Cocoa

Cocoa 是蘋果公司為 macOS 所建立的原生面向物件的應用程式介面，是 Mac OS X 上五大 API 之一（其它四個是 Carbon、POSIX、X11 和 Java）。

Cocoa 應用程式一般在蘋果公司的開發工具 Xcode（前身為）和 Interface Builder 上用 Objective-C 寫成。不過，透過 Java bridge、、、以及等橋接技術，Java、Clozure CL、、Object Pascal、Python、Perl、Ruby 等其它工具或者語言也可以用來開發 Cocoa 應用。也有一些其它語言的 Cocoa 實現無須橋接，比如蘋果公司開發的和類似 Lisp 的 Nu 語言。不使用 Xcode 和 Interface Builder，僅僅透過文字編輯器、GCC 和 GNU make 工具也可以用 Objective-C 語言開發 Cocoa 應用。

對終端使用者來說，使用 Cocoa 程式設計環境開發的應用程式即為 Cocoa 應用程式。這類應用有獨特的外觀，因為 Cocoa 程式設計環境讓程式在多方面自動遵循蘋果公司的。

Cocoa 歷史

Cocoa 是從 1980 年代由 NeXT 開發的程式設計環境 NeXTSTEP 和 OPENSTEP 演變而來，這點可由其類別之名皆以 NS 字首（代表 NeXTSTEP）看出端倪。蘋果電腦公司在 1996 年 12 月收購了 NeXT。開發 NeXTSTEP 和 OPENSTEP 的大量工作都轉化到了 Mac OS X 中，最顯而易見的部分當屬 Cocoa。但差異也存在。例如，NeXTSTEP 和 OPENSTEP 使用 Display PostScript 實現文字和圖形的螢幕顯示，而 Cocoa 依賴蘋果的 Quartz（基於 PDF 的繪圖模型）。

Cocoa 這個名詞曾經被用來稱呼一款幫助兒童建立多媒體工程的應用程式。隨後該應用停產。該名稱被用作現在的用途。

記憶體管理

Cocoa 環境的一個特點是它可以管理動態分配的記憶體。Cocoa 中絕大部分類的基類都是 NSObject，它實現了引用計數的記憶體管理模型。從 NSObject 繼承的類可以響應 retain 和 release 訊息，以增減其引用計數；也可以透過傳送 retainCount 訊息來獲取其引用計數。一個以 alloc，copy 或 Objective-C 2.0 中增加的 new 所建立的物件的引用計數為 1；向物件傳送 retain 訊息會將計數加 1，而傳送 release 訊息則會將計數減 1。若物件的引用計數減少到了 0，則它會被銷燬。dealloc 訊息類似於 C++ 中的解構函式，在物件被銷燬之前可能會被呼叫，但系統不保證會發送該訊息。這種引用計數的模型與微軟的 COM 中的 IUnknown 介面特性十分相似，它提供了 AddRef 和 Release 介面，與 retain 和 release 對應。

從 Objective-C 2.0 開始，Objective-C 執行時實現了可選的垃圾收集器。若垃圾收集的特性被啟用，則執行時會將引用計數相關的操作，例如 “retain” 和 “release”，變為無操作。iOS 上的 Objective-C 2.0 實現中不包含垃圾收集器。垃圾收集器執行在一個低優先順序的後臺執行緒中，並可以在使用者動作時暫停，從而保持良好的使用者體驗。

主要框架

Cocoa 包含三個主要的 Objective-C 物件庫，稱為 “框架”。框架的功能類似於動態庫，即可以在執行時動態的載入應用程式的地址空間，但框架作為一個捆綁而非獨立檔案，其中除了可執行程式碼外，也包含了資源，標頭檔案和文件。

“”，或簡稱為 “Foundation”，首先出現在 OpenStep 中。在 Mac OS X 中，它是基於的。作為通用的面向物件的函式庫，Foundation 提供了字串，數值的管理，容器及其列舉，分散式計算，事件迴圈，以及一些其它的與圖形使用者介面沒有直接關係的功能。其中用於類和常數的 “NS” 字首來自於 Cocoa 的來源，NeXTSTEP。它可以在 Mac OS X 和 iOS 中使用。
“”，或稱 AppKit（Application Kit）是直接衍生自 NeXTSTEP 的 AppKit 的。它包含了程式與圖形使用者介面互動所需的程式碼。它是基於 Foundation 建立的，也使用 “NS” 字首。它只能在 Mac OS X 中使用。
“使用者介面工具包”，或稱 UIKit（User Interface Kit），是用於 iOS 的圖形使用者介面工具包。與 AppKit 不同，它使用 “UI” 的字首。

Cocoa 構架的一個關鍵部分是其多樣的檢視模型。總體而言，它是基於由 Quartz 提供的 PDF 繪製模型的，該特性允許使用 PostScript 繪製自定義圖形內容，同時也自動的支援了印表機以及類似裝置。由於 Cocoa 框架管理了全部的繪圖操作，例如裁剪，滾動，縮放等，程式設計師可以不再重複實現基礎的功能，而可以集中於提供程式的關鍵功能上。

模型 - 檢視 - 控制器

施樂帕羅奧多研究中心的 Smalltalk 開發小組最終發明了一種可以簡化開發過程，提高程式碼重用率的設計哲學，即 “模型 - 檢視 - 控制器” 模式（MVC）。這種模式將應用程式分為三個可以互動的物件集，即模型，檢視和控制器。其中，模型類代表原始資料，例如文件、設定、檔案、記憶體中的物件等，檢視是模型中資料的視覺化表現，而控制器類則包含了將模型和其對應檢視連線起來的邏輯，並保持前二者的狀態同步。

