メモリの安全性


デフォルトでは、Swift は安全でない動作がコード内で起こらないようにします。たとえば、Swift は、変数が使用される前に初期化され、メモリの割り当てが解除された後はアクセスされず、配列インデックスの範囲外エラーがチェックされます。


メモリへのアクセス競合の理解


変数の値を設定したり、関数に引数を渡したりするときなどの時に、コードにメモリへのアクセスが発生します。たとえば、以下のコードには、読み取りアクセスと書き込みアクセスの両方が含まれています。


  1. // A write access to the memory where one is stored.
  2. var one = 1
  3. // A read access from the memory where one is stored.
  4. print("We're number \(one)!")


メモリへの競合するアクセスは、コードのさまざまな部分が同時にメモリ内の同じ位置にアクセスしようとしているときに発生する可能性があります。同時にメモリ内の位置に複数がアクセスすると、予期しない動作や矛盾する動作が発生する可能性があります。Swift では、数行のコードにまたがる値を変更する方法があり、独自の変更の途中で値にアクセスしようとする可能性を生じます。


紙に書かれた予算をどのように更新するかについて考えることで、同様の問題を見ることができます。予算を更新するのは、2 段階のプロセスがあります。まず、項目の名前と価格を追加し、それから合計金額を変更して現在リストにある項目に反映させます。更新の前後に、下の図に示すように、予算からの情報を読み込んで正解を得ることができます。


memory_shopping_2x


予算に項目を追加している間は、合計金額が新しく追加された項目を反映するように更新されていないため、一時的に無効な状態になります。項目を追加するプロセス中に合計金額を読み出すと、間違った情報になります。


この例ではまた、競合するメモリアクセスを修正するときに遭遇する可能性のある問題も示しています。異なる回答を生成する競合を修正する複数の方法がいくつかあり、どの答えが正しいか常に明らかではありません。この例では、元の合計金額または更新された合計金額のどちらを希望しているかによって、$5 または $320 のいずれかが正解になります。競合するアクセスを修正する前に、それが意図されていたものを判断する必要があります。


注意: 並行処理コードまたはマルチスレッドコードを書いた場合、メモリへのアクセスの競合はよくある問題です。しかし、ここで説明する競合するアクセスは、単一のスレッドで発生するもので、並行処理またはマルチスレッドのコードは含まれ ません

単一のスレッド内からのメモリへのアクセスが競合する場合、Swift はコンパイル時または実行時にエラーが発生することを保証します。マルチスレッドコードの場合は、Thread Sanitizer を使用してスレッド間の競合するアクセスを検出します。


メモリアクセスの特徴


競合するアクセスのコンテキストで考慮すべきメモリアクセスの 3 つの特徴、すなわちアクセスが読取りまたは書込みかどうか、アクセスの持続時間、およびアクセスされるメモリ内の位置があります。具体的には、以下のすべての条件を満たす 2 つのアクセスがある場合、競合が発生します。


読み取りアクセスと書き込みアクセスの違いは、通常明らかです。書き込みアクセスはメモリ内の位置を変更しますが、読み取りアクセスは変更しません。メモリ内の位置は、例えば変数、定数、またはプロパティなど、何がアクセスされているかを示します。メモリアクセスの期間は、瞬時または長期のいずれかです。


アクセスが開始した後、終了する前に他のコードを実行できない場合、アクセスは 瞬間的 です。その性質上、2 つの瞬時アクセスは同時に発生することはできません。ほとんどのメモリアクセスは瞬間的です。例えば、以下のコードリストのすべての読み取りアクセスと書き込みアクセスは瞬間的です。


  1. func oneMore(than number: Int) -> Int {
  2.         return number + 1
  3. }
  4. var myNumber = 1
  5. myNumber = oneMore(than: myNumber)
  6. print(myNumber)
  7. // Prints "2"


しかし、長期 アクセスと呼ばれる、他のコードの実行にまたがるメモリにアクセスする、いくつかの方法があります。瞬間アクセスと長期アクセスの違いは、長期アクセスが開始した後、終了する前に、オーバーラップ と呼ばれる他のコードを実行する可能性があることです。長期アクセスは、他の長期アクセスと瞬時アクセスと重複する可能性があります。


