技术小黑屋

研究学习Kotlin的一些方法

Kotlin是一门让人感到很舒服的语言，相比Java来说，它更加简洁，省去了琐琐碎碎的语法工作，同时了提供了类似Lambda,String template,Null Safe Operator等特性。让开发者用起来得心应手。

普通的Java/Android程序员通常只需要很短的时间就能快速使用Kotlin。综合Kotlin的诸多优点，加上Flipboard美国团队自2015年已引入Kotlin，Flipboard中国团队也已经开始采用Kotlin来作为Android主要开发语言。

虽然Kotlin使用简单快捷，然而由于自己的深入研究的习惯导致每接触到Kotlin的新功能，就马不停蹄的研究它的本质，这里总结一下关于如何研究Kotlin的一些方法来快速研究掌握Kotlin。

到底研究什么

比如Kotlin中提供了一种类型叫做Object，使用它我们可以快速实现单例模式的应用。代码特别的简单

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object AppSettings {

}

那么问题来了，kotlin这个object类型的类是如何实现的呢，Null安全操作符的实现原理，Lambda表达式是基于内部类还是真正的Lambda，这些问题就是我们要研究的对象。

怎么研究

  • Kotlin和Java都是运行在JVM上，但是实际上JVM并不认识Java和Kotlin，因为它只和bytecode（即class文件）打交道。
  • 因而通过研究bytecode，我们是可以了解Kotlin的一些深入原理的
  • 由于同一份bytecode反编译成java和kotlin文件是等价的，所以将kotlin编译后的class文件反编译成Java，也是具有参考和研究价值的。

实践方法有哪些

  • 利用Kotlin插件
  • 利用kotlinc,javap等工具

一些实践

Null Safe Operator实现原理

在Java中，我们经常会遇到空指针的问题，Kotlin特意增加了一个空指针安全操作符?。使用起来如下

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fun testNullSafeOperator(string: String?) {
    System.out.println(string?.toCharArray()?.getOrNull(10)?.hashCode())
}

当我们进行这样的调用时

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testNullSafeOperator(null)
testNullSafeOperator("12345678901")
testNullSafeOperator("123")

得到的输出结果为

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null
49
null

从结果可见，并没有像Java那样抛出NullPointerException，而是遇到空指针则不继续执行了。

那么Kotlin的这个空指针安全操作符是如何工作的呢，我们可以借助IntelliJ IDE的Kotlin插件来辅助我们研究，步骤如下

1.使用IntelliJ IDE打开一个待研究的Kotlin文件(需确保Kotlin插件已安装)

2.按照下图依次点击至Show Kotlin Bytecode Show kotlin bytecode

3.上面的步骤操作后，会得到这样的bytecode

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// access flags 0x19
  public final static testNullSafeOperator(Ljava/lang/String;)V
    @Lorg/jetbrains/annotations/Nullable;() // invisible, parameter 0
   L0
    LINENUMBER 11 L0
    GETSTATIC java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;
    ALOAD 0
    DUP
    IFNULL L1   //对string字符串判空
    INVOKESTATIC kotlin/text/StringsKt.toCharArray (Ljava/lang/String;)[C
    DUP
    IFNULL L1  //对CharArray判空
    BIPUSH 10
    INVOKESTATIC kotlin/collections/ArraysKt.getOrNull ([CI)Ljava/lang/Character;
    DUP
    IFNULL L1  //对Char判空
    INVOKEVIRTUAL java/lang/Object.hashCode ()I
    INVOKESTATIC java/lang/Integer.valueOf (I)Ljava/lang/Integer;
    GOTO L2
   L1
    POP
    ACONST_NULL
   L2
    INVOKEVIRTUAL java/io/PrintStream.println (Ljava/lang/Object;)V
   L3
    LINENUMBER 12 L3
    RETURN
   L4
    LOCALVARIABLE string Ljava/lang/String; L0 L4 0
    MAXSTACK = 3
    MAXLOCALS = 1
}

由字节码分析可见，其实所谓的空指针安全操作符其实内部就是以此判空来确保不出现空指针，如果字节码不好理解，那我们使用上面的Decompile功能，将bytecode转成Java，如图操作 kotlin bytecode decompile

