Swift 中 String 取下標及性能問題

let str = "abc"
let a = str[str.startIndex] // Character "a"
let b = str[str.index(str.startIndex, offsetBy: 1)] // Character "b"
a == "a" // true
b > "a" // true

UTF-8

String 通過 utf8 屬性獲得 String.UTF8View，表示 UTF-8 編碼的內容。String.UTF8View 通過 String.UTF8View.Index 取下標得到 UTF8.CodeUnit，實際上是 UInt8；通過 Range 取下標得到 String.UTF8View。String.UTF8View.Index 要從 String.UTF8View 中獲取。String.UTF8View 不遵循 RandomAccessCollection 協議，用 String.UTF8View.Index 取下標不可以隨機訪問。用 String.UTF8View 生成 Array，可以用 Int、Range 取下標。用 String.UTF8View 可以生成 String。用 UInt8 或 Array 也可以生成 String，但內容表示數字或數字數組，不是數字的 UTF-8 編碼內容。

let str = "abc"
let utf8 = str.utf8 // String.UTF8View
let n = utf8[utf8.startIndex] // UInt8 97
let a = utf8[utf8.startIndex.. [97, 98, 99]
let n2 = arr[0] // UInt8 97
let arr2 = arr[0...1] // // ArraySlice [97, 98]

String 通過 utf8CString 屬性獲得 ContiguousArray，實際上是 ContiguousArray，表示 UTF-8 編碼的內容並且末尾增加一個 0，所以長度比 utf8 屬性的長度大 1。ContiguousArray 可以用 Int、Range 取下標，分別得到 Int8 和 ArraySlice。ContiguousArray 遵循 RandomAccessCollection 協議，用 Int 取下標可以隨機訪問。

let str = "abc"
let utf8 = str.utf8CString // ContiguousArray [97, 98, 99, 0]
let a = utf8[0] // Int8 97
let ab = utf8[0...1] // ArraySlice [97, 98]

UTF-16

String 通過 utf16 屬性獲得 String.UTF16View，表示 UTF-16 編碼的內容。String.UTF16View 通過 String.UTF16View.Index 取下標得到 UTF16.CodeUnit，實際上是 UInt16；通過 Range 取下標得到 String.UTF16View。String.UTF16View.Index 要從 String.UTF16View 中獲取。String.UTF16View 遵循 RandomAccessCollection 協議，用 String.UTF16View.Index 取下標可以隨機訪問。用 String.UTF16View 生成 Array，可以用 Int、Range 取下標。用 String.UTF16View 可以生成 String。用 UInt16 或 Array 也可以生成 String，但內容表示數字或數字數組，不是數字的 UTF-16 編碼內容。

let str = "abc"
let utf16 = str.utf16 // String.UTF16View
let n = utf16[utf16.startIndex] // UInt16 97
let a = utf16[utf16.startIndex.. [97, 98, 99]
let n2 = arr[0] // UInt16 97
let arr2 = arr[0...1] // // ArraySlice [97, 98]

性能對比

對 String、String.CharacterView、Array、String.UTF8View、Array、ContiguousArray、String.UTF16View、Array 進行判空(isEmpty)、獲取長度(count)、一個位置的取下標([index])、一段距離的取下標([range])測試，統計執行時間。

