翻譯：xielingwang 校對：numbbbbb

進階運算子

本頁內容包括：

• 位元運算子
• 溢位運算子
• 優先級和結合性(Precedence and Associativity)
• 運算子函式(Operator Functions)
• 自定義運算子

除了基本運算子中所講的運算子，Swift 還有許多複雜的進階運算子，包括了 C 和 Objective-C 中的位元運算子和移位運算子。

不同於 C 中的數值計算，Swift 的數值計算預設是不可溢位的。溢位行為會被捕獲並報告為錯誤。你可以使用 Swift 準備的另一套預設允許溢位的數值運算子，如溢位加法運算子&+。所有允許溢位的運算子都是以&開始的。

自定義的結構、類別和列舉，是否可以使用標準的運算子來定義操作？當然可以！在 Swift 中，你可以為你創建的所有型別製定運算子操作。

可製定的運算子並不限於那些預設的運算子，自定義客製化的中綴、前綴、後綴及賦值運算子，當然還有優先級和結合性。這些運算子的實作可以運用預設的運算子，也可以運用之前製定的運算子。

位元運算子（Bitwise Operators）

位元運算子通常在諸如圖像處理和創建設備驅動等底層開發中使用，使用它可以單獨運算元據結構中原始資料的位元。在使用一個自定義的協定進行通信的時候，運用位元運算子來對原始資料進行編碼和解碼也是非常有效的。

Swift 支援如下所有 C 的位元運算子：

位元補數運算子（Bitwise NOT Operator）

位元補數運算子~對一個運算元的每一位都取補數。

這個運算子是前綴的，運算元之前不加任何空格。

let initialBits: UInt8 = 0b00001111
let invertedBits = ~initialBits  // 等於 0b11110000

UInt8是 8 位元無號整數，可以儲存 0 到 255 之間的任意數。這個範例初始化一個UInt8為二進制值00001111(前 4 位為0，後 4 位為1)，它的十進制值為15。

使用位元補數運算~對initialBits操作，然後賦值給invertedBits這個新常數。這個新常數的值等於所有位都取補數的initialBits，即1變成0，0變成1，變成了11110000，十進制值為240。

位元 AND 運算子（Bitwise AND Operator）

位元 AND 運算子對兩個數進行操作，然後回傳一個新的數，這個數的每個位元都需要兩個輸入數的同一位元都為 1 時才為 1。

以下程式碼，firstSixBits和lastSixBits中間 4 個位元都為1。對它倆進行位元 AND 運算後，就得到了00111100，即十進制的60。

let firstSixBits: UInt8 = 0b11111100
let lastSixBits: UInt8  = 0b00111111
let middleFourBits = firstSixBits & lastSixBits  // 等於 00111100

位元 OR 運算（Bitwise OR Operator）

位元 OR 運算子|比較兩個數，然後回傳一個新的數，這個數的每一位元設置1的條件是兩個輸入數的同一位元都不為0（即任意一個為1，或都為1）。

如下程式碼，someBits和moreBits在不同位上有1。位元 OR 執行的結果是11111110，即十進制的254。

let someBits: UInt8 = 0b10110010
let moreBits: UInt8 = 0b01011110
let combinedbits = someBits | moreBits  // 等於 11111110

位元 XOR 運算子（Bitwise XOR Operator）

位元 XOR 運算子^比較兩個數，然後回傳一個數，這個數的每個位元設為1的條件是兩個輸入數的同一位元不同，如果相同就設為0。

以下程式碼，firstBits和otherBits都有一個1跟另一個數不同的。所以位元 XOR 的結果是把它這些位置為1，其他都置為0。

let firstBits: UInt8 = 0b00010100
let otherBits: UInt8 = 0b00000101
let outputBits = firstBits ^ otherBits  // 等於 00010001