反编译后得到的Java代码为

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public static final void testNullSafeOperator(@Nullable String string) {
      PrintStream var10000;
      Integer var5;
      label18: {
         var10000 = System.out;
         if(string != null) {
            PrintStream var2 = var10000;
            if(string == null) {
               throw new TypeCastException("null cannot be cast to non-null type java.lang.String");
            }

            char[] var4 = ((String)string).toCharArray();
            Intrinsics.checkExpressionValueIsNotNull(var4, "(this as java.lang.String).toCharArray()");
            char[] var3 = var4;
            var10000 = var2;
            if(var3 != null) {
               Character var10001 = ArraysKt.getOrNull(var3, 10);
               if(var10001 != null) {
                  var5 = Integer.valueOf(var10001.hashCode());
                  break label18;
               }
            }
         }

         var5 = null;
      }

      var10000.println(var5);
   }

这样读起来是不是更加容易理解呢。

Object类型研究

这里我们回到Object类型，还是再举个例子看看如何使用

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//这是定义
object AppSettings {
    fun updateConfig() {
        //do some updating work
    }
}

关于应用也很简单

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//在Kotlin文件中调用
AppSettings.updateConfig()

//在Java文件中调用
AppSettings.INSTANCE.updateConfig();

我们先看一下AppSettings的字节码文件

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// ================AppSettings.class =================
// class version 50.0 (50)
// access flags 0x31
public final class AppSettings {
  // access flags 0x11
  public final updateConfig()V
   L0
    LINENUMBER 7 L0
    RETURN
   L1
    LOCALVARIABLE this LAppSettings; L0 L1 0
    MAXSTACK = 0
    MAXLOCALS = 1

  // access flags 0x2
  private <init>()V
   L0
    LINENUMBER 4 L0
    ALOAD 0
    INVOKESPECIAL java/lang/Object.<init> ()V
    ALOAD 0
    CHECKCAST AppSettings
    PUTSTATIC AppSettings.INSTANCE : LAppSettings;
    RETURN
   L1
    LOCALVARIABLE this LAppSettings; L0 L1 0
    MAXSTACK = 1
    MAXLOCALS = 1

  // access flags 0x19
  public final static LAppSettings; INSTANCE

  // access flags 0x8
  static <clinit>()V
   L0
    LINENUMBER 4 L0
    //静态代码块中实例化，即类加载时便开始实例化
    NEW AppSettings
    INVOKESPECIAL AppSettings.<init> ()V
    RETURN
    MAXSTACK = 1
    MAXLOCALS = 0

  @Lkotlin/Metadata;(mv={1, 1, 5}, bv={1, 0, 1}, k=1, d1={"\u0000\u0012\n\u0002\u0018\u0002\n\u0002\u0010\u0000\n\u0002\u0008\u0002\n\u0002\u0010\u0002\n\u0000\u0008\u00c6\u0002\u0018\u00002\u00020\u0001B\u0007\u0008\u0002\u00a2\u0006\u0002\u0010\u0002J\u0006\u0010\u0003\u001a\u00020\u0004\u00a8\u0006\u0005"}, d2={"LAppSettings;", "", "()V", "updateConfig", "", "production sources for module KotlinObject"})
  // compiled from: AppSettings.kt
}

由此可见，Kotlin的object也就是Java的单例模式的实现，在静态代码块初始化实例。如果字节码没有看懂的话，可以尝试反编译成Java代码来详细研究。

Lambda表达式研究

除此之外，Kotlin也是支持了Lambda表达式的。由于并非所有的JVM版本都支持invokedynamic（Lambda表达式依赖的字节码指令），比如Java 6的JVM，这其中就包含了许多安卓设备。所以我们怀疑Kotlin可能是像Scala那样将lambda表达式转换成了匿名内部类。

一个简单的Lambda表达式例子

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class Test {
    fun testObservable() {
        val observable = Observable()
        observable.addObserver { o, arg ->
            System.out.println("$o $arg")
        }
    }
}

我们使用插件同样查看bytecode

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// ================Test.class =================
// class version 50.0 (50)
// access flags 0x31
public final class Test {


  // access flags 0x11
  public final testObservable()V
   L0
    LINENUMBER 8 L0
    NEW java/util/Observable
    DUP
    INVOKESPECIAL java/util/Observable.<init> ()V
    ASTORE 1
   L1
    LINENUMBER 9 L1
    ALOAD 1
    GETSTATIC Test$testObservable$1.INSTANCE : LTest$testObservable$1;  //这里就是使用了匿名内部类(常常包含$字符)
    CHECKCAST java/util/Observer
    INVOKEVIRTUAL java/util/Observable.addObserver (Ljava/util/Observer;)V
   L2
    LINENUMBER 12 L2
    RETURN
   L3
    LOCALVARIABLE observable Ljava/util/Observable; L1 L3 1
    LOCALVARIABLE this LTest; L0 L3 0
    MAXSTACK = 2
    MAXLOCALS = 2

  // access flags 0x1
  public <init>()V
   L0
    LINENUMBER 6 L0
    ALOAD 0
    INVOKESPECIAL java/lang/Object.<init> ()V
    RETURN
   L1
    LOCALVARIABLE this LTest; L0 L1 0
    MAXSTACK = 1
    MAXLOCALS = 1

