Kotlin 知識(shí)梳理(11) - 內(nèi)聯(lián)函數(shù)

Kotlin 知識(shí)梳理系列文章

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Kotlin 知識(shí)梳理(2) - 函數(shù)的定義與調(diào)用
Kotlin 知識(shí)梳理(3) - 類、對(duì)象和接口
Kotlin 知識(shí)梳理(4) - 數(shù)據(jù)類、類委托 及 object 關(guān)鍵字
Kotlin 知識(shí)梳理(5) - lambda 表達(dá)式和成員引用
Kotlin 知識(shí)梳理(6) - Kotlin 的可空性
Kotlin 知識(shí)梳理(7) - Kotlin 的類型系統(tǒng)
Kotlin 知識(shí)梳理(8) - 運(yùn)算符重載及其他約定
Kotlin 知識(shí)梳理(9) - 委托屬性
Kotlin 知識(shí)梳理(10) - 高階函數(shù)：Lambda 作為形參或返回值
Kotlin 知識(shí)梳理(11) - 內(nèi)聯(lián)函數(shù)
Kotlin 知識(shí)梳理(12) - 泛型類型參數(shù)

一、本文概要

本文是對(duì)<<Kotlin in Action>>的學(xué)習(xí)筆記，如果需要運(yùn)行相應(yīng)的代碼可以訪問在線環(huán)境 try.kotlinlang.org，這部分的思維導(dǎo)圖為：

二、內(nèi)聯(lián)函數(shù)

當(dāng)我們使用lambda表達(dá)式時(shí)，它會(huì)被正常地編譯成匿名類。這表示每調(diào)用一次lambda表達(dá)式，一個(gè)額外的類就會(huì)被創(chuàng)建，并且如果lambda捕捉了某個(gè)變量，那么每次調(diào)用的時(shí)候都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的對(duì)象，這會(huì)帶來運(yùn)行時(shí)的額外開銷，導(dǎo)致使用lambda比使用一個(gè)直接執(zhí)行相同代碼的函數(shù)效率更低。

如果使用inline修飾符標(biāo)記一個(gè)函數(shù)，在函數(shù)被調(diào)用的時(shí)候編譯器并不會(huì)生成函數(shù)調(diào)用的代碼，而是 使用函數(shù)實(shí)現(xiàn)的真實(shí)代碼替換每一次的函數(shù)調(diào)用。

2.1 內(nèi)聯(lián)函數(shù)如何運(yùn)作

當(dāng)一個(gè)函數(shù)被聲明為inline時(shí)，它的函數(shù)體是內(nèi)聯(lián)的，也就是說，函數(shù)體會(huì)被直接替換到函數(shù)被調(diào)用地方，下面我們來看一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，下面是我們定義的一個(gè)內(nèi)聯(lián)的函數(shù)：

inline fun inlineFunc(prefix : String, action : () -> Unit) {
    println("call before $prefix")
    action()
    println("call after $prefix")
}

我們用如下的方法來使用這個(gè)內(nèi)聯(lián)函數(shù)：

fun main(args: Array<String>) {
    inlineFunc("inlineFunc") {
        println("HaHa")
    }
}

運(yùn)行結(jié)果為：

>> call before inlineFunc
>> HaHa
>> call after inlineFunc

最終它會(huì)被編譯成下面的字節(jié)碼：

fun main(args: Array<String>) {
    println("call before inlineFunc")
    println("HaHa")
    println("call after inlineFunc")
}

lambda表達(dá)式和inlineFunc的實(shí)現(xiàn)部分都被內(nèi)聯(lián)了，由lambda生成的字節(jié)碼成了函數(shù)調(diào)用者定義的一部分，而不是被包含在一個(gè)實(shí)現(xiàn)了函數(shù)接口的匿名類中。

傳遞函數(shù)類型的變量作為參數(shù)

