由于使用 Cocoa 框架能夠快速地創(chuàng)建一個(gè)可用的應(yīng)用，這讓許多開發(fā)者都喜歡上了 OS X 或 iOS 開發(fā)。如今即使是小團(tuán)隊(duì)也能設(shè)計(jì)和開發(fā)復(fù)雜的應(yīng)用，這很大程度上要?dú)w功于這些平臺所提供的工具和框架。Swift 的 Playground 不僅繼承了快速開發(fā)的傳統(tǒng)，并且有改變我們設(shè)計(jì)和編寫 OS X 和 iOS 應(yīng)用方式的潛力。

向那些還不熟悉這個(gè)概念的讀者解釋一下，Swift 的 playground 就像是一個(gè)可交互的文檔，在其中你可以輸入 Swift 代碼讓它們立即編譯執(zhí)行。操作結(jié)果隨著執(zhí)行的時(shí)間線一步步被展示，開發(fā)者能在任何時(shí)候輸出和監(jiān)視變量。Playground 既可以在現(xiàn)有的 Xcode 工程中進(jìn)行創(chuàng)建，也能作為單獨(dú)的包存在。

Swift 的 playground 主要還是作為學(xué)習(xí)這門語言的工具而被重視，然而我們只要關(guān)注一下類似項(xiàng)目，如 IPython notebooks，就能看到交互編程環(huán)境在更廣闊的范圍內(nèi)的潛在應(yīng)用。從科學(xué)研究到機(jī)器視覺實(shí)驗(yàn)，這些任務(wù)現(xiàn)在都使用了 IPython notebooks。這種方式也被用來探索其他語言的范例，如 Haskell 的函數(shù)式編程。

接下來我們將探索 Swift 的 playground 在文檔、測試和快速原型方面的用途。本文使用的所有 Swift playground 源碼可以在這里下載。

將 Playground 用于文檔和測試

Swift 是一個(gè)全新的語言，許多人都使用 playground 來了解其語法和約定。不光是語言，Swift 還提供了一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)庫。目前這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)庫的文檔中對于方法的說明不太詳細(xì)，所以雨后春筍般的涌現(xiàn)了許多像 practicalswift.org 標(biāo)準(zhǔn)庫方法列表這樣的資源。

編者注 在這里有一份自動(dòng)生成和整理的 Swift 標(biāo)準(zhǔn)庫文檔，可以作為參考。

不過通過文檔知道方法的作用是一回事，在代碼中實(shí)際調(diào)用又是另一回事。特別是許多方法在新語言 Swift 的 collection class 中能表現(xiàn)出有趣的特性，因此如果能在 collections 里實(shí)際檢驗(yàn)它們的作用將非常有幫助。

Playground 展示語法和實(shí)時(shí)執(zhí)行真實(shí)數(shù)據(jù)的特性，為編寫方法和庫接口提供了很好的機(jī)會。為了介紹 Collection 方法的使用，我們創(chuàng)建了一個(gè)叫 CollectionOperations.playground 的例子，其中包含了一系列 collection 方法的例子，所有的樣例數(shù)據(jù)都能實(shí)時(shí)修改。

例如，我們創(chuàng)建了如下的初始數(shù)組：

let testArray = [0, 1, 2, 3, 4]

然后想試試 filter() 方法：

let odds = testArray.filter{$0 % 2 == 1}

最后一行顯示這個(gè)操作所得到的結(jié)果的數(shù)組為： [1, 3]。通過實(shí)時(shí)編譯我們能了解語法、寫出例子以及獲得方法如何使用的說明，所有這些就如一個(gè)活的文檔展示在眼前。

這對于其他的蘋果框架和第三方庫都奏效。 例如，你可能想給其他人展示如何使用 Scene Kit，這是蘋果提供的一個(gè)非常棒的框架，它能在 Mac 和 iOS 上快速構(gòu)建3D場景?；蛟S你會寫一個(gè)示例應(yīng)用，不過這樣展示的時(shí)候就要構(gòu)建和編譯。

