前言
Swift 其实比 Objective-C 复杂很多，相对于出生于上世纪 80 年代的 Objective-C 来说，Swift 融入了大量新特性。这也使得我们学习掌握这门语言变得相对来说更加困难。不过一切都是值得的，Swift 相比 Objective-C，写出来的程序更安全、更简洁，最终能够提高我们的工作效率和质量。
Swift 相关的学习资料已经很多，我想从另外一个角度来介绍它的一些特性，我把这个角度叫做「烧脑体操」。什么意思呢？就是我们专门挑一些比较费脑子的语言细节来学习。通过「烧脑」地思考，来达到对 Swift 语言的更加深入的理解。
这是本体操的第四节，练习前请做好准备运动，保持头脑清醒。
我之前一直以为我是懂 map 和 flatMap 的。但是直到我看到别人说：「一个实现了 flatMap 方法的类型其实就是 monad。」我又发现这个熟悉的东西变得陌生起来，本节烧脑体操打算更细致一些介绍 map 和 flatMap，为了下一节介绍 monad 做铺垫。
准备运动：基础知识
数组中的 map 和 flatMap
数组中的 map 对数组元素进行某种规则的转换，例如：
let arr = [1, 2, 4]
// arr = [1, 2, 4]
let brr = arr.map {
"No." + String($0)
}
// brr = ["No.1", "No.2", "No.4"]
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而 flatMap 和 map 的差别在哪里呢？我们可以对比一下它们的定义。为了方便阅读，我在删掉了定义中的 @noescape 、throws 和 rethrows 关键字，如果你对这些关键字有疑问，可以查阅上一期的烧脑文章：
extension SequenceType {
public func map<T>(transform: (Self.Generator.Element) -> T)
-> [T]
}
extension SequenceType {
public func flatMap<S : SequenceType>(transform: (Self.Generator.Element) -> S)
-> [S.Generator.Element]
}
extension SequenceType {
public func flatMap<T>(transform: (Self.Generator.Element) -> T?)
-> [T]
}
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我们从中可以发现，map 的定义只有一个，而 flatMap 的定义有两个重载的函数，这两个重载的函数都是接受一个闭包作为参数，返回一个数组。但是差别在于，闭包的定义不一样。
第一个函数闭包的定义是：(Self.Generator.Element) -> S，并且这里 S 被定义成：S : SequenceType。所以它是接受数组元素，然后输出一个 SequenceType 类型的元素的闭包。有趣的是， flatMap 最终执行的结果并不是 SequenceType 的数组，而是 SequenceType 内部元素另外组成的数组，即：[S.Generator.Element]。
是不是有点晕？看看示例代码就比较清楚了：
let arr = [[1, 2, 3], [6, 5, 4]]
let brr = arr.flatMap {
$0
}
// brr = [1, 2, 3, 6, 5, 4]
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你看出来了吗？在这个例子中，数组 arr 调用 flatMap 时，元素[1, 2, 3] 和 [6, 5, 4] 分别被传入闭包中，又直接被作为结果返回。但是，最终的结果中，却是由这两个数组中的元素共同组成的新数组：[1, 2, 3, 6, 5, 4] 。
需要注意的是，其实整个 flatMap 方法可以拆解成两步：
- 第一步像
map方法那样，对元素进行某种规则的转换。 - 第二步，执行
flatten方法，将数组中的元素一一取出来，组成一个新数组。
所以，刚刚的代码其实等价于：
let arr = [[1, 2, 3], [6, 5, 4]]
let crr = Array(arr.map{ $0 }.flatten())
// crr = [1, 2, 3, 6, 5, 4]
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讲完了 flatMap 的第一种重载的函数，我们再来看第二种重载。
在第二种重载中，闭包的定义变成了：(Self.Generator.Element) -> T?，返回值 T 不再像第一种重载中那样要求是数组了，而变成了一个 Optional 的任意类型。而 flatMap 最终输出的数组结果，其实不是这个 T? 类型，而是这个 T? 类型解包之后，不为 .None 的元数数组：[T]。
我们还是直接看代码吧。
let arr: [Int?] = [1, 2, nil, 4, nil, 5]
let brr = arr.flatMap { $0 }
// brr = [1, 2, 4, 5]
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在这个例子中，flatMap 将数组中的 nil 都丢弃掉了，只保留了非空的值。
在实际业务中，这样的例子还挺常见，比如你想构造一组图片，于是你使用 UIImage 的构造函数，但是这个函数可能会失败（比如图像的名字不存在时），所以返回的是一个 Optional 的 UIImage 对象。使用 flatMap 方法可以方便地将这些对象中为 .None 的都去除掉。如下所示：
let images = (1...6).flatMap {
UIImage(named: "imageName-\($0)")
}
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Optional 中的 map 和 flatMap
其实 map 和 flatMap 不止存在于数组中，在 Optional 中也存在。我们先看看定义吧：
public enum Optional<Wrapped> : _Reflectable, NilLiteralConvertible {
case None
case Some(Wrapped)
public func map<U>( f: (Wrapped) throws -> U)
rethrows -> U?