移位運算子（Shift Operator）

左移運算子<<和右移運算子>>會把一個數的所有位元按以下定義的規則向左或向右移動指定位數。

按位左移和按位右移的效果相當把一個整數乘於或除於一個因數為2的整數。向左移動一個整數的位元相當於把這個數乘於2，向右移一位就是除於2。

無號整數的移位運算

對無號整數的移位的效果如下：

已經存在的位元向左或向右移動指定的位數。被移出整數儲存邊界的的位數直接拋棄，移動留下的空白位用0來填充。這種方法稱為邏輯移位（logical shift）。

以下這張圖把展示了11111111 << 1（11111111向左移 1 位），和 11111111 >> 1（11111111向右移 1 位）。藍色的是被移位的，灰色是被拋棄的，橙色的0是被填充進來的。

let shiftBits: UInt8 = 4   // 即二進制的 00000100
shiftBits << 1             // 00001000
shiftBits << 2             // 00010000
shiftBits << 5             // 10000000
shiftBits << 6             // 00000000
shiftBits >> 2             // 00000001

你可以使用移位運算進行其他資料型別的編碼和解碼。

let pink: UInt32 = 0xCC6699
let redComponent = (pink & 0xFF0000) >> 16    // redComponent 是 0xCC, 即 204
let greenComponent = (pink & 0x00FF00) >> 8   // greenComponent 是 0x66, 即 102
let blueComponent = pink & 0x0000FF           // blueComponent 是 0x99, 即 153

這個範例使用了一個UInt32型別，名為pink的常數來儲存 CSS 中粉紅色的色碼，色碼#CC6699在 Swift 用十六進制0xCC6699來表示。然後使用位元 AND 運算（&）和位元右移運算就可以從這個色碼中解析出紅（CC）、綠（66）、藍（99）三個部分。

對0xCC6699和0xFF0000進行位元 AND 運算就可以得到紅色部分。0xFF0000中的0了遮罩（mask）了OxCC6699的第二和第三個位元組，這樣6699被忽略了，只留下0xCC0000。

然後，按向右移動 16 位，即 >> 16。十六進制中每兩個字元是 8 位元，所以移動 16 位的結果是把0xCC0000變成0x0000CC。這和0xCC是相等的，都是十進制的204。

同樣的，綠色部分來自於0xCC6699和0x00FF00的按位操作得到0x006600。然後向右移動8們，得到0x66，即十進制的102。

最後，藍色部分對0xCC6699和0x0000FF進行位元 AND 運算，得到0x000099，無需向右移位了，所以結果就是0x99，即十進制的153。

有號整數的移位運算

有號整數的移位運算相對複雜得多，因為正負號也是用二進制位表示的。(這裡舉的範例雖然都是 8 位的，但它的原理是通用的。)

有號整數通過第 1 個位元（稱為符號位，sign bit）來表達這個整數是正數還是負數。0代表正數，1代表負數。

其餘的位元（稱為數值位，value bits）儲存其實值。有號正整數和無號正整數在電腦裡的儲存結果是一樣的，下來我們來看+4內部的二進制結構。

符號位為0，代表正數，另外 7 個位元的二進制表示的實際值就剛好是4。

負數跟正數不同。負數儲存的是 2 的 n 次方減去它的絕對值，n 為數值位的位數。一個 8 位元的數有 7 個數值位，所以是 2 的 7 次方，即128。

我們來看-4儲存的二進制結構。

現在符號位為1，代表負數，7 個數值位要表達的二進制值是 124，即 128 - 4。

負數的編碼方式稱為二進制補數表示。這種表示方式看起來很奇怪，但它有幾個優點。

首先，只需要對全部 8 個位元（包括符號）做標準的二進制加法就可以完成 -1 + -4 的運算，忽略加法過程產生的超過 8 個位元表達的任何資訊。

第二，由於使用二進制補數表示，我們可以和正數一樣對負數進行按位左移右移的，同樣也是左移 1 位時乘於2，右移 1 位時除於2。要達到此目的，對有號整數的右移有一個特別的要求：

