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Kotlin 朱涛-3 原理 编译器 反编译 字节码

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03 | Kotlin 原理：编译器在幕后干了什么

Kotlin 的编译流程

Kotlin 代码在运行之前，要先经过 Kotlin 编译器 的编译，编译后会变成 Java 字节码。

Kotlin 和 Java 能够兼容的原因就在于，它们用的都是 Java 字节码。

如何研究 Kotlin 代码

两种方法

  • 直接研究 Kotlin 编译后的字节码
  • 将 Kotlin 转换成字节码后，再将字节码 反编译成等价的 Java 代码
println("Hello world.")

LDC "Hello world."
INVOKESTATIC kotlin/io/ConsoleKt.println (Ljava/lang/Object;)V

String var0 = "Hello world.";
System.out.println(var0);

IDEA 反编译步骤

  • 打开 Kotlin 源文件，例如 xxx.kt
  • 点击菜单栏 Tools -> Kotlin -> Show Kotlin Bytecode，这时候右边窗口中就可以直接展示对应的字节码
  • 点击右边窗口中的 Decompile，这时会打开一个新窗口，用来展示反编译出来的 Java 代码 xxx_decompiled.java

分析 Kotlin 中的基础类型

问题：Kotlin 在 语法层面 摒弃了原始类型，难道就不担心由此带来的性能问题吗？

Kotlin 源码

下面这段代码的思路，是将 Kotlin 的 Long 类型所有可能的使用情况都列举出来，然后去研究反编译后对应的 Java 代码。

// 用 val 定义可为空、不可为空的 Long，并且赋值
val a: Long = 1L
val b: Long? = 2L

// 用 var 定义可为空、不可为空的 Long，并且赋值
var c: Long = 3L
var d: Long? = 4L

// 用 var 定义可为空的 Long，先赋值，然后改为 null
var e: Long? = 5L
e = null

// 用 val 定义可为空的 Long，直接赋值 null
val f: Long? = null

// 用 var 定义可为空的 Long，先赋值 null，然后赋值数字
var g: Long? = null
g = 6L

Java 源码

反编译后的 Java 代码

long a = 1L;
long b = 2L;

long c = 3L;
long d = 4L;

Long e = 5L;
e = (Long)null;

Long f = (Long)null;

Long g = (Long)null;
g = 6L;

源码分析

a、b、c、d 被转换成了 Java 的原始类型 long

  • a、c：因为它们的类型是不可为空的，所以 Kotlin 编译器会直接将它们优化成原始类型
  • b、d：它们的类型虽然可能为空，但是编译器对上下文分析后发现，他们不存在变成 null 的情况，所以也会将它们优化成原始类型

e、f、g 被转换成了 Java 里的包装类型 Long

  • 因为它们都被赋值过 null，所以 Kotlin 无法将它们优化成原始类型，因为 Java 中只有对象才能被赋值为 null

总结：

  • 只要基础类型的变量可能为空，那么这个变量就会被转换成 Java 的包装类型
  • 只要基础类型的变量不可能为空，那么这个变量就会被转换成 Java 的原始类型

分析 Kotlin 接口的新特性

Kotlin 接口有两个新特性：支持成员属性、支持方法默认实现。

下面就来分析下 Kotlin 接口语法的实现原理，从而找出它的局限性。

Kotlin 接口源码分析

interface Behavior {
    val canWalk: Boolean  // 接口内可以有成员属性，但不能赋初值：Property initializers are not allowed in interfaces
    fun walk() {          // 接口方法可以有默认实现
        if (canWalk) {
            println(canWalk)
        }
    }
}

public interface Behavior {
   boolean getCanWalk();  // 接口的成员属性变成了普通的接口方法
   void walk();           // 接口方法的默认实现消失了

   // 多了一个静态内部类，接口方法的默认实现被放到了静态内部类当中去了
   public static final class DefaultImpls {
      public static void walk(Behavior $this) {
         if ($this.getCanWalk()) {
            boolean var1 = $this.getCanWalk();
            System.out.println(var1);
         }
      }
   }
}
  • Kotlin 接口的 成员属性 本质上并不是一个真正的属性，当转换成 Java 以后，就变成了一个普通的接口方法
  • Kotlin 接口中 方法的默认实现，本质上也没有直接提供实现的代码，而只是在接口当中定义了一个静态内部类，然后将默认实现的代码放到了静态内部类当中去了

Kotlin 接口实现类源码分析

class Man: Behavior {                     // 实现 Behavior 接口
    override val canWalk: Boolean = true  // 重写 canWalk 属性
}

public final class Man implements Behavior {
   private final boolean canWalk = true;

   public boolean getCanWalk() {         // 同样，接口的成员属性变成了普通的接口方法
      return this.canWalk;               // 返回的是它内部 canWalk 属性的值
   }

   public void walk() {                 // 最终还是实现了接口当中的方法
      Behavior.DefaultImpls.walk(this); // 默认实现转到了接口的静态内部类中
   }
}

Kotlin 接口实现类调用逻辑

private fun testInterface() {
    val man = Man()
    man.walk()
    man.canWalk
}

private static final void testInterface() {
   Man man = new Man();
   man.walk();          // 调用方法保持不变
   man.getCanWalk();    // 调用属性也变成了调用方法
}

总结

  • 箭头①：Kotlin 接口属性，实际上会被当中接口方法来看待
  • 箭头②：Kotlin 接口默认实现，实际上还是一个普通的方法
  • 箭头③：Kotlin 接口默认实现的逻辑，被放在了静态内部类中
  • 箭头④：Kotlin 接口的实现类中，接口属性被转化成了一个接口方法
  • 箭头⑤：Kotlin 接口的实现类中，仍然会实现接口默认实现的方法，并且执行流程转给了接口的静态内部类

因此，Kotlin 接口中的属性，它既不能真正存储任何状态，也不能被赋予初始值，因为它本质上还是一个接口方法。

接口属性如果被赋予了初始值，会提示：Property initializers are not allowed in interfaces
接口属性如果没被实现类重写，会提示：Class xxx is not abstract and does not implement abstract member xxx

在 Kotlin 接口中定义类似 Java 中的 public static final 常量，需要使用伴生对象，否则会提示：

Const 'val' are only allowed on top level, in named objects, or in companion objects

interface Behavior {
    companion object { // 在接口中定义常量
        const val CAN_WALK = true
    }
}

小结

Kotlin 的每一个语法，最终都会被翻译成对应的 Java 字节码。所有 Kotlin 的新特性，最终都被转换成了一种 Java 能认识的语法。

正是因为 Kotlin 编译器在背后做的这些翻译工作，才可以让我们写出的 Kotlin 代码更加简洁、更加安全。

  • 类型推导：编译器会将省略的变量类型，补充回来
  • 原始类型：编译器会根据每一个变量的可空性，将它们转换成原始类型或者包装类型
  • 字符串模板：编译器会将字符串模板转换成 Java 拼接的形式
  • when 表达式：编译器会其转换成 switch case 语句 --- 或 if else 语句
  • 类默认 public：编译器会将省略的 public 补充回来
  • 嵌套类默认 static：编译器会给 Kotlin 中的嵌套类，默认添加 static 关键字
  • 数据类：编译器会自动给数据类添加 equals、copy、toString 等方法

2018-06-09

posted @ 2018-06-09 20:51  白乾涛  阅读(3254)  评论(0)  编辑  收藏  举报