定義測試類型、列印和更新時間的方法、要測試的 String

import Foundation

let s = "aasdfsdfsdfgfdsg vrutj7edbj7 ergcwhmkl5lknjklqawkrcqjljkljqjlqjhbrlqwfcbhafcpiluioufnlkqjvjakjn fnvjalgkhlkdkjlkasdfsdfsdfgfdsg vrutj7edbj7 ergcwhmkl5lknjklqawkrcqjliopjktyuljqjlqjhbrlqwfcbhafciluioufnlkjvjakjn fnvjalgkhlkdkjlkasdfsdfsdfgfdsg vrutj7edbj7 ergcwhmkl5lknjklqawkrcqjljkljqjlqjhbrlqwfcbhafciluioufnlkjvjakjn fnvjalgkhlkdkjlkasderwytwghfsdfsdfgfdsg vrutj7edbj7 fdgotuyoergcwhmkl5lknjklqawkyrcqjljkljqjlqjhbrlqwfcbhafci luioufnlkjvjakjn fnvjalgkhlkdkjlkasdfsdfsdfgfdsg vrutj7edbj7 ergcvcnvbwhmkl5lknjklqawkrcqjljkljqjlqjhbrlqwfcbhafciluioufnlkjvjakjn fnvjalgkhlkdkjlkasdfsdfsdfgfdsg vrutj7edbj7 ergcwhmkl5lknjklqawkrcqjljkljqjlqjhbrlqwfcbhafciluioufnlkjvjakjkn fnvjalgkhlkdkjlkasdfsdfsdfgfdsg vrutj7edbj7 ergcwhmkl5lknjklqawkrcqjljkljqjlqjhbrlqwfcbhafciluioufnlkjvjakjn fnvjalgkhlkdkjlkasdfsdfsdfgfdsg iopiouvrutj7edbj7 ergcwhmkl5lknjklqawkrcqjljkfghngdljqjlqjhbrlqwfcbhafciluioufnlkjvjakjn fnvjalgkhlkdkjlkasdfsdfsdfgfdsg vrutj7edbj7 ergcwhmbkl5lknjklqawkrcqjljkljqjlqjhbrlqwfcbhafciluioufnlkjvjakjn fnvjalgkhlkdkjlkasdfsdfsdfgfdsg vrutj7edbj7 ergcwhmkl5lknjklqawkrcqjljkljqjlqjhbrlqwfcbhafciluioufnlkjvjakjn fnvjalgkhlkdkjlkasdfsdfsdfgfdsg vrutj7edbj7 ergcwhmkl5lknjklqawkrcqjljkljqjlqjhbrlqwfcbhafciluioufnlkjvjakjn fnvjalgkhlkdkjlkasdfsdfsdfgfdsg vrutj7edbj7 ergcwhmkl5lknjklqawkrcqjljkljqjlqjhbrlqwfcbhafciluioufnlkjvjakjn fnvjalgkhlkdkjlkasdfsdfsdfgfdsg vrutj7edbj7 ergcwhmkl5lknjklqasdfsdwkrcqjljkljqjlqjhbrlqwfcbhafciluioufnlkjvjakjn fnvjalgkhlkdkjlkasdfsdfsdfgfdsg vrutj7edbj7 ergcwhmkl5lknjklqawkrcqjljkljqjlqjhbrlqwfcbhafciluioufnlkjvjakjn fnvjalgkhlkdkjlkasdfsdfsdfgfdsg vrutj7edbj7 ergcwhmkl5lknjklqawkrcqjljkljdqjlqjhbrlqwfcbhafciluioufnlkjvjakjn fnvjalgkhlkdkjlkasddfsdfsdfgfdsg vrutj7edbj7 ergcwhmkl5lknjklqawkrcqjljkljqjlqjhbrlqwfcbhafciluioufnlkjvjakjn fnvjalgkhlkdkjlkasdfsdfsdfgfdsg vrutj7edbj7 ergcwhmkl5lknjklqawkrcqjljkljqjlqjhbsdfdsrlqwfcbhafciluioufnlkjvjakjn fnvjalgkhlkdkjlkasdfsdfsdfgfdsg vrutj7edbj7 ergcwhmkl5lknjklqawkrcqjljkljqjlqjhbrlqwfcbhafciluioufnlkjvjakjn fnvjalgkhlkdkjlkasdfsdfsdfgfdsg vrutj7edbj7 ergcwhmkl5lknjklqawkrcqjljkljqjlqjhbrlqwfcbhafciluioufnlkjvjakjn fnvjalgkhlkdkjlkasdfsdfsdfgfdsg vrutj7edbj7 ergcwhmkl5lknjklqawkrcqjljkljqjlqjhbrlqwfcbhafciluioufnlkjvjakjn fnvjalgkhlkdkjlkasdfsdfsdfsadfsdgfdsg vrutj7edbj7 ergcwhmkl5lknjklqawkrcqjljkljqsdfasjlqjhbrlqwfcbhafciluioufnlkjvjakjn fnvjalgkhlkdkjlkasdfsdfsdfgfdsg vrutj7edbj7 ergcwhmkl5lknjklqawkrcqjljkljqjlqjhbrlqwfcbhafciluioufnlkjvjakjn fnvjalgkhlkdkjlkasdfsdfsdfgfdsg vrutj7edbj7 ergcwhmkl5lknjklqawkrcqjljkljqjlqjhbrlqwfcbhafciluioufnlkjvjakjn fnvjalgkhlkdkjlkasdfsdfsdafgfdsg vrutj7edbj7 ergcwhmkl5lknjklqawkrcqjljkljqjlqjhbrlqwfcbhafciluioufnlkjvjakjn fnvjalgkhlkdkjlkasdfsdfsdfgfdsg vrutj7edbj7 ergcwhmkl5lknjklqawkrcqjljkljqjlqjhbrlqwfcbhafciluioufnlkjvjakjn fnvjalgkhlkdkjlkasdfsdfsdfgfdsg vrutj7edbj7 ergcwhmkl5lknjklqawkrcqjljkljqjlqjhbrlqwfcbhafciluioufnlkjvjakjn fnvjalgkhlkdkjlkasdfsdfsdfgfdsg vrutj7edbj7 ergcwhmkl5lknjklqawkrcqjljkljqjlqjhbrlqwfcbhafciluioufnlkjvjakjn fnvjalgkhlkdkjlk"

測試代碼

let loopCount = 10000
let index = s.characters.count / 2
let testType: TestType = .range
print(testType)
var date = Date

forLoop: for _ in 0..