オーバーラップするアクセスは、主に、関数とメソッドでの in-out パラメーターを使用するコード、または構造体の変異メソッドのコードで表れます。長期アクセスを使用する特定の種類の Swift コードについては、以下のセクションで説明します。


In-Out パラメータへのアクセスの競合


関数には、すべての in-out パラメーターへの長期書き込みアクセスがあります。in-out パラメーターに対する書き込みアクセスは、すべての in-out でないパラメーターが評価された後に始まり、その関数への呼び出しの全期間にわたって続きます。複数の in-out パラメーターがある場合、書き込みアクセスはパラメーターが表示されたのと同じ順序で開始します。


この長期書き込みアクセスの結果の 1 つは、有効範囲ルールとアクセス制御によって許可されていても、元の変数が in-out で渡されていてもアクセスできないことです。例えば:


  1. var stepSize = 1
  2. func incrementInPlace(_ number: inout Int) {
  3.         number += stepSize
  4. }
  5. incrementInPlace(&stepSize)
  6. // Error: conflicting accesses to stepSize


上記のコードでは、stepSize はグローバル変数であり、通常は incrementInPlace(_:) 内からアクセス可能です。しかし、stepSize への読み取りアクセスは number への書き込みアクセスと重複します。以下の図に示すように、numberstepSize は両方ともメモリ内の同じ位置を参照します。読み出しアクセスと書き込みアクセスは同じメモリを参照し、オーバーラップして競合します。


memory_increment_2x


この競合を解決する 1 つの方法は、stepSize の明示的なコピーを作成することです。


  1. // Make an explicit copy.
  2. var copyOfStepSize = stepSize
  3. incrementInPlace(&copyOfStepSize)
  4. // Update the original.
  5. stepSize = copyOfStepSize
  6. // stepSize is now 2
  7. // stepSize is now 2


incrementInPlace(_:) を呼び出す前に stepSize のコピーを作成すると、copyOfStepSize の値が現在のステップサイズで増分されていることが明らかです。書き込みアクセスが開始する前に読み取りアクセスが終了するため、競合は発生しません。


in-out パラメータへの長期書き込みアクセスのもう 1 つの結果は、同じ関数の複数の in-out パラメータの引数として 1 つの変数を渡すと競合が発生することです。例えば:


  1. func balance(_ x: inout Int, _ y: inout Int) {
  2.         let sum = x + y
  3.         x = sum / 2
  4.         y = sum - x
  5. }
  6. var playerOneScore = 42
  7. var playerTwoScore = 30
  8. balance(&playerOneScore, &playerTwoScore) // OK
  9. balance(&playerOneScore, &playerOneScore)
  10. // Error: Conflicting accesses to playerOneScore


上記の balance(_:_:) 関数は、2 つのパラメータを変更して、合計値をそれらの間で均等に分割します。 playerOneScoreplayerTwoScore を引数として呼び出しても競合は発生しません。2 つの書き込みアクセスが同時に重複していますが、メモリ内の異なる位置にアクセスします。対照的に、playerOneScore を両方のパラメータの値として渡すと、メモリ内の同じ位置への 2 つの書き込みアクセスを同時に実行しようとするため、競合が発生します。


注意: 演算子は関数であるため、in-out パラメータに長期アクセスすることもできます。たとえば、balance(_:_:)<^> という演算子関数である場合、playerOneScore <^> playerOneScore と書くと、balance(&&playerOneScore、&playerOneScore) と同じ競合が発生します。


メソッド内の Self へのアクセスの競合


構造体の変異メソッドは、メソッド呼び出しの期間中、self への書き込みアクセス権を持ちます。例えば、各プレイヤーがダメージを受けたときに減少する Health (健康) 量と、特殊能力を使用するときに減少する Energy (エネルギー) 量を持つゲームを考えてみましょう。


  1. struct Player {
  2.         var name: String
  3.         var health: Int
  4.         var energy: Int
  5.         static let maxHealth = 10
  6.         mutating func restoreHealth() {
  7.                 health = Player.maxHealth
  8.         }
  9. }


上記の restoreHealth() メソッドでは、self への書き込みアクセスはメソッドの先頭で開始され、メソッドが戻るまで続きます。この場合、Player インスタンスのプロパティへのアクセスが重複しうる restoreHealth() 内には他のコードはありません。以下の shareHealth(with:) メソッドは、in-out パラメータとして別の Player インスタンスを取り、アクセスが重複する可能性があります。