Cocoa 的設計遵循了嚴格的 MVC 原則。在 OpenStep 下，絕大多數的類要麼是高層的檢視類（AppKit），或者是相對底層的模型類（Foundation）。與類似的 MVC 系統相比，OpenStep 沒有強的模型層，例如它不包含表示 “文件” 的儲存類。在向 Cocoa 遷移的過程中，模型層被大大擴充套件了，引入了一系列的類，它們提供了一些桌面程式所需的常用功能。

在 Mac OS X 10.3 中，蘋果引入了 NSController 系列類以提供預定義的控制器層。這些類是 Cocoa 繫結系統的一部分，該系統也允許使用類似鍵 - 值 - 觀測器和鍵 - 值 - 繫結協議來對其進行擴充套件。其中，“繫結” 的概念表明兩個物件（通常是檢視和控制器）之間的關係。繫結使得開發者可以集中於定義這種關係，而不是編寫大量的 “膠水程式碼” 來實現這些關係。

在 Mac OS X 10.4 中，蘋果引入了 Core Data 框架，進一步擴充套件了這種概念。Core Data 標準化了對更改的追蹤和模型層的儲存行為。因此，該框架大大簡化了改變應用程式資料，撤銷更改，在磁碟中儲存和讀取資料的過程。

透過提供對 MVC 模型中全部 3 層的框架支援，蘋果的目的在於減少程式設計師所需編寫的 “膠水程式碼” 量，以解放這些資源而用於程式的真正特性。

動態繫結

在多數面向物件的程式語言中，呼叫方法是由直接呼叫記憶體中一段固定的程式碼實現的。由於這種方法需要預定義的處理命令的類，因而限制了程式的設計，通常採用責任鏈模式作為其設計模式。雖然 Cocoa 在多數地方仍然採用這種方式，但透過 Objective-C 的動態繫結特性增加了更多設計的自由性。

在 Objective-C 中，訊息由 selector 所代表，其為描述需要呼叫的方法的一個字串。在傳送訊息時，該 selector 被送入 Objective-C 執行時中，在可用方法列表中尋找對應的方法，然後呼叫該方法的實際實現。由於 selector 只是文字資料，因此它可以儲存在檔案中，透過網路或在程序間傳輸，或以其它方式進行操作。方法的實現是在執行時查詢的，而非編譯時。這樣的做法會造成一些效能損失，但動態繫結允許相同的 selector 代表不同的實現。

利用這些特性，Cocoa 提供了一種通用的資料管理技術，稱為鍵 - 值編碼 (KVC)。這種技術允許物件的資料或屬性可以在執行時透過其鍵名進行查詢，其中，屬性的名稱即為其值的鍵名。在靜態語言中，這樣的做法是不可能的。KVC 大大的增加了設計的自由度：透過 KVC，無需知道物件的型別即可訪問其屬性或資料。另外，利用鍵 - 值 - 觀測器（KVO）技術和 NSUndoManager 類，可以提供自動的撤銷 / 重做支援。

Rich objects

Cocoa 中最有用的特性是系統提供的強大的 “基礎物件”，例如 Foundation 中的 NSString 和 NSAttributedString 類，提供了 Unicode 字串的支援；而 AppKit 中的 NSText 系統則允許程式設計師在 GUI 中放置字串物件。

NSText 及其相關類是用於顯示和編輯字串的。這些物件允許程式實現簡單的單行文字框，也可以實現完整的多頁，多欄文字顯示方案

，方案同時可以提供支援完整的專業排版特性，例如，合字，環繞形狀的文字，旋轉，完整的 Unicode 支援和反鋸齒字形渲染。段落格式可以自動控制或由使用者自定義；可以使用內建的 “ruler” 物件附加到任何文字檢視上。這些類也有自動拼寫檢查特性，該特性使用一個由所有程式共享的字典。另外，也允許無限制數量的撤銷 / 重做操作。只使用內建的特性，任何人都可以只用不到 10 行程式碼寫出一個具備上述特性的文字編輯器，而若使用 Cocoa 繫結，甚至可以不用寫一行程式碼。

若需要對已有特性進行擴充套件，Objective-C 中的類別特性使得這項操作變得相當容易。透過類別可以直接對已有類進行功能新增，而無需對其進行更改或獲得其原始碼。一般而言，這樣的目的需要透過繼承原有的類並修改原有的程式碼，將原有的類以新的子類代替來完成。

實現

Cocoa 本身由 Objective-C 語言寫成，因此 Objective-C 是開發 Cocoa 應用的首選語言。雖然也提供 Java 到 Cocoa 的繫結，但是在開發者中並未得到廣泛採用。而且，由於使用橋接機制，Java 的繫結並不能全面利用 Cocoa 的所有功能。2005 年，蘋果公司宣佈 Java 的 Cocoa 繫結在 Mac OS X 10.4 和之後版本中屬被廢棄的技術。換句話說，Cocoa API 中可能會逐漸出現不支援 Java 的功能。

作為 Xcode 一部分的 AppleScript Studio 工具允許使用者和開發者用 AppleScript 編寫一些簡單的 Cocoa 應用。第三方實現的繫結有 Clozure CL、LispWorks、PyObjC（Python）、RubyCocoa（Ruby）、CamelBones（Perl）、Cocoa#、Monobjc（C#）和 NObjective（C#）。Nu 語言直接使用 Objective-C 的物件模型，所以無須繫結就可以呼叫 Cocoa API。

也有開源專案把 Cocoa 的大部分在其它作業系統上實現（包括 Windows），從而使開發跨平臺的 Cocoa 應用成為可能。比如 GNUstep 和 Cocotron。