在例子 SceneKitMac.playground 中，我們已經(jīng)建立了一個(gè)功能完備帶動(dòng)畫的 3D 場景。你需要打開 Assistant Editor (在菜單上依次點(diǎn)擊 View | Assistant Editor | Show Assistant Editor)，3D 效果和動(dòng)畫將會被自動(dòng)渲染。這不需要編譯循環(huán)，而且任何的改動(dòng)，比如改變顏色、幾何形狀、亮度等，都能實(shí)時(shí)反映出來。使用它能在一個(gè)交互例子中很好的記錄和介紹如何使用框架。

除了展示方法和方法的操作，你還會注意到通過檢查輸出的結(jié)果，我們可以驗(yàn)證一個(gè)方法的執(zhí)行是否正確，甚至在加載到 playground 的時(shí)候就能判斷方法是否被正確解析。不難想象我們也可以在 playground 里添加斷言，以及創(chuàng)建真正的單元測試?；蛘吒M(jìn)一步，創(chuàng)建出符合條件的測試，從而在你打字時(shí)就實(shí)現(xiàn)測試驅(qū)動(dòng)開發(fā)。

事實(shí)上，在 2014 年 7 月號的 PragPub 雜志中，Ron Jeffries 在他的文章 “從測試驅(qū)動(dòng)開發(fā)角度來看Swift” 中提到過這一觀點(diǎn)：

Playground 很大程度上會對我們?nèi)绾螆?zhí)行測試驅(qū)動(dòng)開發(fā)產(chǎn)生影響。Playground 能夠快速展示我們所能做的東西，因此我們將比之前走得更快。但是同過去的測試驅(qū)動(dòng)開發(fā)框架結(jié)合在一起時(shí)，能否走的更好？我們是否能提煉出更好的代碼，以滿足更少的缺陷數(shù)量和重構(gòu)？

關(guān)于代碼質(zhì)量的問題還是留給別人回答吧，接下來我們一起來看看 playground 如何加快一個(gè)快速原型的開發(fā)。

創(chuàng)建 Accelerate 的原型 -- 經(jīng)過優(yōu)化的信號處理

Accelerate 框架包括了許多功能強(qiáng)大的并行處理大型數(shù)據(jù)集的方法。這些方法可以利用例如 Intel 芯片中的 SSE 指令集，或者 ARM 芯片中的 NEON 技術(shù)等，這樣的現(xiàn)代 CPU 中矢量處理指令的優(yōu)勢。然而，相較于功能的強(qiáng)大，它們的接口似乎有點(diǎn)不透明，其使用的文檔也有點(diǎn)缺乏。這就導(dǎo)致許多開發(fā)者無法使用 Accelerate 這個(gè)強(qiáng)大的工具所帶來的優(yōu)勢。

Swift 提供了一個(gè)機(jī)會，通過方法重載或?yàn)?Accelerate 框架進(jìn)行包裝后，可以讓交互更加容易。這已經(jīng)在 Chris Liscio 的庫 SMUGMath 的實(shí)踐中被證實(shí)，這也正是我們接下來將要?jiǎng)?chuàng)建的原型的靈感來源。

假設(shè)你有一系列正弦波的數(shù)據(jù)樣本，然后想通過這些數(shù)據(jù)來確定這個(gè)正弦波的頻率和幅度，你會怎么做呢？一個(gè)解決方案是通過傅里葉變換來算出這些值，傅里葉變換能從一個(gè)或多個(gè)重疊的正弦波提取頻率和幅度信息。Accelerate 框架提供了另一個(gè)解決方案，叫做快速傅里葉變換 （FFT），關(guān)于這個(gè)方案這里有一個(gè) (基于 IPython notebook 的) 很好的解釋。

我們在例子 AccelerateFunctions.playground 中實(shí)現(xiàn)了這個(gè)原型，你可以對照這個(gè)例子來看下面的內(nèi)容。請確認(rèn)你已經(jīng)打開 Assistant Editor (在菜單上依次點(diǎn)擊 View | Assistant Editor | Show Assistant Editor) 以查看每一階段所產(chǎn)生的圖形。