對有號整數按位右移時，使用符號位（正數為0，負數為1）填充空白位。

這就確保了在右移的過程中，有號整數的符號不會發生變化。這稱為算術移位（arithmetic shift）。

正因為正數和負數特殊的儲存方式，向右移位使它接近於0。移位過程中保持符號會不變，負數在接近0的過程中一直是負數。

溢位運算子（Overflow Operators）

預設情況下，一個整數常數或變數被賦予一個它不能容納的大數時，Swift 會回報錯誤。這在操作過大或過小的數的時候很安全。

例如，Int16整數能容納的整數範圍是-32768到32767，如果給它賦上超過這個範圍的數，就會的到錯誤訊息：

var potentialOverflow = Int16.max
// potentialOverflow 等於 32767, 這是 Int16 能容納的最大整數
potentialOverflow += 1
// 噢，出錯了

對過大或過小的數值進行錯誤處理讓你的數值邊界條件更靈活。

當然，你有意在溢位時對有效位進行截斷時，可以使用溢位運算，而非錯誤處理。Swfit 為整數計算提供了 5 個&符號開頭的溢位運算子。

• 溢位加法 &+
• 溢位減法 &-
• 溢位乘法 &*
• 溢位除法 &/
• 溢位取餘 &%

值的上溢位

下面範例使用了溢位加法&+來解釋無號整數的上溢位

var willOverflow = UInt8.max
// willOverflow 等於 UInt8 的最大整數 255
willOverflow = willOverflow &+ 1
// 此時 willOverflow 等於 0

開始時willOverflow等於Int8所能容納的最大值255(二進制11111111)，然後用&+加 1。這使得UInt8型別無法表達這個新值的二進制，也就導致了這個新值的上溢位，可以參考下圖。溢位後，新值在UInt8的容納範圍內的部分是00000000，也就是0。

值的下溢位

數值也有可能因為太小而溢位。舉個範例：

UInt8的最小值是0(二進制為00000000)。使用&-進行溢位減 1，就會得到二進制的11111111即十進制的255。

Swift 程式碼是這樣的:

var willUnderflow = UInt8.min
// willUnderflow 等於 UInt8 的最小值 0
willUnderflow = willUnderflow &- 1
// 此時 willUnderflow 等於 255

有號整數也有類似的下溢位，有號整數所有的減法也都是對包括在符號位在內的二進制數進行二進制減法的，這在「移位運算子」一節提到過。最小的有號整數是-128，即二進制的10000000。用溢位減法減去 1 後，變成了01111111，即UInt8所能容納的最大整數127。

來看看 Swift 程式碼：

var signedUnderflow = Int8.min
// signedUnderflow 等於最小的有號整數 -128
signedUnderflow = signedUnderflow &- 1
// 此時 signedUnderflow 等於 127

除以零溢位

對一個數除以 0（i / 0），或者對 0 取餘數（i % 0），會產生一個錯誤。

let x = 1
let y = x / 0

使用它們對應的可溢位的版本運算子&/和&%進行除以 0 運算時就會得到0值。

let x = 1
let y = x &/ 0
// y 等於 0

優先級和結合性（Precedence and Associativity）

運算子的優先級使得一些運算子優先於其他運算子，高優先級的運算子會先被計算。

結合性定義相同優先級的運算子在一起時是怎麼組合或關聯的，是和左邊一組還是和右邊一組，意思是「到底是和左邊的表達式結合呢，還是和右邊的表達式結合」。

在混合表達式中，運算子的優先級和結合性是非常重要的。舉個範例，為什麼下列表達式的結果為4？

2 + 3 * 4 % 5
// 結果是 4

如果嚴格地從左計算到右，計算過程會是這樣：

• 2 plus 3 equals 5;
• 2 + 3 = 5
• 5 times 4 equals 20;
• 5 * 4 = 20
• 20 remainder 5 equals 0
• 20 / 5 = 4 余 0

但是正確答案是4而不是0。優先級高的運算子要先計算，在 Swift 和 C 中，都是先乘除後加減的。所以，執行完乘法和取餘運算才能執行加減運算。

乘法和取餘擁有相同的優先級，在運算過程中，我們還需要結合性，乘法和取餘運算都是左結合的。這相當於在表達式中有隱藏的括號讓運算從左開始。

2 + ((3 * 4) % 5)

(3 * 4) = 12，所以這相當於：

2 + (12 % 5)