public func flatMap<U>( f: (Wrapped) throws -> U?)
rethrows -> U?
}
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所以，对于一个 Optional 的变量来说，map 方法允许它再次修改自己的值，并且不必关心自己是否为 .None。例如：
let a1: Int? = 3
let b1 = a1.map{ $0 * 2 }
// b1 = 6
let a2: Int? = nil
let b2 = a2.map{ $0 * 2 }
// b2 = nil
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再举一个例子，比如我们想把一个字符串转成 NSDate 实例，如果不用 map 方法，我们只能这么写：
var date: NSDate? = ... var formatted = date == nil ? nil : NSDateFormatter().stringFromDate(date!) |
而使用 map 函数后，代码变得更短，更易读：
var date: NSDate? = ... var formatted = date.map(NSDateFormatter().stringFromDate) |
看出来特点了吗？当我们的输入是一个 Optional，同时我们需要在逻辑中处理这个 Optional 是否为 nil，那么就适合用 map 来替代原来的写法，使得代码更加简短。
那什么时候使用 Optional 的 flatMap 方法呢？答案是：当我们的闭包参数有可能返回 nil 的时候。
比如，我们希望将一个字符串转换成 Int，但是转换可能失败，这个时候我们就可以用 flatMap 方法，如下所示：
let s: String? = "abc"
let v = s.flatMap { (a: String) -> Int? in
return Int(a)
}
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我在这里还发现了更多的使用 map 和 flatMap 的例子，分享给大家：http://blog.xebia.com/the-power-of-map-and-flatmap-of-swift-optionals/。
map 和 flatMap 的源码
Talk is cheap. Show me the code.
– Linus Torvalds
为了更好地理解，我们去翻翻苹果开源的 Swift 代码，看看 map 和 flatMap 的实现吧。
数组的 map 的源码
源码地址是：https://github.com/apple/swift/blob/master/stdlib/public/core/Collection.swift，摘录如下：
public func map<T>(@noescape transform: (Generator.Element) throws -> T)
rethrows -> [T] {
let count: Int = numericCast(self.count)
if count == 0 {
return []
}
var result = ContiguousArray<T>()
result.reserveCapacity(count)
var i = self.startIndex
for _ in 0..<count {
result.append(try transform(self[i]))
i = i.successor()
}
_expectEnd(i, self)
return Array(result)
}
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数组的 flatMap 的源码（重载函数一）
刚刚也说到，数组的 flatMap 有两个重载的函数。我们先看第一个的函数实现。源码地址是：https://github.com/apple/swift/blob/master/stdlib/public/core/SequenceAlgorithms.swift.gyb。
public func flatMap<S : SequenceType>(
transform: (${GElement}) throws -> S
) rethrows -> [S.${GElement}] {
var result: [S.${GElement}] = []
for element in self {
result.appendContentsOf(try transform(element))
}
return result
}
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对于这个代码，我们可以看出，它做了以下几件事情：
- 构造一个名为
result的新数组，用于存放结果。 - 遍历自己的元素，对于每个元素，调用闭包的转换函数
transform，进行转换。 - 将转换的结果，使用
appendContentsOf方法，将结果放入result数组中。
而这个 appendContentsOf 方法，即是把数组中的元素取出来，放入新数组。以下是一个简单示例：
var arr = [1, 3, 2] arr.appendContentsOf([4, 5]) // arr = [1, 3, 2, 4, 5] |
所以这种 flatMap 必须要求 transform 函数返回的是一个 SequenceType 类型，因为 appendContentsOf 方法需要的是一个 SequenceType 类型的参数。
数组的 flatMap 的源码（重载函数二）
当我们的闭包参数返回的类型不是 SequenceType 时，就会匹配上第二个重载的 flatMap 函数。以下是函数的源码。
public func flatMap<T>(
@noescape transform: (${GElement}) throws -> T?