測試結果

判空

獲取長度

一個位置的取下標

一段距離的取下標

以上比較中，判斷 String 是否為空，訪問 String 的 isEmpty 速度最快。對於其他操作，遵循 RandomAccessCollection 協議(ContiguousArray、String.UTF16View 以及其他 Array)的類型效率較高。

進一步比較判空操作

let loopCount = 10000
var date = Date

for _ in 0..

與訪問 String 的 isEmpty 相比，判斷 String 是否等於空 String 速度更快！

注意到文檔中，對 String.UTF8View 和 String.UTF16View 的 Range 取下標方法的說明

subscript(bounds: Range) -> String.UTF8View { get }
subscript(bounds: Range) -> String.UTF16View { get }

Complexity: O(n) if the underlying string is bridged from Objective-C, where n is the length of the string; otherwise, O(1).

如果 String 是從 Objective-C 的 NSString 橋接來的，時間複雜度為 O(n)，否則為 O(1)。這句話怎麼理解呢？前面說了，String.UTF8View 不遵循 RandomAccessCollection 協議，而 String.UTF16View 遵循 RandomAccessCollection 協議，兩者的時間複雜度應該不同。這裡怎麼說時間複雜度與 String 是否橋接自 NSString 有關？以下進一步探究。

let s2 = NSString(string: s) as String

let loopCount = 10000
let index = s.characters.count / 2
let index2 = s.characters.count - 1

func test(_ s: String) {
var date = Date

let utf8 = s.utf8
for _ in 0..

測試結果

對比 index 與 index2 的差異。測試參數 index2 約為 index 的 2 倍。UTF-8 index2 的耗時也約為 index 的 2 倍。UTF-16 的 index 和 index2 耗時相近。這與是否遵循 RandomAccessCollection 協議一致。

對比 String 與 NSString 的差異。橋接自 NSString 的 String 耗時比 String 要長，UTF-8 尤其明顯。這應該就是文檔說明的情況。用 Range 取下標，橋接自 NSString 的 String，比 String 多一些操作，多出 O(n) 級別的時間，而不是取下標的時間複雜度是 O(n)。

應用

具體應用時，選取哪種編碼方式、取下標方式？首先，編碼方式要看具體應用場景。編碼方法不同，字元串的長度可能不同。如果字元串只含英文，比較好辦。如果字元串含有中文或 Emoji，選擇編碼方式就要慎重。注意，NSString 的 length 屬性獲得的長度對應 UTF-16 編碼。

let str = "abc"
str.characters.count // 3
str.unicodeScalars.count // 3
str.utf16.count // 3
(str as NSString).length // 3
str.utf8.count // 3
str.utf8CString.count - 1 // 3
strlen(str) // 3

let emojiStr = "????"
emojiStr.characters.count // 1
emojiStr.unicodeScalars.count // 2
emojiStr.utf16.count // 4
(emojiStr as NSString).length // 4
emojiStr.utf8.count // 8
emojiStr.utf8CString.count - 1 // 8
strlen(emojiStr) // 8

let ChineseStr = "中文"
ChineseStr.characters.count // 2
ChineseStr.unicodeScalars.count // 2
ChineseStr.utf16.count // 2
(ChineseStr as NSString).length // 2
ChineseStr.utf8.count // 6
ChineseStr.utf8CString.count - 1 // 6
strlen(ChineseStr) // 6

一般情況下，字元串要顯示出來，就用 String.CharacterView。如果要取下標，考慮性能，就用 String.CharacterView 生成 Array。如果要用其他編碼方式，也可以生成相應的 Array，以 Int 或 Range 取下標，效率高而且代碼簡潔。

現在 LeetCode 支持 Swift 了。如果做 LeetCode 的需要多次進行字元串取下標的題目，用不遵循 RandomAccessCollection 協議的類型(例如 String.CharacterView、String.UTF8View)，可能思路對了結果卻是 「Time Limit Exceeded」。參見：http://www.cnblogs.com/silence-cnblogs/p/6878223.html

為了避免 NSString 橋接帶來的性能問題，在 Swift 里盡量用 String；盡量減少 Objective-C 的代碼，盡量選擇 Swift 編寫的第三方庫。

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