首先我們要產(chǎn)生一些用于實(shí)驗(yàn)的示例波形。使用 Swift 的 map() 方法可以很容易地實(shí)現(xiàn)：

let sineArraySize = 64

let frequency1 = 4.0
let phase1 = 0.0
let amplitude1 = 2.0
let sineWave = (0..<sineArraySize).map {
    amplitude1 * sin(2.0 * M_PI / Double(sineArraySize) * Double($0) * frequency1 + phase1)
}

為了便于之后使用 FFT，我們的初始數(shù)組大小必須是 2 的冪次方。把 sineArraySize 值改為像 32，128 或 256 將改變之后顯示的圖像的密度，但它不會改變計(jì)算的基本結(jié)果。

要繪制我們的波形，我們將使用新的 XCPlayground 框架 (需要先導(dǎo)入) 和以下輔助函數(shù)：

func plotArrayInPlayground<T>(arrayToPlot:Array<T>, title:String) {
    for currentValue in arrayToPlot {
        XCPCaptureValue(title, currentValue)
    }
}

當(dāng)我們執(zhí)行：

plotArrayInPlayground(sineWave, "Sine wave 1")

我們可以看到如下所示的圖表：

http://wiki.jikexueyuan.com/project/objc/images/16-1.png" alt="" />

這是一個(gè)頻率為 4.0、振幅為 2.0、相位為 0 的正弦波。為了變得更有趣一些，我們創(chuàng)建了第二個(gè)正弦波，它的頻率為 1.0、振幅為 1.0、相位為 π/2，然后把它疊加到第一個(gè)正弦波上：

let frequency2 = 1.0
let phase2 = M_PI / 2.0
let amplitude2 = 1.0
let sineWave2 = (0..<sineArraySize).map {
    amplitude2 * sin(2.0 * M_PI / Double(sineArraySize) * Double($0) * frequency2 + phase2)
}

http://wiki.jikexueyuan.com/project/objc/images/16-2.png" alt="" />

現(xiàn)在我們要將兩個(gè)波疊加。從這里開始 Accelerate 將幫助我們完成工作。將兩個(gè)個(gè)獨(dú)立地浮點(diǎn)數(shù)數(shù)組相加非常適進(jìn)行合并行處理。這里我們要使用到 Accelerate 的 vDSP 庫，它正好有這類功能的方法。為了讓這一切更有趣，我們將重載一個(gè) Swift 操作符用于向量疊加。不巧的是 + 這個(gè)操作符已經(jīng)用于數(shù)組連接 (其實(shí)挺容易混淆的)，而 ++ 更適合作為遞增運(yùn)算符，因此我們將定義 +++ 作為相加的運(yùn)算符。

infix operator  +++ {}
func +++ (a: [Double], b: [Double]) -> [Double] {
    assert(a.count == b.count, "Expected arrays of the same length, instead got arrays of two different lengths")

    var result = [Double](count:a.count, repeatedValue:0.0)
    vDSP_vaddD(a, 1, b, 1, &result, 1, UInt(a.count))
    return result
}

上文定義了一個(gè)操作符，操作符能將兩個(gè) Double 類型的 Swift 數(shù)組中的元素依次合并為一個(gè)數(shù)組。在運(yùn)算中創(chuàng)建了一個(gè)和輸入的數(shù)組長度相等的空白數(shù)組（假設(shè)輸入的兩個(gè)數(shù)組長度相等）。由于 Swift 的一維數(shù)組可以直接映射成 C 語言的數(shù)組，因此我們只需要將作為參數(shù)的 Doubles 類型數(shù)組直接傳遞給 vDSP_vaddD() 方法，并在我們的數(shù)組結(jié)果前加前綴 &。