) rethrows -> [T] {
var result: [T] = []
for element in self {
if let newElement = try transform(element) {
result.append(newElement)
}
}
return result
}
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我们也用同样的方式，把该函数的逻辑理一下：
- 构造一个名为
result的新数组，用于存放结果。(和另一个重载函数完全一样) - 遍历自己的元素，对于每个元素，调用闭包的转换函数
transform，进行转换。(和另一个重载函数完全一样) - 将转换的结果，判断结果是否是 nil，如果不是，使用使用
append方法，将结果放入result数组中。（唯一差别的地方）
所以，该 flatMap 函数可以过滤闭包执行结果为 nil 的情况，仅收集那些转换后非空的结果。
对于这种重载的 flatMap 函数，它和 map 函数的逻辑非常相似，仅仅多做了一个判断是否为 nil 的逻辑。
所以，面试题来了：「什么情况下数组的 map 可以和 flatMap 等价替换？」
答案是：当 map 的闭包函数返回的结果不是 SequenceType 的时候。因为这样的话，flatMap 就会调到我们当前讨论的这种重载形式。而这种重载形式和 map 的差异就仅仅在于要不要判断结果为 nil。
下面是一个示例代码，可以看出：brr 和 crr 虽然分别使用 map 和 flatMap 生成，但是结果完全一样：
let arr = [1, 2, 4]
// arr = [1, 2, 4]
let brr = arr.map {
"No." + String($0)
}
// brr = ["No.1", "No.2", "No.4"]
let crr = arr.flatMap {
"No." + String($0)
}
// crr = ["No.1", "No.2", "No.4"]
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Optional 的 map 和 flatMap 源码
看完数组的实现，我们再来看看 Optional 中的相关实现。源码地址是：https://github.com/apple/swift/blob/master/stdlib/public/core/Optional.swift，摘录如下：
/// If `self == nil`, returns `nil`.
/// Otherwise, returns `f(self!)`.
public func map<U>(@noescape f: (Wrapped) throws -> U)
rethrows -> U? {
switch self {
case .Some(let y):
return .Some(try f(y))
case .None:
return .None
}
}
/// Returns `nil` if `self` is `nil`,
/// `f(self!)` otherwise.
@warn_unused_result
public func flatMap<U>(@noescape f: (Wrapped) throws -> U?)