在調(diào)用內(nèi)聯(lián)函數(shù)的時(shí)候，也可以傳遞函數(shù)類型的變量作為參數(shù)，還是上面的例子，我們換一種調(diào)用方式：

fun main(args: Array<String>) {
    val call : () -> Unit = { println("HaHa") }
    inlineFunc("inlineFunc", call)
}

那么此時(shí)最終被編譯成的Java字節(jié)碼為：

fun main(args: Array<String>) {
    println("call before inlineFunc ")
    action()
    println("call after inlineFunc")
}

在這種情況，只有inlineFunc的實(shí)現(xiàn)部分被內(nèi)聯(lián)了，而lambda的代碼在內(nèi)聯(lián)函數(shù)被調(diào)用點(diǎn)是不可用的。

在兩個(gè)不同的位置使用同一個(gè)內(nèi)聯(lián)函數(shù)

如果在兩個(gè)不同的位置使用同一個(gè)內(nèi)聯(lián)函數(shù)，但是用的是不同的lambda，那么內(nèi)聯(lián)函數(shù)會(huì)在每一個(gè)被調(diào)用的位置分別內(nèi)聯(lián)，內(nèi)聯(lián)函數(shù)的代碼會(huì)被拷貝到使用它的兩個(gè)不同位置，并把不同的lambda替換到其中。

2.2 內(nèi)聯(lián)函數(shù)的限制

鑒于內(nèi)聯(lián)的運(yùn)作方式，不是所有使用 lambda 的函數(shù)都可以被內(nèi)聯(lián)。當(dāng)函數(shù)被內(nèi)聯(lián)的時(shí)候，作為參數(shù)的lambda表達(dá)式的函數(shù)體會(huì)被 替換到最終生成的代碼中。

這將限制函數(shù)體中的lambda參數(shù)的使用：

  • 如果lambda參數(shù) 被調(diào)用，這樣的代碼能被容易地內(nèi)聯(lián)。
  • 如果lambda參數(shù) 在某個(gè)地方被保存起來，以便以后繼續(xù)使用，lambda表達(dá)式的代碼 將不能被內(nèi)聯(lián)，因此必須要 有一個(gè)包含這些代碼的對(duì)象存在。

一般來說，參數(shù)如果 被直接調(diào)用或者作為參數(shù)傳遞 給另外一個(gè)inline函數(shù)，它是可以被內(nèi)聯(lián)的，否則，編譯器會(huì) 禁止參數(shù)被內(nèi)聯(lián) 并給出錯(cuò)誤信息Illeagal usage of inline-parameter。

例如，許多作用于序列的函數(shù)會(huì)返回一些類的實(shí)例，這些類代表對(duì)應(yīng)的序列操作并接收lambda作為構(gòu)造方法的參數(shù)，以下是Sequence.map函數(shù)的定義：

fun <T, R> Sequence<T>.map(transform : (T) -> R) : Sequence<R> {
    return TransformingSequence(this, transform);
}

map函數(shù)沒有直接調(diào)用作為transform參數(shù)傳遞進(jìn)來的函數(shù)。而是將這個(gè)函數(shù)傳遞給一個(gè)類的構(gòu)造方法，構(gòu)造方法將它保存在一個(gè)屬性當(dāng)中。為了支持這一點(diǎn)，作為transform參數(shù)傳遞的lambda需要 被編譯成標(biāo)準(zhǔn)的非內(nèi)聯(lián)表示法，即一個(gè)實(shí)現(xiàn)了函數(shù)接口的匿名類。

如果一個(gè)函數(shù)期望兩個(gè)或更多的lambda函數(shù)，可以選擇只內(nèi)聯(lián)其中一些參數(shù)，因?yàn)橐粋€(gè)lambda可能會(huì)包含很多代碼或者 以不允許內(nèi)聯(lián)的方式調(diào)用，接收這樣的非內(nèi)聯(lián)lambda的參數(shù)，可以用noinline修飾符來標(biāo)記它：

inline fun foo(inlined : () -> Unit, noinline noinlined : () -> Unit) {

}

注意，編譯器完全支持 內(nèi)聯(lián)跨模塊的函數(shù)或者第三方庫定義的函數(shù)，也可以在 Java 中調(diào)用絕大部分內(nèi)聯(lián)函數(shù)。