  1. extension Player {
  2.         mutating func shareHealth(with teammate: inout Player) {
  3.                 balance(&teammate.health, &health)
  4.         }
  5. }
  6. var oscar = Player(name: "Oscar", health: 10, energy: 10)
  7. var maria = Player(name: "Maria", health: 5, energy: 10)
  8. oscar.shareHealth(with: &maria)     // OK


上記の例では、オスカーの演者 (player) がマリアの演者 (player) と health を共有するために shareHealth(with:) メソッドを呼び出すことで競合が発生することはありません。oscar は変異メソッド内の self の値であり、maria は in-out パラメータとして渡されたので、同じ期間、maria への書き込みアクセスがあるため、メソッド呼び出し中に oscar への書き込みアクセスがあります。下記の図に示すように、それらはメモリ内の異なる位置にアクセスします。2 つの書き込みアクセスが時間的に重複したとしても、競合しません。


memory_share_health_maria_2x


しかし、もしあなたが shareHealth(with:) への引数として oscar を渡すと、競合が起こります:


  1. oscar.shareHealth(with: &oscar)
  2. // Error: conflicting accesses to oscar


メソッドの期間中、変異メソッドは self への書き込みアクセスを必要とし、in-out パラメータは同じ期間中、teammate への書き込みアクセスを必要とします。このメソッド内では、selfteammate の両方がメモリ内の同じ場所を参照します (下図参照)。2 つの書き込みアクセスは同じメモリを参照し、重複して競合します。


memory_share_health_oscar_2x


プロパティへのアクセスの競合


構造体、タプル、列挙型などの型は、構造体のプロパティやタプルの要素など、個々の構成要素値で構成されます。これらは値型であるため、値の一部を変更すると値全体が変更されます。つまり、プロパティの 1 つに対する読み取りまたは書き込みアクセスでは、全体の値に対する読み取りまたは書き込みアクセスが必要です。たとえば、タプルの要素への書き込みアクセスを重複させると、競合が発生します。


  1. var playerInformation = (health: 10, energy: 20)
  2. balance(&playerInformation.health, &playerInformation.energy)
  3. // Error: conflicting access to properties of playerInformation


上記の例では、タプルの要素に対して balance(_:_:) を呼び出すと、playerInformation への書き込みアクセスが重複しているため、競合が発生します。playerInformation.healthplayerInformation.energy は、in-out パラメータとして渡されます。つまり、balance(_:_:) は、関数呼び出しの間、書き込みアクセス権が必要です。どちらの場合も、タプル要素への書き込みアクセスは、タプル全体への書き込みアクセスを必要とします。これは、重複している期間で playerInformation への 2 回の書き込みアクセスは競合の原因となる事を意味します。


以下のコードは、グローバル変数に格納されている構造体のプロパティへの書き込みアクセスが重複している場合に、同じエラーが表示されることを示しています。


  1. var holly = Player(name: "Holly", health: 10, energy: 10)
  2. balance(&holly.health, &holly.energy)     // Error


実際、構造体のプロパティへのほとんどのアクセスは安全に重複し合う可能性があります。たとえば、上記の例の holly 変数がグローバル変数ではなくローカル変数に変更された場合、コンパイラは構造体の格納されたプロパティへの重複したアクセスが安全であることを証明できます。


  1. func someFunction() {
  2.         var oscar = Player(name: "Oscar", health: 10, energy: 10)
  3.         balance(&oscar.health, &oscar.energy)    // OK
  4. }


上記の例では、オスカーの健康 (health) とエネルギー (energy) は balance(_:_:) への 2 つの in-out パラメータとして渡されます。コンパイラは、2 つの格納されたプロパティがどのようにも相互作用しないため、メモリの安全性が保持されることを証明できます。


メモリの安全性を維持するために、構造体のプロパティへの重複アクセスに対する制限は常には必要ではありません。メモリの安全性は望ましい保証ですが、排他的なアクセスはメモリの安全性よりも厳しい要件です。つまり、メモリへの排他的アクセスに違反していてもメモリの安全性が保持されるコードもあると言う事です。Swift は、コンパイラがメモリへの非排他的アクセスがまだ安全であることを証明できる場合、このメモリ安全コなードを許可します。具体的には、以下の条件が適用される場合、構造体のプロパティへの重複アクセスが安全であることを証明できます。