(12 % 5) = 2，所這又相當於

2 + 2

計算結果為 4。

查閱 Swift 運算子的優先級和結合性的完整列表，請看表達式。

注意：
Swift 的運算子比 C 和 Objective-C 來得更簡單和保守，這意味著 Swift 跟以 C 為基礎的語言可能不一樣。所以，在移植已有程式碼到 Swift 時，注意去確保程式碼按你想的那樣去執行。

運算子函式（Operator Functions）

讓已有的運算子也可以對自定義的類別和結構進行運算，這稱為運算子重載。

這個範例展示了如何用+讓一個自定義的結構做加法。算術運算子+是一個二元運算子，因為它有兩個運算元，而且它必須出現在兩個運算元之間。

範例中定義了一個名為Vector2D的二維坐標向量 (x, y) 的結構，然後定義了讓兩個Vector2D的物件相加的運算子函式。

struct Vector2D {
    var x = 0.0, y = 0.0
}
@infix func + (left: Vector2D, right: Vector2D) -> Vector2D {
    return Vector2D(x: left.x + right.x, y: left.y + right.y)
}

該運算子函式定義了一個全域的+函式，這個函式需要兩個Vector2D型別的參數，回傳值也是Vector2D。需要定義和實作一個中綴運算的時候，在關鍵字func之前寫上屬性@infix即可。

在這個程式碼實作中，參數被命名為了left和right，代表+左邊和右邊的兩個Vector2D物件。函式回傳了一個新的Vector2D的物件，這個物件的x和y分別等於兩個參數物件的x和y的和。

這個函式是全域的，而不是Vector2D結構的成員方法，所以任意兩個Vector2D物件都可以使用這個中綴運算子。

let vector = Vector2D(x: 3.0, y: 1.0)
let anotherVector = Vector2D(x: 2.0, y: 4.0)
let combinedVector = vector + anotherVector
// combinedVector 是一個新的 `Vector2D`，值為 (5.0, 5.0)

這個範例實作兩個向量(3.0，1.0)和(2.0，4.0)相加，得到向量(5.0，5.0)的過程。如下圖示：

前綴和後綴運算子

一元 上個範例演示了一個二元中綴運算子的自定義實作，同樣我們也可以實作標準一元運算子。一元運算子只有一個運算元，在運算元之前就是前綴的，如-a; 在運算元之後就是後綴的，如i++。

實作一個前綴或後綴運算子時，在定義該運算子的時候於關鍵字func之前標注@prefix或@postfix屬性。

@prefix func - (vector: Vector2D) -> Vector2D {
    return Vector2D(x: -vector.x, y: -vector.y)
}

這段程式碼為Vector2D型別提供了一元減法運算-a，@prefix屬性表明這是個前綴運算子。

對於數值，一元減法運算子可以把正數變負數，把負數變正數。對於Vector2D，一元減運算將其x和y都進進行一元減法運算。

let positive = Vector2D(x: 3.0, y: 4.0)
let negative = -positive
// negative 為 (-3.0, -4.0)
let alsoPositive = -negative
// alsoPositive 為 (3.0, 4.0)

組合賦值運算子

組合賦值是其他運算子和賦值運算子一起執行的運算。例如+=把加運算和賦值運算組合成一個運算。實作一個組合賦值符號需要使用@assignment屬性，還需要把運算子的左參數設置成inout，因為這個參數會在運算子函式內直接修改它的值。

@assignment func += (inout left: Vector2D, right: Vector2D) {
    left = left + right
}

因為加法運算在之前定義過了，這裡無需重新定義。所以，加賦運算子函式使用已經存在的加法運算子函式來執行左值加右值的運算。

var original = Vector2D(x: 1.0, y: 2.0)
let vectorToAdd = Vector2D(x: 3.0, y: 4.0)
original += vectorToAdd
// original 現在為 (4.0, 6.0)

你可以將 @assignment 屬性和 @prefix 或 @postfix 屬性起來組合，實作一個Vector2D的前綴運算子。

@prefix @assignment func ++ (inout vector: Vector2D) -> Vector2D {
    vector += Vector2D(x: 1.0, y: 1.0)
    return vector
}

