение протокола ......................................................................................................... 236 8.10. Полиморфизм, основанный на протоколе ........................................................................ 237 8.11. Использование в протоколах ассоциированных типов ................................................... 239 8.12. Разработка приложения с использованием протоколов .................................................. 241 ЧАСТЬ II. ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ ПРИЛОЖЕНИЙ В СРЕДЕ XСODE 11.1 И XCODE 11.2 ..................................................................... 251 . Создание проектов в редакторе Interface Builder на основе интерфейса Storyboard ............................................................................. 253 9.1. Краткая историческая справка ............................................................................................253 9.2. Интерфейс Xcode 11.2 .......................................................................................................... 254 9.3. Навигатор проекта Xcode 11.2.............................................................................................258 9.4. Создание проекта для iOS с использованием Interface Builder......................................... 260 9.5. Создание проекта без написания кода для iOS .................................................................. 265 9.6. Создание проекта обработки матрицы для iOS ................................................................. 269 9.7. Создание игры для iOS: бросание игральной кости .......................................................... 272 9.8. Создание проекта обработки матрицы для macOS ............................................................ 274 9.9. Создание проекта определения цифр числа для macOS ................................................... 275 9.10. Создание проекта приведения матрицы к верхней треугольной для macOS ................ 277 9.11. Создание проекта без написания кода для macOS .......................................................... 281 . Технология SwiftUI.................................................................................... 283 10.1. Обновление системы macOS и Xcode ............................................................................... 284 10.2. Ключевые понятия SwiftUI ................................................................................................287 10.3. Начало работы с использованием интерфейса SwiftUI ................................................... 289 10.4. Создание представлений строк (Row View). Добавление в проект новых файлов ....... 305 10.5. Создание интерактивных приложений SwiftUI ............................................................... 310 10.6. Использование формы, содержащей представления, кнопку и слайдер ....................... 317 10.7. Ввод данных с холста или из симулятора ........................................................................ 318 10.8. Настройка изображений для проекта SwiftUI .................................................................. 321 10.9. Переключение между изображениями с помощью элемента Toggle ............................. 324 10.10. Использование вертикальных стеков при создании проектов для iOS, содержащих изображения и текст ................................................................................... 326 10.11. Использование в SwiftUI стеков VStack, HStack и ZStack ............................................. 329 10.12. Проект с использованием географической карты (MapView), изображения и текста .............................................................................................................................. 332 10.13. Использование структуры ForEach для создания представлений ............................... 337 10.14. Cкроллинг представлений ...............................................................................................340 10.15. Добавление и удаление представлений с помощью модификатора transition(). Библиотека модификаторов ............................................................................................. 342 10.16. Интерактивный переход между представлениями ........................................................ 345 10.17. Создание пользовательских модальных представлений ............................................... 347 10.18. Графические средства SwiftUI......................................................................................... 349 10.19. Создание проекта SwiftUI для реализации анимации ................................................... 352 10.20. Использование на SwiftUI декларативных функций ..................................................... 355 Приложение. Решения упражнений и ответы ....................................................... 363 Упражнения 2.5............................................................................................................................ 363 № 1 .................................................................................................................................. 363 № 2 .................................................................................................................................. 363 № 3 .................................................................................................................................. 363 Упражнения 2.7............................................................................................................................ 364 № 1 .................................................................................................................................. 364 № 2 .................................................................................................................................. 364 № 3 .................................................................................................................................. 364 Упражнения 3.9............................................................................................................................ 364 № 1 .................................................................................................................................. 364 № 2 .................................................................................................................................. 365 № 3 .................................................................................................................................. 365 № 4 .................................................................................................................................. 366 Упражнения 4.3............................................................................................................................ 366 № 1 .................................................................................................................................. 366 № 2 .................................................................................................................................. 367 № 3 .................................................................................................................................. 367 № 4 .................................................................................................................................. 368 № 5 .................................................................................................................................. 368 Упражнение 4.5............................................................................................................................ 369 Упражнения 7.4............................................................................................................................ 