コンパイラーがアクセスが安全であることを証明できない場合は、アクセスを許可しません。





自動参照カウント 次:アクセス制御
目次
Xcode 9 の新機能

Swift:はじめに
Swift と Cocoa と Objective-C
Swift Blog より

  • ようこそ Swift へ(Part I)
  • Swift について
  • バージョン互換性
  • Swift のツアー
  • 単純な値
    制御フロー
    関数とクロージャ
    オブジェクトとクラス
    列挙型と構造体
    プロトコルと拡張機能
    エラー処理
    汎用(ジェネリック)
  • Swift 言語のガイド(Part II)
  • Swift の基本
  • 定数と変数
  • 定数と変数の宣言
    型注釈
    定数と変数の命名
    定数と変数の印刷
    コメント
    セミコロン
  • 整数
  • 整数の境界
    Int
    UInt
    浮動小数点数
    安全な型と型推論
    数値リテラル
  • 数値型変換
  • 整数変換
    整数と浮動小数点間の変換
    型エイリアス
    ブール型
    タプル
  • Optional
  • nil
    if 文と強制開封
    Optional の結合
    暗黙に開封された Optionals
    エラー処理
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  • アサーションを使用したデバッグ
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    単項プラス演算子
    複合代入演算子
    比較演算子
    三項条件演算子
    Nil 合体演算子
  • 範囲演算子
  • 閉鎖範囲演算子
    半開放範囲演算子
    片方の範囲
  • 論理演算子
  • 論理 NOT 演算子
    論理 AND 演算子
    論理 OR 演算子
    論理演算子の組み合わせ
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  • 文字列リテラル
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    空の文字列の初期化
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    デフォルト値を持つ配列の作成
    2つの配列を共にして一つの配列に
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    配列へのアクセスと変更
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    セット型の構文
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    セットへのアクセスと変更
    セットを反復処理
  • セット操作の実行
  • 基本的なセットの操作
    セットの身分と等価性
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  • Dictionary 型の省略型構文
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    Dictionary リテラルで Dictionary の作成
    Dictionary のアクセスと変更
    Dictionary を繰り返し処理
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  • For-In ループ
  • While ループ
  • While
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  • 条件文
  • if 文
  • Switch
  • 暗黙の Fallthrough なし
    範囲の一致
    タプル(Tuples)
    値の結合
    Where
    複合した case
  • 制御転送文
  • Continue
  • Break
  • ループ文内の Break
    Switch 文内の Break
    Fallthrough
    ラベル付きの文
    早期終了
    API 利用可能性の確認
  • 関数
  • 関数の定義と呼び出し
  • 関数のパラメータと戻り値
  • パラメータなしの関数
    複数パラメータの関数
    戻り値なしの関数
    複数の戻り値を持つ関数
    optional のタプル型の戻り値
  • 関数引数のラベルとパラメータ名
  • 引数のラベルの指定
    引数ラベルの省略
    デフォルトのパラメータ値
    可変個引数のパラメータ
    In-Out パラメータ
  • 関数型
  • 関数型の使用
    パラメータ型としての関数型
    戻り値の型としての関数型
    入れ子になった関数
  • クロージャ
  • クロージャ式
  • ソートするメソッド
    クロージャ式の構文
    文脈から型を推論
    単一式クロージャからの暗黙的戻り値
    引数名の省略
    演算子メソッド
    後続クロージャ
    値のキャプチャ
    クロージャは参照型
    クロージャのエスケープ
    オートクロージャ
  • 列挙型
  • 列挙型の構文
    switch 文で列挙型の値の一致
    関連する値
  • 生の値
  • 暗黙に割り当てられた生の値
    生の値からの初期化
    再帰的な列挙型
  • クラスと構造体
  • クラスと構造体を比較
  • 定義の構文
    クラスと構造体のインスタンス
    プロパティにアクセス
    構造体型のためのメンバー化イニシャライザ
    構造体と列挙型は値型
  • クラスは参照型
  • ID 演算子
    ポインタ
    クラスと構造体の間の選択
    文字列、配列、辞書の代入とコピーの動作
  • プロパティ
  • 格納されたプロパティ
  • 定数構造体インスタンスの格納されたプロパティ
    遅延した格納されたプロパティ
    格納されたプロパティとインスタンス変数
  • 計算されたプロパティ
  • セッタ宣言の省略形
    読み取り専用の計算されたプロパティ
    プロパティ監視者
    グローバルとローカル変数
  • 型プロパティ
  • 型プロパティの構文
    型プロパティの照会と設定
  • メソッド
  • インスタンスメソッド
  • self プロパティ
    インスタンスメソッド内から値の型を変更
    変異メソッド内で self に代入
    型メソッド
  • サブスクリプト
  • サブスクリプトの構文
    サブスクリプトの使用法
    サブスクリプトのオプション
  • 継承
  • 基本クラスの定義
    サブクラス化
  • オーバーライド(上書き)