2.3 內(nèi)聯(lián)集合操作

大部分標(biāo)準(zhǔn)庫中的集合函數(shù)都帶有lambda參數(shù)。例如filter，它被聲明為內(nèi)聯(lián)函數(shù)，這意味著filter函數(shù)，以及傳遞給它的lambda字節(jié)碼會(huì)被內(nèi)聯(lián)到filter被調(diào)用的地方，因此我們不用擔(dān)心性能問題。

假如我們像下面這樣，連續(xù)調(diào)用filter和map兩個(gè)操作：

println(people.filter{ it.age > 30 }.map(Person :: name))

這個(gè)例子使用了一個(gè)lambda表達(dá)式和一個(gè)成員引用，filter和map函數(shù)都被聲明為inline函數(shù)，所以不會(huì)額外產(chǎn)生類或者對(duì)象，但是上面的代碼會(huì)創(chuàng)建一個(gè)中間集合來保存列表過濾的結(jié)果。

2.4 決定何時(shí)將函數(shù)聲明成內(nèi)聯(lián)

對(duì)于普通函數(shù)的調(diào)用，JVM已經(jīng)提供了強(qiáng)大的內(nèi)聯(lián)支持。它會(huì)分析代碼的執(zhí)行，并在任何通過內(nèi)聯(lián)能夠帶來好處的時(shí)候?qū)⒑瘮?shù)調(diào)用內(nèi)聯(lián)。

帶有lambda參數(shù)的函數(shù)內(nèi)聯(lián)能帶來好處：

  • 節(jié)約了函數(shù)調(diào)用的開銷，節(jié)約了為lambda創(chuàng)建匿名類，以及創(chuàng)建lambda實(shí)例對(duì)象的開銷。
  • JVM目前并沒有聰明到總是能夠?qū)⒑瘮?shù)調(diào)用內(nèi)聯(lián)。
  • 內(nèi)聯(lián)使得我們可以使用一些不可能被普通lambda使用的特性，例如 非局部返回。

但是在使用inline關(guān)鍵字的時(shí)候，還是應(yīng)該注意代碼的長(zhǎng)度，如果你要內(nèi)聯(lián)的函數(shù)很大，將它的字節(jié)碼拷貝到每一個(gè)調(diào)用點(diǎn)將會(huì)極大地增加字節(jié)碼的長(zhǎng)度。在這種情況下，你應(yīng)該將那些與lambda參數(shù)無關(guān)的代碼抽取到一個(gè)獨(dú)立的非內(nèi)聯(lián)函數(shù)中。

三、高階函數(shù)中的控制流

當(dāng)你使用lambda去替換像循環(huán)這樣的命令式代碼結(jié)構(gòu)時(shí)，很快就會(huì)遇到return表達(dá)式的問題，把一個(gè)return語句放在循環(huán)的中間是很簡(jiǎn)單的事。但是如果將循環(huán)替換成一個(gè)類似filter的函數(shù)呢？

3.1 lambda 中的返回語句：從一個(gè)封閉的函數(shù)返回

下面，我們通過一個(gè)例子來演示，在集合當(dāng)中尋找名為Alice的人，找到了就直接返回：

data class Person(val name: String, val age: Int)

val people = listOf(Person("Alice", 29), Person("Bob", 31))

fun lookForAlice(people: List<Person>) {
    people.forEach {
        if (it.name == "Alice") {
            println("Found!")
            return
        }
    }
    println("Alice is not found")
}

fun main(args: Array<String>) {
    lookForAlice(people)
}

運(yùn)行結(jié)果為：

>> Found !

