第26天 项目 4 第一部分
今天我们要开启一个新项目，在学习更多 SwiftUI 技能的同时，还会涉足编程领域中一个极具吸引力的方向：机器学习。
瑞典籍牛津大学教授尼克・博斯特罗姆（Nick Bostrom）曾说过：“机器智能将是人类需要完成的最后一项发明。” 这句话是否正确呢？诚然，如果我们能让计算机具备足够出色的 “思考” 能力，人类或许就无需再亲力亲为进行思考；但另一方面，也有人认为，实际上大多数人本身就没进行过太多深度思考。
不过，我相信你会惊讶地发现，入门机器学习其实非常简单，而且它与 SwiftUI 的契合度也非常高。
另外想提一点，到目前为止，你应该已经逐渐适应本课程的节奏了：学习知识点、开发应用、完成技术项目、巩固所学内容 —— 这个过程会重复多次。
但我想提醒你，无论何时，如果你感到疲惫，或者生活中出现其他干扰因素，不妨稍作休息！一两天后再回到代码旁，你会更放松，也更有精力投入学习。就像我一开始说的，这是一场马拉松，而非短跑。如果压力过大，学习效果只会大打折扣。
今天你需要学习五个主题，还会接触到 Stepper、DatePicker、DateFormatter 等更多内容。
- BetterRest：项目介绍
- 使用 Stepper 输入数字
- 使用 DatePicker 选择日期和时间
- 日期相关操作
- 使用 Create ML 训练模型
学完这些主题后，一定要在网上分享你的学习进度 —— 你已经迈出了理解机器学习的第一步！
BetterRest：项目介绍
作者：Paul Hudson 2023 年 1 月 31 日
这个 SwiftUI 项目同样是一款基于表单的应用，它会让用户输入信息，然后将这些信息转换为弹窗展示。听起来可能有些乏味 —— 毕竟你之前已经做过类似的功能了，对吧？
话虽如此，但多练习总归是好的。不过，这个项目设计得相对简单，真正的目的是为了向你介绍 iOS 开发中一项真正强大的功能：机器学习（ML）。
所有 iPhone 都内置了一项名为 Core ML 的技术，借助它，我们可以编写代码，让计算机根据之前接触过的数据，对新数据做出预测。我们会先准备一些原始数据，将其作为训练数据提供给 Mac，然后利用训练结果开发一款应用。这款应用能够基于新数据做出准确估算，而且所有操作都在设备本地完成，能充分保障用户隐私。
我们要开发的这款应用名为 BetterRest，旨在帮助咖啡爱好者获得良好的睡眠质量。它会向用户提出三个问题：
- 希望几点起床？
- 大致希望睡几个小时？
- 每天喝喝几杯咖啡？
获取这三个数值后，我们会将其输入 Core ML，得到建议的入睡时间。仔细想想就会发现，可能的答案组合多达数十亿种 —— 所有可能的起床时间、睡眠时长与咖啡饮用量相互搭配，组合数量极为庞大。
而机器学习就能解决这个问题：通过一种名为 “回归分析” 的技术，我们可以让计算机推导出一个能够表征所有数据的算法。之后，计算机就能将这个算法应用到从未接触过的新数据上，从而得出准确结果。
你需要为这个项目下载一些文件，可以从 GitHub 上获取：https://github.com/twostraws/HackingWithSwift —— 记得在文件的 SwiftUI 目录下查找。
下载完成后，打开 Xcode，创建一个新的 App 项目，命名为 BetterRest。和之前一样，我们先概述开发这款应用所需的各项技术，现在就开始吧……
使用 Stepper 输入数字
作者：Paul Hudson 2023 年 10 月 17 日
SwiftUI 提供了两种让用户输入数字的方式，本次我们要使用的是 Stepper：它由 “-” 和 “+” 两个按钮组成，用户点击按钮就能精确选择数字。另一种方式是 Slider（滑块），我们之后会用到 —— 它同样可以让用户在一定范围内选择数值，但精度相对较低。
Stepper 的灵活性很高，支持绑定各种数值类型，无论是 Int 还是 Double 都能适配，而且会自动调整。例如，我们可以先定义一个属性：
@State private var sleepAmount = 8.0然后将这个属性与 Stepper 绑定，让 Stepper 显示当前数值，代码如下：
Stepper("\(sleepAmount) 小时", value: $sleepAmount)运行这段代码后，你会看到显示内容为 “8.000000 小时”。点击 “-” 按钮，数值会向下减少到 7、6、5，甚至可以变成负数；点击 “+” 按钮，数值则会向上增加到 9、10、11 等。