  @Lkotlin/Metadata;(mv={1, 1, 5}, bv={1, 0, 1}, k=1, d1={"\u0000\u0012\n\u0002\u0018\u0002\n\u0002\u0010\u0000\n\u0002\u0008\u0002\n\u0002\u0010\u0002\n\u0000\u0018\u00002\u00020\u0001B\u0005\u00a2\u0006\u0002\u0010\u0002J\u0006\u0010\u0003\u001a\u00020\u0004\u00a8\u0006\u0005"}, d2={"LTest;", "", "()V", "testObservable", "", "production sources for module KotlinObject"})
  // access flags 0x18
  final static INNERCLASS Test$testObservable$1 null null
  // compiled from: Space.kt
}


// ================Test$testObservable$1.class =================
// class version 50.0 (50)
// access flags 0x30
//生成的匿名内部类，规则为  当前的类名$当前的方法名$匿名内部类序号
final class Test$testObservable$1 implements java/util/Observer  {


  // access flags 0x11
  public final update(Ljava/util/Observable;Ljava/lang/Object;)V
   L0
    LINENUMBER 10 L0
    GETSTATIC java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;
    NEW java/lang/StringBuilder
    DUP
    INVOKESPECIAL java/lang/StringBuilder.<init> ()V
    ALOAD 1
    INVOKEVIRTUAL java/lang/StringBuilder.append (Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/StringBuilder;
    LDC " "
    INVOKEVIRTUAL java/lang/StringBuilder.append (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
    ALOAD 2
    INVOKEVIRTUAL java/lang/StringBuilder.append (Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/StringBuilder;
    INVOKEVIRTUAL java/lang/StringBuilder.toString ()Ljava/lang/String;
    INVOKEVIRTUAL java/io/PrintStream.println (Ljava/lang/String;)V
   L1
    LINENUMBER 11 L1
    RETURN
   L2
    LOCALVARIABLE this LTest$testObservable$1; L0 L2 0
    LOCALVARIABLE o Ljava/util/Observable; L0 L2 1
    LOCALVARIABLE arg Ljava/lang/Object; L0 L2 2
    MAXSTACK = 3
    MAXLOCALS = 3

  // access flags 0x0
  <init>()V
    ALOAD 0
    INVOKESPECIAL java/lang/Object.<init> ()V
    RETURN
    MAXSTACK = 1
    MAXLOCALS = 1

  // access flags 0x19
  public final static LTest$testObservable$1; INSTANCE

  // access flags 0x8
  static <clinit>()V
    NEW Test$testObservable$1
    DUP
    INVOKESPECIAL Test$testObservable$1.<init> ()V
    PUTSTATIC Test$testObservable$1.INSTANCE : LTest$testObservable$1;
    RETURN
    MAXSTACK = 2
    MAXLOCALS = 0

  @Lkotlin/Metadata;(mv={1, 1, 5}, bv={1, 0, 1}, k=3, d1={"\u0000\u0016\n\u0000\n\u0002\u0010\u0002\n\u0000\n\u0002\u0018\u0002\n\u0002\u0008\u0002\n\u0002\u0010\u0000\n\u0000\u0010\u0000\u001a\u00020\u00012\u000e\u0010\u0002\u001a\n \u0004*\u0004\u0018\u00010\u00030\u00032\u000e\u0010\u0005\u001a\n \u0004*\u0004\u0018\u00010\u00060\u0006H\n\u00a2\u0006\u0002\u0008\u0007"}, d2={"<anonymous>", "", "o", "Ljava/util/Observable;", "kotlin.jvm.PlatformType", "arg", "", "update"})
  OUTERCLASS Test testObservable ()V
  // access flags 0x18
  final static INNERCLASS Test$testObservable$1 null null
  // compiled from: Space.kt
}

分析字节码可以看到有两个class文件，因此可以推断出Kotlin的Lambda表达式目前是一种基于内部类的语法糖实现。

除此之外，我们还可以使用kotlinc(Kotlin编译器来验证)

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kotlinc Test.kt

执行完成后，查看生成的class文件

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ls | grep ^Test
Test$testObservable$1.class
Test.class
Test.kt

当然，我们还可以使用javap同样实现查看bytecode的功能，即javap -c className，具体操作可以参考这篇文章Java细节：字符串的拼接

关于Lambda的具体研究，请参考这篇文章深入探索Java 8 Lambda表达式

除此之外，我们还可以利用上面的方法研究如下Kotlin的特性

  • lazy初始化
  • when表达式
  • 方法引用

关于Kotlin的研究方法目前就是这些，Kotlin很简单，但也要知其所以然，方能游刃有余编码。希望大家可以尝试Kotlin，并玩的开心。





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