  • スーパークラスメソッド、プロパティ、サブスクリプトへのアクセス
    オーバーライドするメソッド
  • オーバーライドするプロパティ
  • プロパティのゲッタとセッタのオーバーライド
    プロパティ監視者のオーバーライド
    オーバーライドの防止
  • 初期化
  • 格納されたプロパティの初期値を設定
  • イニシャライザ
    デフォルトのプロパティ値
  • 初期化のカスタマイズ
  • 初期化パラメータ
    パラメータ名と引数ラベル
    引数ラベルのないイニシャライザのパラメータ
    Optional のプロパティ型
    初期化中に定数プロパティへの代入
  • デフォルトのイニシャライザ
  • 構造体型のためのメンバ化イニシャライザ
    値型のイニシャライザデリゲート
  • クラスの継承と初期化
  • 指定イニシャライザとコンビニエンスイニシャライザ
    指定とコンビニエンスイニシャライザの構文
    クラス型のイニシャライザデリゲート
    二相の初期化
    イニシャライザ継承とオーバーライド
    自動イニシャライザの継承
    実際の指定とコンビニエンスイニシャライザ
  • 失敗可能イニシャライザ
  • 生の値を持つ列挙型のための失敗可能イニシャライザ
    初期化失敗の伝播
    失敗可能イニシャライザのオーバーライド
    init! の失敗可能イニシャライザ
    必須イニシャライザ
    クロージャや関数でのデフォルトのプロパティ値設定
  • デイニシャライザ
  • デイニシャライザはどのように働くか
    作動中のデイニシャライザ
  • Optional の連鎖
  • 強制開封の代替としての Optional の連鎖
    Optional の連鎖のモデルクラスの定義
    Optional の連鎖を使用したプロパティへのアクセス
    Optional の連鎖を通じてメソッドを呼び出す
  • Optional の連鎖を通じてサブスクリプトへのアクセス
  • Optional 型のサブスクリプトにアクセス
    連鎖の複数レベルのリンク
    optional の戻り値を持つメソッドでの連鎖
  • エラー処理
  • エラーの表現と Throw
    エラーの処理
    throw 関数を使用したエラーの伝播
    Do-Catch を使用したエラー処理
    エラー をOptional の値に変換
    エラー伝播を無効に
    クリーンアップアクションの指定
  • 型キャスト
  • 型キャストのためのクラス階層の定義
    型のチェック
    ダウンキャスト
  • Any と AnyObjecgt 用の型キャスティング
  • ネストした型
  • 実際のネストした型
    ネストした型への参照
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  • 拡張機能の構文
    計算されたプロパティ
    イニシャライザ
  • メソッド
  • 変異インスタンスメソッド
    サブスクリプト
    ネストした型
  • プロトコル
  • プロトコルの構文
    プロパティの要件
    メソッドの要件
    変異メソッドの要件
  • イニシャライザの要件
  • プロトコルイニシャライザ要件のクラス実装
    失敗可能イニシャライザの要件
    型としてのプロトコル
    デリゲート
  • 拡張機能を持つプロトコル準拠の追加
  • 拡張機能を持つプロトコルの採用を宣言
    プロトコル型のコレクション
    プロトコルの継承
    クラス専用プロトコル
    プロトコルの構成
    プロトコル準拠の確認
    Optional のプロトコル要件
  • プロトコル拡張機能
  • デフォルトの実装の提供
    プロトコル拡張機能に制約を追加
  • ジェネリック(汎用)
  • 汎用が解決する問題
    汎用関数
    型パラメータ
    型パラメータの命名
    汎用の型
    汎用型の拡張
  • 型の制約
  • 型制約の構文
    実際の型の制約
  • 関連型
  • 実際の関連型
    既存の型を拡張して関連型を指定
    型注釈を使用して関連型を制約
    汎用の Where 句
    汎用の Where 句を含む拡張機能
    関連する型と汎用の Where 句
    汎用のサブスクリプト
  • 自動参照カウント
  • どのように ARC は働くか
    実際の ARC
    クラスインスタンス間の強い循環参照
  • クラスインスタンス間の強い循環参照の解決
  • 弱い参照
    所有されていない参照
    所有されていない参照と暗黙に開封された Optional のプロパティ
    クロージャの strong な循環参照
  • クロージャの strong な循環参照の解決
  • キャプチャリストの定義
    弱い参照と所有されていない参照
  • メモリの安全性
  • メモリへのアクセス競合の理解
    メモリアクセスの特徴
    In-Out パラメータへのアクセスの競合
    メソッド内の Self へのアクセスの競合
    プロパティへのアクセスの競合
  • アクセス制御
  • モジュールとソースファイル
  • アクセスレベル
  • アクセスレベルの全体的指針
    デフォルトのアクセスレベル
    ターゲット一つのアプリのアクセスレベル
    フレームワークのアクセスレベル
    ユニットテストのターゲット用のアクセスレベル
    アクセス制御の構文
  • カスタム型
  • タプル型
    関数型
  • 列挙型
  • 生の値と関連する値
    ネストした型
    サブクラス化
  • 定数、変数、プロパティ、およびサブスクリプト
  • ゲッタとセッタ
  • イニシャライザ
  • デフォルトのイニシャライザ
    構造体型用のデフォルトメンバ化イニシャライザ
  • プロトコル
  • プロトコルの継承
    プロトコルの準拠
  • 拡張機能
  • 拡張機能の private メンバ
    汎用
    型エイリアス
  • 高度な演算子
  • ビット単位演算子
  • ビット単位の NOT 演算子
    ビット単位の AND 演算子
    ビット単位の OR 演算子
    ビット単位の XOR 演算子
  • ビット単位の左と右シフト演算子
  • 符号なし整数のシフト動作
    符号付き整数のシフト動作
  • オーバーフロー演算子
  • 値オーバーフロー
    優先順位と結合性
  • 演算子メソッド
  • 接頭辞と接尾辞演算子
    複合代入演算子
    等価演算子
  • カスタム演算子
  • カスタム挿入辞演算子の優先順位
  • 言語のガイド(Part III)
  • 言語リファレンスについて
  • 文法の読み方
  • 語彙の構造
  • 空白とコメント
    識別子
    キーワードと句読点
  • リテラル
  • 整数リテラル
    浮動小数点リテラル
    文字列のリテラル
    演算子