這個前綴使用了已經定義好的加法賦值運算，將自己加上一個值為(1.0，1.0) 的物件然後賦給自己，然後再將自己回傳。

var toIncrement = Vector2D(x: 3.0, y: 4.0)
let afterIncrement = ++toIncrement
// toIncrement 現在是 (4.0, 5.0)
// afterIncrement 現在也是 (4.0, 5.0)

注意：
預設的賦值運算子是不可重載的。只有組合賦值運算子可以重載。三元條件運算子a？b：c也是不可重載。

相等運算子（Equivalence Operators）

自定義的類別或結構沒有預設的「相等（==）」或「不相等（!=）」這樣的相等運算子，所以自定義的類別和結構要使用相等運算==或!=就需要重載。

定義相等運算子函式跟定義其他中綴運算子雷同：

@infix func == (left: Vector2D, right: Vector2D) -> Bool {
    return (left.x == right.x) && (left.y == right.y)
}

@infix func != (left: Vector2D, right: Vector2D) -> Bool {
    return !(left == right)
}

上述程式碼實作了相等運算子==來判斷兩個Vector2D物件是否有相等的值，相等的概念就是它們有相同的x值和相同的y值，我們就用這個邏輯來實作。接著使用==的結果實作了不相等運算子!=。

現在我們可以使用這兩個運算子來判斷兩個Vector2D物件是否相等。

let twoThree = Vector2D(x: 2.0, y: 3.0)
let anotherTwoThree = Vector2D(x: 2.0, y: 3.0)
if twoThree == anotherTwoThree {
    println("These two vectors are equivalent.")
}
// prints "These two vectors are equivalent."

自定義運算子

你可以宣告一些自定義的運算子，但自定義的運算子只能使用這些字元：/ = - + * % < >！& | ^。~。

新的運算子宣告需在全域使用operator關鍵字宣告，可以宣告為前綴，中綴或後綴的。

operator prefix +++ {}

這段程式碼定義了一個新的前綴運算子叫+++，在這之前 Swift 並不存在這個運算子。為了示範，我們讓+++對Vector2D物件的運算定義為「加倍」（doubling incrementer）這樣一個獨有的操作，這個操作使用了之前定義的加法賦值運算來實作自已加上自己然後回傳的運算。

@prefix @assignment func +++ (inout vector: Vector2D) -> Vector2D {
    vector += vector
    return vector
}

Vector2D的+++的實作和++的實作很接近，唯一不同的前者是加自己，後者是加值為(1.0, 1.0)的向量。

var toBeDoubled = Vector2D(x: 1.0, y: 4.0)
let afterDoubling = +++toBeDoubled
// toBeDoubled 現在是 (2.0, 8.0)
// afterDoubling 現在也是 (2.0, 8.0)

自定義中綴運算子的優先級和結合性

可以為自定義的中綴運算子指定優先級和結合性。可以回頭看看優先級和結合性解釋這兩個因素是如何影響多種中綴運算子混合的表達式的計算結果。

結合性（associativity）的定義可以是left、right或none。左結合運算子跟其他優先級相同的左結合運算子寫在一起時，會跟左邊的運算元結合。同理，右結合運算子會跟右邊的運算元結合。而非結合運算子不能跟其他相同優先級的運算子寫在一起。

結合性預設為none，優先級（precedence）預設為100。

以下範例定義了一個新的中綴運算子+-，結合性為左結合，優先級為140。

operator infix +- { associativity left precedence 140 }
func +- (left: Vector2D, right: Vector2D) -> Vector2D {
    return Vector2D(x: left.x + right.x, y: left.y - right.y)
}
let firstVector = Vector2D(x: 1.0, y: 2.0)
let secondVector = Vector2D(x: 3.0, y: 4.0)
let plusMinusVector = firstVector +- secondVector
// plusMinusVector 此時的值為 (4.0, -2.0)

這個運算子把兩個向量的x相加，把向量的y相減。因為他實際上是屬於加減運算，所以讓它保持了和加法一樣的結合性和優先級(left和140)。查閱完整的 Swift 預設結合性和優先級的設定，請參考表達式。