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Kotlin 中的 Lambda 与 Inline

在Kotlin中,有很多很酷很实用的特性,比如Lambda和高阶函数,利用这些特性,我们可以更加快速的实现开发,提升效率。

比如我们实现一个捕获Throwable,安全执行部分代码的高阶函数

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fun safeRun(runnable: () -> Unit) {
    try {
        runnable()
    } catch (t: Throwable) {
        t.printStackTrace()
    }
}

fun testNormalSafeRun() {
    safeRun {
        System.out.println("testNormalSafeRun")
    }
}

由于Kotlin默认是面向JDK 6,而Java 8 才引入Lambda表达式支持,Kotlin实际上是将Lambda翻译成了匿名内部类的实现形式。所以当我们反编译上面的代码,得到的如下的代码

Lambda被翻译成的class文件

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static final class InlineSampleKt.testNormalSafeRun.1
extends Lambda
implements Function0<Unit> {
    public static final InlineSampleKt.testNormalSafeRun.1 INSTANCE = new /* invalid duplicate definition of identical inner class */;

    public final void invoke() {
        System.out.println("testNormalSafeRun");
    }

    InlineSampleKt.testNormalSafeRun.1() {
    }
}

Lambda表达式被调用处的代码

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public final class InlineSampleKt {
    public static final void safeRun(@NotNull Function0<Unit> runnable) {
        Intrinsics.checkParameterIsNotNull(runnable, (String)"runnable");
        try {
            runnable.invoke();
        }
        catch (Throwable t) {
            t.printStackTrace();
        }
    }

    public static final void testNormalSafeRun() {
        InlineSampleKt.safeRun(testNormalSafeRun.1.INSTANCE);
    }
}

上面的 Lambda 表达式 比较简单,那是因为

  • Lambda 表达式仅仅使用了一次
  • Lambda 表达式未捕获外部的变量

为了更深入的研究,我们尝试一下更加复杂的情况

  • Lambda 表达式会多次调用
  • Lambda 表达式捕获外部的变量

这里我们使用下面的代码,实现一个多次调用捕获外部变量的 Lambda 表达式的调用。

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fun toManyLambdaCalls() {
    for (i in 0..100) {
        safeRun {
            System.out.println("toManyLambdaCalls currentCount=$i")
        }
    }
}

上面的Lambda 表达式 捕获了外部的变量i,同时执行了很多次。

我们反编译上述的代码,得到的类似的Java实现代码如下

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public static final void toManyLambdaCalls() {
        int n = 0;
        int n2 = 100;
        while (n <= n2) {
            void i;
            InlineSampleKt.safeRun((Function0<Unit>)((Function0)new Function0<Unit>((int)i){
                final /* synthetic */ int $i;

                public final void invoke() {
                    System.out.println("toManyLambdaCalls currentCount=" + this.$i);
                }
                {
                    this.$i = n;
                    super(0);
                }
            }));
            ++i;
        }
    }

在上面的代码中

  • Lambda 表达式 翻译成的Function0 的实例被创建了近101多次,生成101个Fuction0 实例
  • 由于Lambda 表达式捕获了外部的变量,生成的Fuction0类 接受变量作为参数

上述代码存在的性能问题

  • Function0 实例创建过多,而这些实例大多数会很快被回收,造成短时间内GC压力增大
  • 次数过多的方法调用(Function0构造方法和invoke方法),造成一定的耗时

显然,这种实现,我们不能接受的。

inline

好在Kotlin提供了,处理上面问题的方法,这就是所谓的inline 关键字。如下,

  • 我们使用inline修饰safeRunInlined方法
  • testInlinedSafeRun 中调用 safeRunInlined 方法
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inline fun safeRunInlined(runnable: () -> Unit) {
    try {
        runnable()
    } catch (t: Throwable) {
        t.printStackTrace()
    }
}


fun testInlinedSafeRun() {
    safeRunInlined {
        System.out.println("testInlinedSafeRun")
    }
}