  • 型注釈
    型識別子
    タプル型
    関数型
    エスケープしないクロージャの制限事項
    配列型
    辞書型
    Optional の型
    暗黙に開封された Optional の型
    プロトコル構成の型
    メタタイプ型
    型の継承句
    型の推測

  • 接頭辞式
    Try 演算子
  • 二項式
  • 代入演算子
    三項条件演算子
    型キャスト演算子
  • 一次式
  • リテラル式
    Self 式
    スーパークラス式
  • クロージャ式
  • キャプチャ・リスト
    暗黙のメンバ式
    括弧で囲まれた式
    タプル式
    ワイルドカード式
    キーパス式
    セレクタ式
    キーパス文字列式
  • 接尾辞の式
  • 関数呼び出し式
    イニシャライザ式
    明示的なメンバ式
    接尾辞の Self 式
    サブスクリプト 式
    強制値の式
    Optional の連鎖式

  • ループ文
  • For-In 文
    While 文
    Repeat-While 文
  • 分岐文
  • if 文
    Guard 文
  • switch 文
  • switch 文は、網羅的である必要あり
    実行が暗黙的に case を Fall Through しない
    ラベル付き文
  • 制御転送文
  • break 文
    continue 文
    fallthrough 文
    return 文
    throw 文
    defer 文
    do 文
  • コンパイラ制御文
  • 条件コンパイルブロック
    行制御文
    利用可能条件
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