370 № 1 .................................................................................................................................. 370 № 2 .................................................................................................................................. 371 Упражнения 7.7............................................................................................................................ 372 № 1 .................................................................................................................................. 372 № 2 .................................................................................................................................. 372 № 3 .................................................................................................................................. 372 Упражнения 7.9............................................................................................................................ 373 № 1 .................................................................................................................................. 373 № 2 .................................................................................................................................. 373 № 3 .................................................................................................................................. 374 № 4 .................................................................................................................................. 374 Упражнения 7.11.......................................................................................................................... 375 № 1 .................................................................................................................................. 375 № 2 .................................................................................................................................. 375 № 3 .................................................................................................................................. 375 Предметный указатель ............................................................................................... 377 <0> <0> <0> <0> <0> <0> <0> <0> <0> <0> <0> <0> <0> <0> <0> ВВЕДЕНИЕ Одна из причин, по которой я поклонник создания вещей простыми, компонуемыми и расширяемыми способами, заключается в том, что это позволяет использовать их по-новому. Крис Латтнер (запись в твиттере) Язык Swift — это один из самых современных языков программирования. Официально он был представлен в июне 2014 года как быстрый и эффективный язык создания программ для Apple. Его автором является Крис Латтнер (Chris Lattner), который хотя и работал тогда в компании Apple, но создавал язык самостоятельно в свободное от работы время. Это обстоятельство показывает, что вопреки распространенному мнению, будто современные серьезные разработки по силам только большой команде профессионалов, тем не менее существуют талантливые люди, способные справляться с подобными вызовами безо всяких советов и поддержки. Опираясь на уже существующие языки, К. Латтнер реализовал много новых идей, позволивших Swift за очень короткое время встать в один ряд с такими языками, как С++, Objective-C, С#, Python, и даже превзойти их. Уже считается, что язык Swift изменит программирование, поскольку предлагает простые средства для реализации больших возможностей. К. Латтнер впервые уделил серьезное внимание интерактивным системам, понимая их важность при создании и отладке программ. На своей домашней странице в твиттере он писал: «Возможность Xcode Playgrounds и REPL были моей личной страстью, чтобы сделать программирование более интерактивным и доступным. Команды Xcode и LLDB проделали феноменальную работу, превратив сумасшедшие идеи во что-то действительно великое». Хотя Крис Латтнер больше не работает в компании Apple, он продолжает курировать модернизацию языка Swift. Swift стал первым в мире языком программирования, созданным на основе протоколов. Помимо этого, Swift характеризуется открытым исходным кодом (open source), в котором сочетаются средства объектно-ориентированного программирования (ООП) и протокольно-ориентированного программирования (ПOП) с мощными возможностями парадигм функционального программирования (ФП). Swift не создавался как полностью функциональный язык, подобный, например, Haskell или Clojure, но он имеет инструменты, позволяющие создавать программы, используя декларативный подход функционального программирования. Мало известно языков программирования (если они есть вообще), в которых забота о безопасности работы программы в многопоточной системе начинается сразу же после введения первых операторов программы. Если оператором var декларируется какая-либо пе- Введение ременная и дальше в программе этой переменной не присваивается значений, то компилятор выдает сообщение, указывающее, что эту переменную надо сделать константой, т. е. объявить ее оператором let. Такая замена повысит безопасность работы, поскольку константы не позволяют в многопоточной системе получать побочные эффекты. Swift используется для создания приложений под macOS, iOS, tvOS и watchOS, его также можно применять и для разработки веб-приложений в Ubuntu Linux. Не следует думать, что Swift предназначен только для реализации игровых приложений, — его возможности намного шире: он используется при создании больших инженерных проектов в области систем искусственного интеллекта, в сфере управления летательными аппаратами, при организации сложных финансовых потоков и т. п. Книг по программированию на Swift написано уже немало — достаточно упомянуть 500-страничную бесплатную документацию по этому языку, представленную компанией Apple (по адресу: имеется ее перевод на русский язык), а также третье издание книги «Learning Swift» Джона Меннинга (Jon Manning), Парижа Баттфилд-Аддисона (Paris Buttfield-Addison) и Тима Ньюджента (Tim Nugent), выпущенное издательством O’Relly Media в 2018 году. Кроме этого, в Интернете можно найти лекции курсов Пола Хэгерти (Paul Hegarty), прочитанные им в Стэнфордском университете (имеется и их неавторизованный перевод на русский язык). По протокольно-ориентированному программированию тоже появилось немало работ, среди которых следует отметить очень качественные книги Джона Хоффмана (John Hoffman). Swift является частью Xcode — интегрированной cреды разработки (IDE) программного обеспечения для платформ macOS, iOS, watchOS и tvOS. Apple постоянно совершенствует операционную систему macOS и среду Xcode. Так, в конце 2019 года выпущены новая версия macOS Catalina, крупный релиз языка Swift (версия 5.1) и версия Xcode 11.1. Над этой версией работы велись более четырех лет. Ее существенным достижением является инновационный фреймворк SwiftUI, позволяющий унифицировать разработку приложений на iOS, macOS, watchOS и tvOS. Важным преимуществом этого нового подхода стал декларативный синтаксис, который используется при создании приложений. Один из разработчиков Xcode — Мэтт Рикетсон (Matt Ricketson), выступая на конференции WWDC 19 (Worldwide Developer Conference), предложил для понимания декларативного подхода аналогию создания приложения с приготовлением тоста из авокадо. Используя подобную ей аналогию, можно обратиться к такому примеру. Пусть некий гражданин собирается построить дом. Он хорошо разбирается в строительстве и хочет нанять бригаду рабочих. Каждому рабочему он собирается объяснить, что тот должен делать. Одному он детально расскажет, как ему вырыть котлован под фундамент. Другому предоставит подробные инструкции по заливке бетона. Третьему даст указания, как готовить бревна для стен, и т. д. В результате дом будет построен. Это императивный подход к решению задачи.