再次我们反编译上面的Kotlin代码,得到对应的Java 代码。

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public static final void safeRunInlined(@NotNull Function0 runnable) {
      int $i$f$safeRunInlined = 0;
      Intrinsics.checkParameterIsNotNull(runnable, "runnable");

      try {
         runnable.invoke();
      } catch (Throwable var3) {
         var3.printStackTrace();
      }

   }

   public static final void testInlinedSafeRun() {
      boolean var0 = false;

      try {
         int var1 = false;
         System.out.println("testInlinedSafeRun");
      } catch (Throwable var2) {
         var2.printStackTrace();
      }

   }

我们分析上述代码发现,testInlinedSafeRun 的方法体包含了

  • safeRunInlined 的方法体
  • Lambda 表达式的内容

是的,inline 的作用就是把上面两项的内容,提取到调用处 testInlinedSafeRun 中。通过这种形式,避免了最一开始的类实例生成的问题了。

When Lambada meets return

自从了解了 Lambda 可以被inline后,我们貌似可以自由自在地使用它。然而事实或许不是这样,比如我们看一下这段代码。

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inline fun higherOrderFunctionFirst(runnable: () -> Unit) {
    System.out.println("higherOrderFunction.before")
    runnable()
    System.out.println("higherOrderFunction.after")
}



fun testLambdaReturn() {
    higherOrderFunctionFirst {
        System.out.println("testLambdaReturn")
        return
    }

}

上面的代码我们执行预期的输出应该是这样

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higherOrderFunction.before
testLambdaReturn
higherOrderFunction.after

然后实际的执行结果却有点事与愿违

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higherOrderFunction.before
testLambdaReturn

原因还是发生了inline,higherOrderFunctionFirst的执行因为runnable中的return,造成了该方法的返回。

解决方法也比较简单,就是不直接使用return,而是使用指定label的return方式

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fun testLambdaReturn() {
    higherOrderFunctionFirst {
        System.out.println("testLambdaReturn")
        return@higherOrderFunctionFirst //valid
    }

}

解决了上面的问题,我们还需要带出一个技术概念,就是控制流。

control flow 控制流

维基百科中的英文定义

In computer science, control flow (or flow of control) is the order in which individual statements, instructions or function calls of an imperative program are executed or evaluated.

对应的中文意思是 在计算机科学中,控制流是单个语句(指令,或命令式编程中函数调用)的执行顺序。

local control flow 本地控制流

本地控制流和上面的功能描述一致,只是限定了范围为方法内部。比如下面的代码

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fun testControlFlow() {
    functionA()
    functionB()
    functionC()
    //..... other code
}

如果上面的方法遵循本地控制流,则functionA,functionBfunctionC依次执行,但是存在违背本地控制流的情况,即非本地控制流(Non local control flow),常见的有

  • inline 的 Lambda 表达式含有return
  • 上述的functionAfunctionBfunctionC发生未捕获异常
  • 协程也会导致 Non local control flow出现

对于Lambda中的return,除了上述的解决方法,还有下面两种解决方法

noinline

  • noinline 用来限定 lambda表达式
  • noinline 强制lambda表达式 不进行inline处理,对应的方式就是翻译成内部类实现。
  • noinline 需要配合inline使用

使用示例如下

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inline fun bigHigherOrderFunction(firstRunnable: () -> Unit, noinline secondRunnable: () -> Unit, thirdRunnable: () -> Unit) {
    firstRunnable()
    secondRunnable()
    thirdRunnable()
}

fun testNoInline() {
    bigHigherOrderFunction({
        System.out.println("firstRunnable")
    }, {
        System.out.println("secondRunnable")
        //return //not allowed if the lambda is noinlined
    }, {
        System.out.println("thirdRunnable")
    })
}