默认情况下，Stepper 的数值范围仅受其绑定的变量类型限制。在这个例子中，我们使用的是 Double 类型，这意味着 Stepper 的最大值会非常大。
作为两个孩子的父亲，我非常清楚睡眠的珍贵，但即便如此，也没人能睡那么久。好在 Stepper 支持通过 in 参数限定可接受的数值范围，示例如下：
Stepper("\(sleepAmount) 小时", value: $sleepAmount, in: 4...12)添加这个参数后，Stepper 的初始值仍为 8，但用户只能在 4 到 12 之间（包含首尾值）调整数值，无法超出这个范围。这样一来，我们就能控制睡眠时长的选择范围，避免用户选择 24 小时这样不切实际的数值，同时也能排除像 -1 小时这样不可能的情况。
Stepper 还有第四个实用参数 ——step（步长），用于指定每次点击 “-” 或 “+” 按钮时数值的变化幅度。步长同样可以是任意数值类型，但必须与绑定变量的类型一致。例如，如果绑定的是整数类型，就不能将步长设为 Double 类型。
在这个场景中，我们可以设定用户的睡眠时长选择范围为 4 到 12 小时，且以 15 分钟为步长进行调整，代码如下：
Stepper("\(sleepAmount) 小时", value: $sleepAmount, in: 4...12, step: 0.25)这样的设计已经比较实用了：既有合理的数值范围，又有合适的步长，用户还能清晰地看到自己当前选择的数值。
不过，在继续往下学习之前，我们先优化一下显示的文本：目前显示的是 “8.000000”，虽然精确，但显得有些冗余。要解决这个问题，只需让 Swift 对 Double 类型数值进行格式化，使用 formatted() 方法即可：
Stepper("\(sleepAmount.formatted()) 小时", value: $sleepAmount, in: 4...12, step: 0.25)完美！
使用 DatePicker 选择日期和时间
作者：Paul Hudson 2023 年 10 月 17 日
SwiftUI 提供了一个专门用于选择日期的控件 ——DatePicker，它可以与一个日期类型的属性绑定。没错，Swift 中有专门处理日期的类型，毫不意外，它就叫 Date。
因此，要使用 DatePicker，首先需要定义一个 @State 属性，示例如下：
@State private var wakeUp = Date.now然后将这个属性与 DatePicker 绑定，代码如下：
DatePicker("请选择日期", selection: $wakeUp)在模拟器中运行这段代码，感受一下它的外观和交互。你会看到一个可点击的选项，用于调整日和时间，左侧还会显示 “请选择日期” 这个标签。
或许你会觉得这个标签不太美观，于是尝试将代码改成这样：
DatePicker("", selection: $wakeUp)但这样做会带来两个问题：一是 DatePicker 仍然会为标签预留空间，即便标签内容为空；二是对于开启了屏幕阅读器（我们更熟悉的名称是 VoiceOver）的用户来说，他们将无法知晓这个 DatePicker 的用途。
更好的解决方案是使用 labelsHidden() 修饰符，代码如下：
DatePicker("请选择日期", selection: $wakeUp)
.labelsHidden()这样既能保留原始标签，方便屏幕阅读器通过 VoiceOver 为用户提供说明，又能让标签在界面上隐藏 ——DatePicker 不会再因为一段空文本而被挤到一边。
DatePicker 提供了几个配置选项，用于控制其功能。首先，可以通过 displayedComponents 参数指定用户能看到的日期 / 时间组件：
- 如果不指定该参数，用户会看到日、时、分。
- 如果设置为
.date，用户会看到月、日、年。 - 如果设置为
.hourAndMinute，用户只会看到时和分。
因此，我们可以这样来让用户选择精确的时间：
DatePicker("请选择时间", selection: $wakeUp, displayedComponents: .hourAndMinute)最后，DatePicker 还有一个 in 参数，其用法与 Stepper 中的 in 参数完全相同：我们可以为它指定一个日期范围，DatePicker 会确保用户无法选择超出该范围的日期。