rethrows -> U? {
switch self {
case .Some(let y):
return try f(y)
case .None:
return .None
}
}
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Optional 的这两函数真的是惊人的相似，如果你只看两段函数的注释的话，甚至看不出这两个函数的差别。
这两函数实现的差别仅仅只有两处：
f函数一个返回U，另一个返回U?。- 一个调用的结果直接返回，另一个会把结果放到 .Some 里面返回。
两个函数最终都保证了返回结果是 Optional 的。只是将结果转换成 Optional 的位置不一样。
这就像我老婆给我说：「我喜欢这个东西，你送给我吗？不送的话我就直接刷你卡买了！」。。。买东西的结果本质上是一样的，谁付钱本质上也是一样的，差别只是谁动手而已。
既然 Optional 的 map 和 flatMap 本质上是一样的，为什么要搞两种形式呢？这其实是为了调用者更方便而设计的。调用者提供的闭包函数，既可以返回 Optional 的结果，也可以返回非 Optional 的结果。对于后者，使用 map 方法，即可以将结果继续转换成 Optional 的。结果是 Optional 的意味着我们可以继续链式调用，也更方便我们处理错误。
我们来看一段略烧脑的代码，它使用了 Optional 的 flatMap 方法：
var arr = [1, 2, 4]
let res = arr.first.flatMap {
arr.reduce($0, combine: max)
}
`
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这段代码的功能是：计算出数组中的元素最大值，按理说，求最大值直接使用 reduce 方法就可以了。不过有一种特殊情况需要考虑：即数组中的元素个数为 0 的情况，在这种情况下，没有最大值。
我们使用 Optional 的 flatMap 方法来处理了这种情况。arr 的 first 方法返回的结果是 Optional 的，当数组为空的时候，first 方法返回 .None，所以，这段代码可以处理数组元素个数为 0 的情况了。
烧脑的 map 和 flatMap
关于取名
There are only two hard things in Computer Science: cache invalidation and naming things.
– Phil Karlton
有一位大师说，计算机世界真正称得上难题的就只有两个：第一个是缓存过期问题，第二个就是取名字。作为文章最后的烧脑环节，我们来聊聊取名字这个事吧。
我来提几个看起来「无厘头」的问题：
- 数组的
map函数和 Optinal 的map函数的实现差别巨大？但是为什么都叫map这个名字？ - 数组的
flatMap函数和 Optinal 的flatMap函数的实现差别巨大？但是为什么都叫flatMap这个名字？ - 数组的
flatMap有两个重载的函数，两个重载的函数差别巨大，但是为什么都叫flatMap这个名字？
在我看来，这样的取名其实都是有背后的原因的，我试着分享一下我的理解。我们先说结论，然后再解释。这段结论来自：http://www.mokacoding.com/blog/functor-applicative-monads-in-pictures/。
好吧，我猜你心里开始骂娘了：「为了解释一个问题，引入了两个新问题：谁知道什么是 Functor 和 Monad ！」
不要着急，我们先说严谨的结论有助于更好地总结和归纳，我下面试着解释一下 Functor 和 Monad 。
Functor
Functor 在 Wikipedia 上的定义非常学术。我想了一个相对比较容易理解的定义：所谓的 Functor，就是可以把一个函数应用于一个「封装过的值」上，得到一个新的「封装过的值」。通常情况下，我们会把这个函数叫做 map。
什么叫做「封装过的值」呢？数组就是对值的一种封装，Optional 也是对值的一种封装。如果你愿意，你也可以自己封装一些值，比如把网络请求的结果和网络异常封装在一起，做成一个 enum（如下所示）。
enum Result<T> {
case Success(T)
case Failure(ErrorType)
}
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一个值能否成为「封装过的值」，取决于这个值的类型所表示的集合，通过 map 函数，能否映射到一个新集合中。这个新集合，也要求能够继续使用 map 函数，再映射到另外一个集合。
我们拿数组和 Optional 类型来检查这个规则，就会发现是符合的：
- 数组可以通过
map函数，生成一个新的数组，新的数组可以继续使用map函数。 - Optional 可以通过
map函数，生成一个新的 Optional 变量，新的 Optional 变量可以继续使用map函数。
所以，数组 和 Optional 都是 Functor。
Monad
如果你能理解 Functor，那么 Monad) 就相对容易一些了。所谓的 Monad，和 Functor 一样，也是把一个函数应用于一个「封装过的值」上，得到一个新的「封装过的值」。不过差别在于:
