Практика 2. Структуры, классы и копирование

Цель

Научиться осознанно выбирать между struct и class, прогнозировать результат копирования, управлять изменяемостью значимых типов и находить неочевидное общее состояние в смешанных моделях.

Общие требования

каждое задание выполняйте в отдельном файле task_N.swift;
добавляйте проверки assert;
структуры, сравниваемые по данным, делайте Equatable;
классы без предполагаемого наследования объявляйте final;
после каждого задания кратко объясняйте выбор struct или class.

Задание 1. Значимый тип `Vector2D`

Реализуйте двумерный вектор как структуру.

Требования:

свойства x и y типа Double;
вычисляемое свойство length;
mutating func scale(by:), отклоняющий неположительный коэффициент;
func scaled(by:) возвращает новую копию и не меняет исходную;
автоматическое сравнение через Equatable.

struct Vector2D: Equatable {
    var x: Double
    var y: Double

    var length: Double {
        fatalError("TODO")
    }

    @discardableResult
    mutating func scale(by factor: Double) -> Bool {
        fatalError("TODO")
    }

    func scaled(by factor: Double) -> Vector2D? {
        fatalError("TODO")
    }
}

Проверьте, что изменение копии не влияет на оригинал.

var original = Vector2D(x: 3, y: 4)
var copy = original
copy.scale(by: 2)

assert(original == Vector2D(x: 3, y: 4))
assert(copy == Vector2D(x: 6, y: 8))
assert(original.length == 5)

Задание 2. Неизменяемые значения предметной области

Создайте структуры EmailAddress и StudentRecord.

struct EmailAddress: Equatable {
    let value: String

    init?(_ value: String) {
        fatalError("TODO")
    }
}

struct StudentRecord: Equatable {
    let id: Int
    let name: String
    let email: EmailAddress
    var grades: [Int]

    var averageGrade: Double {
        fatalError("TODO")
    }

    func addingGrade(_ grade: Int) -> StudentRecord? {
        fatalError("TODO")
    }
}

Требования:

email непустой и содержит ровно одну @, до и после неё есть символы;
оценки находятся в диапазоне 1...5;
addingGrade(_:) возвращает изменённую копию либо nil;
исходная запись после вызова не меняется;
среднее пустого списка равно 0.

Не превращайте StudentRecord в класс. Объясните, почему учебная запись в этом задании удобна как снимок значения.

Задание 3. Ссылочный тип `Playlist`

Создайте плейлист, который может совместно использоваться несколькими частями программы.

final class Playlist {
    let id: Int
    var name: String
    private(set) var tracks: [String] = []

    init(id: Int, name: String) {
        self.id = id
        self.name = name
    }

    @discardableResult
    func add(_ track: String) -> Bool {
        fatalError("TODO")
    }

    @discardableResult
    func remove(_ track: String) -> Bool {
        fatalError("TODO")
    }
}

Пустые названия и дубликаты добавлять нельзя. Покажите ссылочную семантику:

let playlist = Playlist(id: 1, name: "Учёба")
let sharedPlaylist = playlist

playlist.add("Swift Basics")
assert(sharedPlaylist.tracks == ["Swift Basics"])
assert(playlist === sharedPlaylist)

let anotherPlaylist = Playlist(id: 1, name: "Учёба")
assert(playlist !== anotherPlaylist)

Письменно ответьте, почему одинаковые id и name не делают два экземпляра тождественными.

Задание 4. Найдите скрытое общее состояние

Дан код:

final class Address {
    var city: String

    init(city: String) {
        self.city = city
    }
}

struct OrderDraft {
    var number: Int
    var address: Address
}

let address = Address(city: "Нальчик")
var first = OrderDraft(number: 1, address: address)
var second = first
second.number = 2
second.address.city = "Москва"

Выполните три шага:

До запуска предскажите значения first.number, second.number, first.address.city и second.address.city.
Подтвердите прогноз через assert.
Переделайте Address в структуру так, чтобы черновики были полностью независимы. Добавьте тест, подтверждающий исправление.

Объясните, почему одной надписи struct у OrderDraft было недостаточно для полностью независимого копирования модели.

Задание 5. Смешанная модель интернет-заказа

Спроектируйте модель из значимых и ссылочных типов.

import Foundation

struct Money: Equatable {
    let amount: Decimal
    let currency: String

    init?(amount: Decimal, currency: String) {
        fatalError("TODO")
    }
}

struct Product: Equatable {
    let id: UUID
    let name: String
    let price: Money

    init?(id: UUID = UUID(), name: String, price: Money) {
        fatalError("TODO")
    }
}

struct OrderItem: Equatable {
    let product: Product
    var quantity: Int

    init?(product: Product, quantity: Int) {
        fatalError("TODO")
    }

    var subtotal: Decimal {
        fatalError("TODO")
    }
}

final class ShoppingCart {
    let id: UUID
    private(set) var items: [OrderItem] = []

    var total: Decimal {
        fatalError("TODO")
    }

    init(id: UUID = UUID()) {
        self.id = id
    }

    @discardableResult
    func add(_ product: Product, quantity: Int = 1) -> Bool {
        fatalError("TODO")
    }

    @discardableResult
    func remove(productID: UUID) -> Bool {
        fatalError("TODO")
    }
}

Инварианты:

сумма денег неотрицательна, код валюты непустой;
имя товара непустое;
количество положительное;
повторное добавление товара увеличивает количество существующей позиции;
total всегда вычисляется из текущих позиций.

В конце создайте две ссылки на одну корзину и докажите через === и assert, что они видят общий список. Затем создайте вторую корзину с такими же товарами и покажите, что это другой экземпляр.

Задание 6. Эксперимент с `Array` и copy-on-write

Создайте массив из миллиона целых чисел, присвойте его второй переменной и измените только второй массив.

var firstArray = Array(0..<1_000_000)
var secondArray = firstArray
secondArray.append(1_000_000)

assert(firstArray.count == 1_000_000)
assert(secondArray.count == 1_000_001)

Ответьте письменно:

Почему первый массив не изменился?
Обязан ли Swift физически копировать миллион элементов в момент присваивания?
В какой момент реализация может создать отдельный буфер?
Почему copy-on-write не превращает Array в ссылочный тип?

Критерии оценки

Раздел	Доля
Задания 1–2: значимые типы и безопасное копирование	25%
Задание 3: ссылочная семантика и идентичность	15%
Задание 4: анализ смешанной модели	20%
Задание 5: проектирование модели заказа	25%
Задание 6 и качество объяснений	15%

Работа засчитывается при наборе не менее 60%.

Вопросы для самопроверки

Почему изменяющий метод структуры требует mutating?
Чем копирование структуры отличается от присваивания класса?
Как let влияет на структуру и на ссылку на класс?
Может ли структура содержать класс? Как это влияет на копирование?
Чем == отличается от ===?
Почему Array остаётся значимым типом при copy-on-write?
Какие сущности модели заказа получили тип struct и почему?
Почему корзина реализована классом?