我们已经接触范围概念有一段时间了，想必你对 1...5 或 0..<10 这类写法已经很熟悉。实际上，Swift 的范围也支持 Date 类型。例如：
func exampleDates() {
// 创建一个 Date 实例，代表当前时间往后推一天（86400 是一天的秒数）
let tomorrow = Date.now.addingTimeInterval(86400)
// 用当前时间和明天的这个时间创建一个范围
let range = Date.now...tomorrow
}这一特性在 DatePicker 中非常实用，但还有更便捷的用法：Swift 支持 “单侧范围”—— 即只指定范围的起始端或结束端，另一端由 Swift 自动推断。
例如，我们可以创建这样一个 DatePicker：
DatePicker("请选择日期", selection: $wakeUp, in: Date.now...)这样配置后，用户只能选择当前时间之后的日期，无法选择过去的日期 —— 可以将这个范围理解为 “从当前日期开始，到任意未来日期”。
日期相关操作
作者：Paul Hudson 2023 年 10 月 17 日
让用户通过 DatePicker 控件输入日期很简单，只需将 @State 修饰的 Date 类型属性与 DatePicker 绑定即可。但在这之后，处理日期就会变得复杂起来。
要知道，处理日期其实非常困难，比你想象的要难得多，甚至比我这个接触日期处理多年的人想象的还要难。
先看一个看似简单的例子：
let now = Date.now
let tomorrow = Date.now.addingTimeInterval(86400)
let range = now...tomorrow这段代码创建了一个从当前时间到明天同一时间的范围（86400 是一天的秒数）。
这看起来似乎很简单，但真的每天都有 86400 秒吗？如果答案是肯定的，那很多人可能就要失业了！想想夏令时：有时时钟会拨快一小时（导致当天只有 23 小时），有时会拨慢一小时（导致当天有 25 小时）。除此之外，还有闰秒 —— 为了调整地球自转速度变慢带来的时间偏差，会在特定时刻为时钟增加一秒。
如果你觉得这已经够复杂了，不妨在 Mac 的终端中运行 cal 命令。这个命令会打印当前月份的简易日历，显示一周中的每一天。再尝试运行 cal 9 1752，查看 1752 年 9 月的日历 —— 你会发现有整整 12 天不见了，这是因为当时历法从儒略历切换到了公历。
我讲这些并不是为了让你对日期处理望而却步 —— 毕竟在程序开发中，日期处理是无法回避的。相反，我想让你明白，对于任何重要的日期处理场景（即代码中涉及的日期操作会影响核心功能），我们都应该依赖 Apple 提供的框架来进行计算和格式化。
在我们正在开发的这个项目中，会从三个方面使用日期：
- 设置合理的 “起床时间” 默认值。
- 获取用户希望起床的小时和分钟。
- 以清晰的格式显示建议的入睡时间。
理论上，我们可以手动实现所有这些功能，但这会涉及夏令时、闰秒、公历转换等一系列复杂问题。
更好的做法是让 iOS 帮我们处理这些复杂工作：这样不仅能减少我们的代码量，还能确保无论用户处于哪个地区，日期处理结果都是准确的。
下面我们分别解决这三个问题，首先从设置合理的起床时间默认值开始。
正如你所见，Swift 提供了 Date 类型来处理日期，它包含了年、月、日、时、分、秒、时区等多种信息。但在这个场景中，我们不需要关注这么多细节 —— 我们只想设置 “无论今天是哪一天，默认起床时间都是早上 8 点”。
Swift 中有一个专门用于处理这种需求的类型 ——DateComponents，它允许我们读取或设置日期中的特定部分，而无需操作整个日期。
因此，如果我们想创建一个代表 “今天早上 8 点” 的日期，可以编写如下代码：
var components = DateComponents()
components.hour = 8
components.minute = 0
let date = Calendar.current.date(from: components)由于日期验证过程中可能出现问题，date(from:) 方法返回的是一个可选类型的日期。因此，最好使用空合运算符（nil coalescing）来处理这种情况，代码如下：“如果转换失败，就返回当前日期”。