為了驗(yàn)證上述疊加是否被正確執(zhí)行，我們可以使用 for 循環(huán)以及 Accelerate 方法來繪制合并后的正弦波的結(jié)果：

var combinedSineWave = [Double](count:sineArraySize, repeatedValue:0.0)
for currentIndex in 0..<sineArraySize {
    combinedSineWave[currentIndex] = sineWave[currentIndex] + sineWave2[currentIndex]
}

let combinedSineWave2 = sineWave +++ sineWave2

plotArrayInPlayground(combinedSineWave, "Combined wave (loop addition)")
plotArrayInPlayground(combinedSineWave2, "Combined wave (Accelerate)")

http://wiki.jikexueyuan.com/project/objc/images/16-3.png" alt="" />

果然，結(jié)果是一致的。

在繼續(xù) FFT 本身之前，我們需要另一個(gè)向量運(yùn)算來處理計(jì)算的結(jié)果。Accelerate 的 FFT 實(shí)現(xiàn)中獲取的所有結(jié)果都是平方之后的，所以我們需要對它們做平方根操作。我們需要對數(shù)組中的所有元素調(diào)用類似 sqrt() 方法，這聽上去又是一個(gè)使用 Accelerate 的機(jī)會。

Accelerate 的 vecLib 庫中有很多等價(jià)的數(shù)學(xué)方法，包括平方根的 vvsqrt()。這是個(gè)使用方法重載的好例子，讓我們來創(chuàng)建一個(gè)新版本的 sqrt()，使其能處理 Double 類型的數(shù)組。

func sqrt(x: [Double]) -> [Double] {
    var results = [Double](count:x.count, repeatedValue:0.0)
    vvsqrt(&results, x, [Int32(x.count)])
    return results
}

和我們的疊加運(yùn)算符一樣，重載的平方函數(shù)輸入一個(gè) Double 數(shù)組，為輸出創(chuàng)建了一個(gè) Double 類型的數(shù)組，并將輸入數(shù)組中的所有參數(shù)直接傳遞給 Accelerate 中的 vvsqrt()。通過在 playground 中輸入以下代碼，我們可以驗(yàn)證剛剛重載的方法。

sqrt(4.0)
sqrt([4.0, 3.0, 16.0])

我們能看到，標(biāo)準(zhǔn) sqrt() 函數(shù)返回2.0，而我們的新建的重載方法返回了 [2.0, 1.73205080756888, 4.0]。這的確是一個(gè)非常易用的重載方法，你甚至可以想象照以上方法使用 vecLib 為所有的數(shù)學(xué)方法寫一個(gè)并行的版本 (不過 Mattt Thompson 已經(jīng)做了這件事)。在一臺 15 寸的 2012 年中的 i7 版本 MacBook Pro 中處理一個(gè)有一億個(gè)元素的數(shù)組，使用基于 Accelerate 的 sqrt() 方法的運(yùn)行速度比迭代使用普通的一維 sqrt() 快將近一倍。

有了這個(gè)以后，我們來實(shí)現(xiàn) FFT。我們并不打算在 FFT 設(shè)置的細(xì)節(jié)上花費(fèi)大量時(shí)間，以下是我們的 FFT 方法：

let fft_weights: FFTSetupD = vDSP_create_fftsetupD(vDSP_Length(log2(Float(sineArraySize))), FFTRadix(kFFTRadix2))

func fft(var inputArray:[Double]) -> [Double] {
    var fftMagnitudes = [Double](count:inputArray.count, repeatedValue:0.0)
    var zeroArray = [Double](count:inputArray.count, repeatedValue:0.0)
    var splitComplexInput = DSPDoubleSplitComplex(realp: &inputArray, imagp: &zeroArray)

    vDSP_fft_zipD(fft_weights, &splitComplexInput, 1, vDSP_Length(log2(CDouble(inputArray.count))), FFTDirection(FFT_FORWARD));
    vDSP_zvmagsD(&splitComplexInput, 1, &fftMagnitudes, 1, vDSP_Length(inputArray.count));

    let roots = sqrt(fftMagnitudes) // vDSP_zvmagsD returns squares of the FFT magnitudes, so take the root here
    var normalizedValues = [Double](count:inputArray.count, repeatedValue:0.0)

    vDSP_vsmulD(roots, vDSP_Stride(1), [2.0 / Double(inputArray.count)], &normalizedValues, vDSP_Stride(1), vDSP_Length(inputArray.count))
    return normalizedValues
}

