Swift 集合类型详解（三）：自定义集合、持久化结构与 ORM 共舞

从零实现一个 CircularArray

需求：固定容量，到达上限后从头覆盖，支持 for-in、count、randomAccess。

步骤：

遵循 Collection 协议；
提供 startIndex、endIndex、下标；
用 & 运算做环形回绕。

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/// 1. 数据容器
public struct CircularArray<Element> {
    private var buffer: [Element?]          // 故意可空，区分"未写入"
    private var head = 0                    // 逻辑起始索引
    private var _count = 0                  // 实际元素数
    public let capacity: Int
    
    public init(capacity: Int) {
        precondition(capacity > 0)
        self.capacity = capacity
        buffer = Array(repeating: nil, count: capacity)
    }
}

/// 2. 遵循 Collection ------ 只读部分
extension CircularArray: Collection {
    public var startIndex: Int { 0 }
    public var endIndex: Int { _count }
    
    public func index(after i: Int) -> Int { i + 1 }
    
    public subscript(position: Int) -> Element {
        get {
            precondition(position < _count, "Index out of range")
            let idx = (head + position) & (capacity - 1)   // 要求 capacity 为 2 的幂
            return buffer[idx]!
        }
        set {
            precondition(position < _count, "Index out of range")
            let idx = (head + position) & (capacity - 1)
            buffer[idx] = newValue
        }
    }
}

/// 3. 支持 RangeReplaceableCollection ------ 可写
extension CircularArray: RangeReplaceableCollection {
    public init() {
        self.init(capacity: 16)
    } // 默认容量
    
    public mutating func replaceSubrange<C>(_ subrange: Range<Int>, with newElements: C) where C : Collection, Element == C.Element {
        guard subrange.upperBound - subrange.lowerBound == newElements.count else { return }
        let lowerBound = subrange.lowerBound
        for i in subrange {
            let ind = i - lowerBound
            self[ind] = newElements[newElements.index(newElements.startIndex, offsetBy: ind)]
        }
    }
    
    /// 追加：满则覆盖最老元素
    public mutating func append(_ newElement: Element) {
        let idx = (head + _count) & (capacity - 1)
        buffer[idx] = newElement
        if _count < capacity {
            _count += 1
        } else {
            head = (head + 1) & (capacity - 1) // 滑动窗口
        }
    }
    
    /// 批量追加
    public mutating func append<S: Sequence>(contentsOf newElements: S) where S.Element == Element {
        for e in newElements { append(e) }
    }
}

验证：

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var cq = CircularArray<Int>(capacity: 4)
for i in 1...6 { cq.append(i) }
print(Array(cq))          // [3, 4, 5, 6]
cq[0] = 99
print(cq[0])              // 99

让 CircularArray 支持 Set/Dictionary 运算

需求：去重 + 快速查询。

做法：把 CircularArray 当成"有序窗口"，外部再包一个 Set 做存在性判断。

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struct UniqueCircularArray<T: Hashable> {
    private var store = CircularArray<T>(capacity: 100)
    private var set = Set<T>()
    
    mutating func append(_ element: T) {
        if set.contains(element) { return }
        if store.count == store.capacity {        // 窗口已满，先删最老
            let oldest = store[store.startIndex]
            set.remove(oldest)
        }
        store.append(element)
        set.insert(element)
    }
    
    func contains(_ element: T) -> Bool { set.contains(element) }
}

时间复杂度：

append 均摊 O(1)；
contains O(1)；
内存占用 O(capacity)。

不可变集合的"持久化"魔法

什么是持久化（Persistent）

修改后旧版本仍可用；
共享未修改节点，节省内存与复制时间；
Swift 原生 Array/Set/Dictionary 都是"写时复制"，但并非持久化结构------一旦副本被修改，旧版本立即失效。

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// 简化版 PersistentVector
public struct PersistentVector<Element> {
    private var root: Node?
    private let shift = 5
    private let mask = 0b1_1111
    
    private final class Node {
        var array: [Any?] = Array(repeating: nil, count: 32)
    }
    
    public var count: Int { /* 省略 */ 0 }
    
    public subscript(index: Int) -> Element {
        get { /* 沿树查找 */ fatalError() }
    }
    
    public func appending(_ element: Element) -> PersistentVector {
        var new = self
        // 仅复制受影响的节点
        // ...
        return new
    }
}

