在单个数据实例中存储多个不同类型的对象的数据表示 动机将原始数据存储在内存中将数据从内存中读取回相应的类型问题

问题描述

动机

据我所知，Data是一种抽象字节缓冲区的结构。它引用内存中的物理区域，换句话说：连续的字节数。现在，我想有效地将​​多个值（作为原始数据）存储在内存中，其中的值不是同一类型的所有。

这里我对高效的定义≔存储所有这些值，而没有任何未使用的缓冲区/间隙字节。

将原始数据存储在内存中

let a: UInt8 = 39
let b: Int32 = -20001
let string: String = "How awesome is this data?!"

现在，我想将所有这些值的数据顺序存储在内存中，而没有任何类型信息。

let data = [a.asData,b.asData,string.asData].concatenated()

想象一下，.asData属性将每个实例的字节表示形式检索为[UInt8]数组，然后将它们包装在Data实例中。然后，concetenated()方法将这3个Data实例连接到单个Data实例，如下所示：

extension Collection where Element == Data {
    func concatenated() -> Data {
        reduce(into: Data()) { (result,nextDataChunk) in
            result.append(nextDataChunk)
        }
    }
}

将数据从内存中读取回相应的类型

让我们假设一切都很好，现在我有一个Data实例，我想从中还原3个原始值（及其原始类型）。这就是我要做的：

var cursor = 0

let a: UInt8 = data.withUnsafeBytes { pointer in
    pointer.load(fromByteOffset: cursor,as: UInt8.self)
}
cursor += MemoryLayout<UInt8>.size // +1

let b: Int32 = data.withUnsafeBytes { pointer in
    pointer.load(fromByteOffset: cursor,as: Int32.self)
}
cursor += MemoryLayout<Int32>.size // +4

let string: String = data.withUnsafeBytes { pointer in
    pointer.load(fromByteOffset: cursor,as: String.self)
}
cursor += MemoryLayout<String>.size // +16

问题

问题在于这会引发运行时错误：

致命错误：从未对齐的原始指针加载

我完全知道为什么：

Int32的对齐方式为4（因为它的长度为4个字节）。换句话说：使用原始指针读取数据时，Int32的第一个字节必须位于4的倍数处。但是，由于第一个值仅是UInt8，因此数据Int32的字节从索引1开始，这不是4的倍数。因此，我得到了错误。

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我的问题是这样：

• 我可以以某种方式使用表示不同类型实例的原始Data来重新创建此类实例而不会出现对齐错误吗？怎么样？

• 如果这不可能，那么首先将Data块连接起来时，是否有办法自动正确对齐它们？

解决方法

关于数据未对齐的问题是，您需要使用Data的子数据方法。除此之外，您还可以创建一些助手来使您的生活更轻松，如下所示：

这会将任何数字类型转换为数据：

extension Numeric {
    var data: Data {
        var bytes = self
        return .init(bytes: &bytes,count: MemoryLayout<Self>.size)
    }
}

这会将符合字符串协议的任何类型转换为数据（字符串/子字符串）

extension StringProtocol {
    var data: Data { .init(utf8) }
}

这会将任何有效的utf8编码的字节序列（UInt8）转换为字符串

extension DataProtocol {
    var string: String? { String(bytes: self,encoding: .utf8) }
}

这是将字节转换为对象或对象集合（数组）的通用方法：

extension ContiguousBytes {
    func object<T>() -> T { withUnsafeBytes { $0.load(as: T.self) } }
    func objects<T>() -> [T] { withUnsafeBytes { .init($0.bindMemory(to: T.self)) } }
}

和用于连接数据数组的简化通用版本：

extension Collection where Element == DataProtocol {
    var data: Data { .init(joined()) }
}

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用法：

let a: UInt8 = 39
let b: Int32 = -20001
let string: String = "How awesome is this data?!"
let data = [a.data,b.data,string.data].data

// just set the cursor (index) at the start position
var cursor = data.startIndex
// get the subdata from that position onwards
let loadedA: UInt8 = data.subdata(in: cursor..<data.endIndex).object()  // 39
// advance your cursor for the next position
cursor = cursor.advanced(by: MemoryLayout<UInt8>.size)
// get your next object
let loadedB: Int32 = data.subdata(in: cursor..<data.endIndex).object()  // -20001
// advance your position to the start of the string data
cursor = cursor.advanced(by: MemoryLayout<Int32>.size)
// load the subdata as string
let loadedString = data.subdata(in: cursor..<data.endIndex).string  // "How awesome is this data?!"

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编辑/更新： 当然，加载字符串仅是有效的，因为它位于字节集合的末尾，否则您将需要使用8个字节来存储其大小：

let a: UInt8 = 39
let b: Int32 = -20001
let string: String = "How awesome is this data?!"
let c: Int = .max
let data = [a.data,string.count.data,string.data,c.data].data

var cursor = data.startIndex
let loadedA: UInt8 = data.subdata(in: cursor..<data.endIndex).object()  // 39
print(loadedA)
cursor = cursor.advanced(by: MemoryLayout<UInt8>.size)
let loadedB: Int32 = data.subdata(in: cursor..<data.endIndex).object()  // -20001
print(loadedB)
cursor = cursor.advanced(by: MemoryLayout<Int32>.size)
let stringCount: Int = data.subdata(in: cursor..<data.endIndex).object()
print(stringCount)
cursor = cursor.advanced(by: MemoryLayout<Int>.size)
let stringEnd = cursor.advanced(by: stringCount)

if let loadedString = data.subdata(in: cursor..<stringEnd).string {  // "How awesome is this data?!"
    print(loadedString)
    cursor = stringEnd
    let loadedC: Int = data.subdata(in: cursor..<data.endIndex).object()  // 9223372036854775807
    print(loadedC)
}

这将打印

39
-20001
26
这些数据有多棒？！
9223372036854775807