- Functor 的函数定义是从「未封装的值」到「未封装的值」的
- Monad 的函数定义是从「未封装的值」到「封装后的值」的。
下面我举例解释一下：
刚刚我们说，数组 和 Optional 都是 Functor，因为它们支持用 map 函数做「封装过的值」所在集合的变换。那么，你注意到了吗？map 函数的定义中，输入的参数和返回的结果，都不是「封装过的值」，而是「未封装的值」。什么是「未封装的值」？
- 对于数组来说，「未封装的值」是数组里面一个一个的元素，map 函数的闭包接受的是一个一个的元素，返回的也是一个一个的元素。
- 对于 Optional 来说，「未封装的值」是 Optional 解包出来的值，map 函数的闭包接受的是解包出来的值，返回的也是解包出来的值。
下面是数组的示例代码，我故意加上了闭包的参数，我们再观察一下。我们可以发现，map 的闭包接受的是 Int 类型，返回的是 String 类型，都是一个一个的元素类型，而不是数组。
// map 的闭包接受的是 Int 类型，返回的是 String 类型，都是一个一个的元素类型，而不是数组。
let arr = [1, 2, 4]
let brr = arr.map {
(element: Int) -> String in
"No." + String(element)
}
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下面是 Optional 的示例代码，我也故意加上了闭包的参数。我们可以发现，map 的闭包接受的是 Int 类型，返回的是 Int 类型，都是非 Optional 的。
// map 的闭包接受的是 Int 类型，返回的是 Int 类型，都是非 Optional 的。
let tq: Int? = 1
tq.map { (a: Int) -> Int in
a * 2
}
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我们刚刚说，对于 Monad 来说，它和 Functor 的差异实在太小，小到就只有闭包的参数类型不一样。数组实现了 flatMap ，它就是一种 Monad，下面我们就看看 flatMap 在数组中的函数定义，我们可以看出，闭包接受的是数组的元素，返回的是一个数组（封装后的值）。
// 闭包接受的是数组的元素，返回的是一个数组（封装后的值）
let arr = [1, 2, 3]
let brr = arr.flatMap {
(element:Int) -> [Int] in
return [element * 2]
}
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下面是 flatMap 在 Optional 中的定义，我们可以看出，闭包接受的是 Int 类型，返回的是一个 Optional（封装后的值）。
// 闭包接受的是 Int 类型，返回的是一个 Optional（封装后的值）
let tq: Int? = 1
tq.flatMap { (a: Int) -> Int? in
if a % 2 == 0 {
return a
} else {
return nil
}
}
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所以本质上，map 和 flatMap 代表着一类行为，我们把这类行为叫做 Functor 和 Monad。它们的差异仅仅在于闭包函数的参数返回类型不一样。所以，我们才会把数组和 Optional 这两个差别很大的类型，都加上两个实现差别很大的函数，但是都取名叫 map 和 flatMap。
多重 Optional
我们在第一节烧脑文章中提到过多重 Optional，在使用 map 的时候不仔细，就会触发多重 Optional 的问题。比如下面这个代码，变量 b 因为是一个两层嵌套的 nil，所以 if let 失效了。
let tq: Int? = 1
let b = tq.map { (a: Int) -> Int? in
if a % 2 == 0 {
return a
} else {
return nil
}
}
if let _ = b {
print("not nil")
}
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解决办法是把 map 换成 flatMap 即可。
总结
讨论完了，我们总结一下：
- 数组和 Optional 都能支持
map和flatMap函数。 - 数组的
flatMap有两个重载的实现，一个实现等价于先map再flatten，另一个实现用于去掉结果中的 nil。 - 通过阅读源码，我们更加深入理解了
map和flatMap函数内部的机制。 - 我们讨论了
map和flatMap的取名问题，最后得出：一个类型如果支持map，则表示它是一个 Functor；一个类型如果支持flatMap，则表示它是一个 Monad。 - 我们讨论了
map中使用不当造成的多重 Optional 问题。