第一步，我們設(shè)置了計(jì)算中需要使用到的 FFT 權(quán)重，它和我們要處理的數(shù)組大小相關(guān)。這些權(quán)重將在稍后實(shí)際的 FFT 計(jì)算中被使用到，它可以通過 vDSP_create_fftsetupD() 計(jì)算得到，并且對于給定大小的數(shù)組是可以重用的。因?yàn)樵谶@里數(shù)組的大小是個(gè)恒定的常量，因此我們只需要計(jì)算一次權(quán)重，并將它作為全局變量并在每次 FFT 中重用即可。

在 FFT 方法中，我們初始化了一個(gè)用于存放操作結(jié)果的數(shù)組 fftMagnitudes，數(shù)組的初始元素都為 0，大小為之前正弦波的大小。FFT 運(yùn)算的輸入?yún)?shù)都是實(shí)部加上虛部的復(fù)數(shù)形式，但我們真正關(guān)心的只是它的實(shí)數(shù)部分，因此我們初始化 splitComplexInput 的時(shí)候使用輸入數(shù)組作為實(shí)數(shù)部分，而將零作為虛數(shù)部分。然后 vDSP_fft_zipD() 和 vDSP_zvmagsD() 負(fù)責(zé)執(zhí)行 FFT，并使用 fftMagnitudes 數(shù)組來存儲 FFT 從 FFT 中得到的結(jié)果的平方數(shù)。

在這里，我們使用了之前提到的基于 Accelerate 的 sqrt() 方法來計(jì)算平方根，返回實(shí)際大小，然后基于輸入數(shù)組的大小對值進(jìn)行歸一化。

對一個(gè)單一的正弦波，以上所有操作的的結(jié)果如下：

http://wiki.jikexueyuan.com/project/objc/images/16-4.png" alt="" />

疊加的正弦波看起來像這樣：

http://wiki.jikexueyuan.com/project/objc/images/16-5.png" alt="" />

對這些值一個(gè)非常簡單的解釋是：這些結(jié)果表示了正弦波頻率的集合，從左邊開始，集合中的值表示了在該頻率下檢測到的波的振幅。它們關(guān)于中心對稱，因此你可以忽略圖中右半部分的值。

可以觀察到對于頻率為 4.0 振幅為 2.0 的波，在 FFT 中是一個(gè) 位于 4 對應(yīng)于 2.0 的值。同樣對于頻率為 1.0 振幅為 1.0 的波，在 FFT 中是位于 1 對應(yīng)值為 1.0 的點(diǎn)。盡管疊加后的正弦波得到的 FFT 波形比較復(fù)雜，但是依然能夠清晰地區(qū)分合并的兩個(gè)波在各自集合內(nèi)的振幅和頻率，就仿佛它們的 FFT 結(jié)果是分別被加入的一樣。

再次強(qiáng)調(diào)，這是 FFT 運(yùn)算的簡化版本，在上文的 FFT 代碼中有簡化操作，但關(guān)鍵是在 playground 中通過一步步創(chuàng)建方法，我們能輕松地探索一個(gè)復(fù)雜的信號處理操作，并且每一步操作的測試都能立即得到圖形反饋。

使用 Swift Playgrounds 快速創(chuàng)建原型的案例

我們希望這些例子能夠說明 Swift playground 在實(shí)踐新類庫和新概念上的作用。

上一個(gè)例子中的每一步里，我們都能在執(zhí)行時(shí)通過時(shí)間線中的圖案來觀察中間數(shù)組的狀態(tài)。這對于一個(gè)示例程序來說作用非常大，而且也以某種方式為程序提供了界面。所有這些圖像都實(shí)時(shí)更新，因此你能隨時(shí)返回到實(shí)現(xiàn)中并修改其中一個(gè)波的頻率或振幅，然后看著波形隨著處理步驟變化。這縮短了開發(fā)周期，并且對計(jì)算過程的體驗(yàn)提供了巨大幫助。

這種立即反饋的交互式開發(fā)是為復(fù)雜的算法創(chuàng)建原型的很好的案例。在將這樣的復(fù)雜算法部署到實(shí)際的應(yīng)用之前，我們有機(jī)會在 playground 中對它進(jìn)行驗(yàn)證和研究。