反编译验证一下。

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public final class NoinlineSampleKt {
   public static final void bigHigherOrderFunction(@NotNull Function0 firstRunnable, @NotNull Function0 secondRunnable, @NotNull Function0 thirdRunnable) {
      int $i$f$bigHigherOrderFunction = 0;
      Intrinsics.checkParameterIsNotNull(firstRunnable, "firstRunnable");
      Intrinsics.checkParameterIsNotNull(secondRunnable, "secondRunnable");
      Intrinsics.checkParameterIsNotNull(thirdRunnable, "thirdRunnable");
      firstRunnable.invoke();
      secondRunnable.invoke();
      thirdRunnable.invoke();
   }

   public static final void testNoInline() {
      Function0 secondRunnable$iv = (Function0)null.INSTANCE;
      int $i$f$bigHigherOrderFunction = false;
      int var2 = false;
      System.out.println("firstRunnable");
      secondRunnable$iv.invoke();
      var2 = false;
      System.out.println("thirdRunnable");
   }

注意,对于不进行inline处理的 lambda 表达式中 不允许使用return。

crossinline

但是我们使用了上面的noinline,可能还是担心一些性能问题,好在这里,还有一个叫做crossinline的东西。

  • crossinline 需要配合inline一起起作用
  • crossinline 限定的 lambda 不允许使用return,避免了non local control flow问题

使用示例

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//crossinline必须和inline结合使用
inline fun higherOrderFunctionCrossline(crossinline runnable: () -> Unit) {
    runnable()
}

fun testCrossline() {
    higherOrderFunctionCrossline {
        System.out.println("testCrossline")
//        return  not allowed here
    }
}

再次反编译验证代码

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public static final void higherOrderFunctionCrossline(@NotNull Function0 runnable) {
      int $i$f$higherOrderFunctionCrossline = 0;
      Intrinsics.checkParameterIsNotNull(runnable, "runnable");
      runnable.invoke();
   }

   public static final void testCrossline() {
      int $i$f$higherOrderFunctionCrossline = false;
      int var1 = false;
      System.out.println("testCrossline");
}

Kotlin inline与 JIT inline的区别

提到inline,听说过的朋友可能第一个想到的是 JIT 的 inline。JIT inline 是JVM虚拟机提供的运行时的一种优化方式。

来一段代码举例来说

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public int add(int x, int y) {
  return x + y;
}

public void testAdd() {
  //some code here
  int result = add(a, b);
}

当JVM的JIT编译决定将add方法执行inline操作后,testAdd的方法实现会变成类似这样

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public void testAdd() {
  int result = a + b;
}

即 将add的方法体实现提取到调用处(testAdd方法中)。inline带来的好处也不言而喻,那就是减少了方法调用产生的进栈和出栈操作,提升运行时的效率。

Kotlin的inline作用和JIT inline大体差不多,稍有一些不同

  • Kotlin的inline发生在编译时,而不是运行时
  • Kotlin的inline可以明确指定,而jit inline则无法指定发生。

inline 带来的其他问题 can not access private variable

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private val aPrivateValue = "A Private Value"

internal val internalValue = "Internal Value"

@PublishedApi
internal  val taskId = "1"

val publicValue = ""

var publicVariable = ""

inline fun beToInlinedMethod(runnable: () -> Unit) {
    //aPrivateValue //Public-API inline function cannot access non-public-API
    // 'private val aPrivateValue: String' defined in root package in file InlineAccessPrivateMember.kt

//  internalValue  同样也报错上面的错误

    taskId

    publicValue

    publicVariable
}

上面的beToInlinedMethod 无法访问声明在同一文件中的aPrivateValueinternalValue,因为

  • beToInlinedMethod的方法体很有可能被提取到别的模块的方法中
  • 而private 只能在定义的文件中访问
  • internal 只能限定在同一模块访问

解决访问有很多

  • 使用上面的public,默认的访问限定符就是public
  • 也可以使用更加推荐的,internal 加上 @PublishedApi 注解的方式。

注:反编译代码受工具影响,可能有些微问题,但不影响总体理解。

涉及与延展内容

References