在单个 Data 实例中存储多个不同类型对象的数据表示

Question

动机

据我所知，Data 是一个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。现在我想在内存中有效地存储多个值（作为原始数据），其中的值并非都是同一类型。

我在这里对高效的定义 ≔ 存储所有这些值，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，没有任何类型信息。

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

假设.asData 属性将每个实例的字节表示检索为[UInt8] 数组，然后将它们包装在Data 实例中。 concetenated() 方法然后将这 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)
        }
    }
}

从内存中读回数据到各自的类型中

假设这一切都很好，我现在有一个 Data 实例，我想从中恢复 3 个原始值（及其原始类型）。我就是这样做的：

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

问题是这会引发运行时错误：

致命错误：从未对齐的原始指针加载

我知道为什么：

Int32 的对齐方式为 4（因为它有 4 个字节长）。换句话说：当使用原始指针读取数据时，Int32 的第一个字节必须位于 4 的倍数的索引处。但由于第一个值仅是 UInt8，@ 的数据字节987654336@ 从索引 1 开始，不是 4 的倍数。因此，我得到了错误。

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我的问题是这样的：

• 我能否以某种方式使用代表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？怎么样？

• 如果这是不可能的，有没有办法在连接它们时自动正确对齐Data 块？

Answer 1

关于未对齐数据的问题是您需要使用 Data 的 subdata 方法。除此之外，您还可以创建一些帮助程序以使您的生活更轻松，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)
    }
}

这会将任何符合字符串协议的类型转换为数据（字符串/子字符串）

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

这会将任何有效的 utf8 编码字节序列 (UInt8) 转换为字符串

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

这是一种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)) } }
}

以及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，加载字符串只起作用，因为它位于字节集合的末尾，否则你需要使用 8 个字节来存储它的大小：

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

这会打印出来

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