let date = Calendar.current.date(from: components) ?? .now第二个问题是如何获取用户希望起床的小时和分钟。要知道，DatePicker 绑定的 Date 类型包含了大量信息，所以我们需要从中提取出仅包含小时和分钟的部分。
同样，DateComponents 可以帮我们解决这个问题：我们可以让 iOS 从指定日期中提取特定的组件，然后读取这些组件的值。不过有一点需要注意，由于 DateComponents 的工作机制，我们 “请求的组件” 和 “实际获取的组件” 之间存在一定差异：即便我们明确请求提取小时和分钟，得到的 DateComponents 实例中，所有属性仍然是可选类型。虽然我们知道小时和分钟这两个属性一定有值（因为是我们主动请求提取的），但还是需要对可选类型进行解包，或者提供默认值。
因此，我们可以编写如下代码：
let components = Calendar.current.dateComponents([.hour, .minute], from: someDate)
let hour = components.hour ?? 0
let minute = components.minute ?? 0第三个问题是如何格式化日期和时间，这里有两种实现方式。
第一种方式是使用我们之前已经熟练掌握的 format 参数，通过它可以指定要显示的日期 / 时间部分。
例如，如果我们只想显示某个日期的时间，可以编写如下代码：
Text(Date.now, format: .dateTime.hour().minute())如果想显示日、月、年，可以这样写：
Text(Date.now, format: .dateTime.day().month().year())你可能会好奇，这种方式如何适配不同的日期格式？比如，在英国，日期格式通常是 “日 / 月 / 年”，但在其他一些国家，格式可能是 “月 / 日 / 年”。其实，我们无需担心这个问题：当我们编写 day().month().year() 时，只是 “请求” 显示这些数据，而不是 “指定” 数据的排列顺序。iOS 会根据用户的偏好自动对这些数据进行格式化。
另一种方式是直接调用日期的 formatted() 方法，并传入配置选项，指定日期和时间的显示格式，示例如下：
Text(Date.now.formatted(date: .long, time: .shortened))总而言之，日期处理确实很复杂，但 Apple 提供了大量工具来降低其难度。只要学会合理使用这些工具，你编写的代码不仅会更简洁，质量也会更高！
使用 Create ML 训练模型
作者：Paul Hudson 2023 年 10 月 17 日
借助 Apple 的两个框架 ——Core ML 和 Create ML，在设备本地实现机器学习变得异常简单。其中，Core ML 用于开发支持机器学习的应用，而 Create ML 则搭配专门的 Create ML 应用，通过拖拽操作就能创建自定义的机器学习模型。得益于这些工具，现在任何人都能轻松地在自己的应用中集成机器学习功能。
Core ML 支持多种训练任务，例如图像识别、声音识别甚至动作识别。但在本次项目中，我们要关注的是 “表格回归”（tabular regression）。这是一个机器学习领域中常见的专业术语，但其本质很简单：我们可以将大量类似电子表格的数据输入 Create ML，让它分析这些数据中各个数值之间的关系。
机器学习通常分为两个步骤：训练模型和使用模型进行预测。训练过程是让计算机分析所有输入数据，找出数据中各个数值之间的关系。对于大型数据集，训练过程可能需要很长时间 —— 轻则几小时，重则更久。而预测过程则在设备本地进行：我们将训练好的模型植入应用，它就能根据之前的训练结果，对新数据做出估算。
现在我们就开始训练模型：请在你的 Mac 上打开 Create ML 应用。如果你不知道该应用的位置，可以通过 Xcode 启动它 —— 点击 Xcode 菜单栏，选择 “Open Developer Tool”（打开开发者工具）>“Create ML”。
Create ML 应用启动后，首先会提示你创建新项目或打开已有项目 —— 请点击 “New Document”（新建文档）开始。你会看到有很多模板可供选择，请选择 “Tabular Regression”（表格回归），然后点击 “Next”（下一步）。项目名称请输入 “BetterRest”，接着点击 “Next”，选择桌面作为保存位置，最后点击 “Create”（创建）。