如果在lambda中使用return關(guān)鍵字，它會(huì) 從調(diào)用 lambda 的函數(shù) 中返回，并不只是 從 lambda 中返回，這樣的return語句叫做 非局部返回，因?yàn)樗鼜囊粋€(gè)比包含return的代碼塊更大的代碼塊中返回了。

需要注意的是，只有 以 lambda 作為參數(shù)的函數(shù)是內(nèi)聯(lián)函數(shù) 的時(shí)候才能從更外層的函數(shù)返回。在一個(gè)非內(nèi)聯(lián)的lambda中使用return表達(dá)式是不允許的，一個(gè)非內(nèi)聯(lián)函數(shù)可以把它的lambda保存在變量中，以便在函數(shù)返回以后可以繼續(xù)使用，這個(gè)時(shí)候lambda想要去影響函數(shù)的返回已經(jīng)太晚了。

3.2 從 lambda 中返回：使用標(biāo)簽返回

也可以在lambda表達(dá)式中使用局部返回，類似于for循環(huán)中的break表達(dá)式，它會(huì)終止lambda的執(zhí)行，并接著從調(diào)用lambda的代碼處執(zhí)行。

要區(qū)分局部返回和非局部返回，要用到標(biāo)簽。想從一個(gè)lambda表達(dá)式處返回你可以標(biāo)記它，然后在return關(guān)鍵字后面引用這個(gè)標(biāo)簽。

data class Person(val name: String, val age: Int)

val people = listOf(Person("Alice", 29), Person("Bob", 31))

fun lookForAlice(people: List<Person>) {
    people.forEach label@{
        if (it.name == "Alice") return@label
    }
    println("Alice might be somewhere")
}

fun main(args: Array<String>) {
    lookForAlice(people)
}

運(yùn)行結(jié)果為：

>> Alice might be somewhere

另一種選擇是，使用lambda作為參數(shù)的函數(shù)的函數(shù)名可以作為標(biāo)簽，也就是上面的forEach，如果你顯示地指定了lambda表達(dá)式的標(biāo)簽，再使用函數(shù)名作為標(biāo)簽沒有任何效果。

3.3 匿名函數(shù)：默認(rèn)使用局部返回

匿名函數(shù)是一種不同的用于編寫傳遞給函數(shù)的代碼塊的方式，先來看一個(gè)示例：

data class Person(val name: String, val age: Int)

val people = listOf(Person("Alice", 29), Person("Bob", 31))

fun lookForAlice(people: List<Person>) {
    people.forEach(fun (person) {
        if (person.name == "Alice") return
        println("${person.name} is not Alice")
    })
}

fun main(args: Array<String>) {
    lookForAlice(people)
}

運(yùn)行結(jié)果為：

>> Bob is not Alice

匿名函數(shù)和普通函數(shù)有相同的指定返回值類型的規(guī)則，代碼塊匿名函數(shù) 需要顯示地指定返回類型，如果使用 表達(dá)式函數(shù)體，就可以省略返回類型。

在匿名函數(shù)中，不帶return表達(dá)式會(huì)從匿名函數(shù)返回，而不是從包含匿名函數(shù)的函數(shù)返回，這條規(guī)則很簡(jiǎn)單：return從最近的使用fun關(guān)鍵字聲明的函數(shù)返回。

  • lambda表達(dá)式?jīng)]有使用fun關(guān)鍵字，所以lambda中的return從最外層的函數(shù)返回。
  • 匿名函數(shù)使用了fun，因此return表達(dá)式從匿名函數(shù)返回。

盡管匿名函數(shù)看起來和普通函數(shù)很相似，但它其實(shí)是lambda表達(dá)式的另一種語法形式而已。關(guān)于lambda表達(dá)式如何實(shí)現(xiàn)，以及在內(nèi)聯(lián)函數(shù)中如何被內(nèi)聯(lián)的討論同樣適用于匿名函數(shù)。

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