优势：

100 万元素，修改一次只分配 < 20 个 Node（约 1 kB）；
旧版本仍可安全读，天然支持"时间旅行调试"、"撤销重做"。

劣势：

随机访问常数比 Array 大约 35 倍；
实现复杂，需自己维护，或直接用第三方（SwiftCollectino 、Immer-Swift）。

ORM 与值语义集合：到底怎么存？

SwiftData（iOS 17+）

SwiftData 原生支持 Codable 值类型，可直接存储 Array/Set：

swift 复制代码

@Model
final class TodoItem {
    var tags: Set<String> = []          // 自动生成表，多对多拆表
}

注意：

目前不支持自定义 Hashable struct 当 Key；
对 Dictionary 的支持要等到 FoundationDB 层公开。

Realm

Realm 早期只能存 NSArray；Swift-SDK 已支持 List<T>、MutableSet<T>，但它们是引用类型。

想把"值语义"带回来：

swift 复制代码

final class Dog: Object {
    @Persisted var name: String
    @Persisted var nicknames: MutableSet<String>
}

// 写入
let dog = Dog()
dog.nicknames.append(objectsIn: ["Buddy", "Max"])

读出来后想转回 Swift 原生：

swift 复制代码

let swiftSet = Set(dog.nicknames)   // 拷贝一次，脱离 Realm 管理

陷阱：

MutableSet 只能在写事务里修改；
跨线程无法直接传递，需要 ThreadSafeReference。

CoreData

最麻烦：

不支持任何 Swift 原生集合，必须转 Transformable 或建中间实体；
Transformable 底层是 NSKeyedArchiver，性能差且无法查询；
推荐：把集合拍平成 NSData 或 JSON String，存成 Derived Attribute。

拍平（Flatten）与查询（Query）实战

需求：存一个"按天分组的待办" -> [Date: [Todo]]

方案：

建中间实体 DayTodoGroup：

swift 复制代码

@Model
final class DayTodoGroup {
    var date: Date
    var todos: [Todo] = []        // SwiftData 原生支持数组嵌套
}

查询某天的数据：

swift 复制代码

let predicate = #Predicate<DayTodoGroup> { $0.date.startOfDay == target.startOfDay }
let group = modelContext.fetch(FetchDescriptor(predicate: predicate)).first

如果想"模糊查询所有含 tag = 工作"的待办：
- 把 tags: Set<String> 存在 Todo 里；
- SwiftData 会自动生成多对多关联表，支持 ANY tags == "工作" 谓词。

线程安全与并发

Swift 原生集合是值语义，单线程绝对安全；
多线程同时读没问题；
多线程写同一块内存会触发"数据竞争" → 用 actor 或 DispatchQueue 保护：

swift 复制代码

actor SafeCircularArray<T: Hashable> {
    private var store = UniqueCircularArray<T>()
    
    func append(_ element: T) { store.append(element) }
    func contains(_ element: T) -> Bool { store.contains(element) }
}

SwiftData/Realm 的集合对象必须在对应线程/队列使用，不能跨并发域传递。

最佳实践 10 条

95% 场景用原生 Array/Set/Dictionary，不要过早优化。
需要"滑动窗口"去重用 Array + Set 双持，别自己写链表。
大容量（>10 万）先 reserveCapacity，再批量添加。
自定义 Hashable 一定只哈希"不变主键"，class 记得加 final 防继承破坏。
对"撤销/重做"或"函数式"需求，才上持久化结构；否则 Array 足够。
SwiftData 能存 Set/Array，就别转 JSON String；查询性能高一个量级。
Realm 集合是引用类型，读多写少用 ThreadSafeReference，写多读少直接事务。
CoreData 新项目建议直接迁移到 SwiftData；老项目用拍平 + Derived Attribute。
多线程共享集合，用 actor 包一层，比锁简洁。
真·极限性能（音视频缓冲、游戏对象池）再用 UnsafePointer 自己管内存。