初次使用 Create ML 时，你可能会觉得界面上的选项比较复杂，不用担心 —— 只要跟着我的步骤操作，很快就能上手。
第一步是为 Create ML 提供训练数据。这些原始数据将作为计算机分析的依据，在本项目中，数据包含四个数值：用户希望的起床时间、用户认为自己需要的睡眠时长、用户每天喝的咖啡杯数，以及用户实际需要的睡眠时长。
我已经为你准备了这些数据，存储在 BetterRest.csv 文件中，该文件位于本项目的资源文件中。这是一个逗号分隔值（CSV）格式的数据集，Create ML 可以直接处理它。我们的首要任务就是导入这个文件。
在 Create ML 界面中，找到 “Data”（数据）部分，点击 “Training Data”（训练数据）下方的 “Select…”（选择…）按钮。再次点击 “Select…” 后，会弹出文件选择窗口，请选择 BetterRest.csv 文件。
重要提示： 此 CSV 文件仅包含用于本项目演示的样本数据，不得用于实际的健康相关工作。
接下来，需要确定 “目标值”（target）和 “特征值”（features）。目标值是我们希望计算机学会预测的数值；特征值则是计算机在预测目标值时需要分析的数值。例如，如果我们将 “用户认为自己需要的睡眠时长” 和 “用户实际需要的睡眠时长” 设为特征值，就可以训练计算机预测用户每天喝的咖啡杯数。
在本项目中，请将 “actualSleep”（实际睡眠时长）设为目标值，这意味着我们希望计算机学会预测用户实际需要的睡眠时长。然后点击 “Choose Features”（选择特征值）按钮，勾选所有三个选项：wake（起床时间）、estimatedSleep（预估睡眠时长）和 coffee（咖啡杯数）—— 我们希望计算机综合这三个因素来生成预测结果。
在 “Choose Features” 按钮下方，有一个用于选择算法的下拉按钮，包含五个选项：Automatic（自动）、Random Forest（随机森林）、Boosted Tree（提升树）、Decision Tree（决策树）和 Linear Regression（线性回归）。每种算法分析数据的方式都不同，但好在有 “Automatic” 选项，它会尝试自动选择最合适的算法。虽然这个选项并非总能选出最优算法，而且会大幅限制可选算法的范围，但对于本项目来说，它已经足够好用了。
准备就绪后，点击窗口标题栏中的 “Train”（训练）按钮。由于我们使用的数据集规模较小，几秒钟后训练就会完成，界面上会出现一个大大的对勾，表示训练成功。
要查看训练结果，请选择 “Evaluation”（评估）标签页，然后选择 “Validation”（验证）选项，查看相关的结果指标。我们重点关注的指标是 “Root Mean Squared Error”（均方根误差），通常这个值会在 170 左右。这意味着，该模型预测的睡眠时长与实际睡眠时长的平均误差仅为 170 秒（约 3 分钟）。
提示： Create ML 会同时提供 “训练” 和 “验证” 相关的统计数据，这两项数据都很重要。当我们让 Create ML 使用数据进行训练时，它会自动将数据分成两部分：一部分用于训练机器学习模型，另一部分则预留出来用于验证。之后，Create ML 会使用验证数据来检验模型的效果：根据输入的特征值进行预测，然后将预测结果与数据集中的实际目标值进行对比，计算误差。
更值得一提的是，切换到 “Output”（输出）标签页，你会发现生成的模型文件大小仅为 545 字节左右。Create ML 将原本 180KB 大小的数据，压缩到了仅 545 字节 —— 几乎可以忽略不计。
虽然 545 字节听起来非常小，但需要说明的是，其中几乎所有字节都属于元数据：包括作者名称、所有字段的名称（wake、estimatedSleep、coffee、actualSleep）等。
而真正用于存储核心数据（即根据三个特征值预测所需睡眠时长的规则）的空间，还不到 100 字节。之所以能做到这一点，是因为 Create ML 并不关心数据的具体数值，只关注数值之间的关系。在训练过程中，计算机会进行数十亿次 CPU 运算，尝试为每个特征值分配不同的权重，找到能让预测结果最接近实际目标值的组合。一旦确定了最优算法，Create ML 就会将这个算法存储起来。
模型训练完成后，请点击 “Get”（获取）按钮，将模型导出到桌面，以便我们在代码中使用它。
提示： 如果你想重新训练模型（例如尝试使用不同的算法），可以右键点击左侧窗口中的模型源文件，然后选择 “Duplicate”（复制）。