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空安全

本篇文章將對kotlin中的空安全相關(guān)的知識進(jìn)行闡述，并分析其背后的原理。
kotlin最為人熟知的便是解決了空指針問題，那么kotlin是怎么解決空指針問題的？是否能夠完全避免空指針問題？這就是本節(jié)要闡述的話題。

什么是空指針想必大家都很清楚，這里就不再展開。直接奔入主題：在kotlin中如何實(shí)現(xiàn)空指針安全的？主要體現(xiàn)以下幾個(gè)方面：

第一，kotlin在定義變量的時(shí)候就可以限制該變量是否能為null。
來看個(gè)例子，如下所示：

fun main(args: Array<String>) {
    var str: String = "test"http://定義了類型為String的變量str
    str = null//!!!錯(cuò)誤，str不能為null

    var str2: String? = "test"http://定義了類型為String?的str2
    str2 = null//正確，str2可以為null
}

由代碼來看，kotlin只有在用具體類型加上?（上面代碼中的String?）來修飾變量的時(shí)候，才允許該變量為null。因此，如果我們不期望某個(gè)變量或者某個(gè)入?yún)閚ull的時(shí)候，直接使用具體類型修飾即可，此時(shí)無法接收可能為null的入?yún)?；而?dāng)我們可以接受某個(gè)變量或者入?yún)閚ull時(shí)，就可以使用具體類型加 ? 來修飾，如下所示：

//方法m1，不能接受為null的字符串類型入?yún)?fun m1(p1: String) {}
//方法m2，可以接受為null的字符串類型入?yún)?fun m2(p2: String?) {}

fun main(args: Array<String>) {
    var str2: String? = "test"
    m1(str2)//!!!錯(cuò)誤，無法接受可能為null的入?yún)?    m2(str2)//正確，可以接受為null的入?yún)?}

第二，kotlin了提供了安全調(diào)用操作符 (?.) ，示例如下：

fun main(args: Array<String>) {
    var str: String? = null
    println(str.length)//!!!編譯錯(cuò)誤，對于可能為null的類型，不能直接這么使用
    println(str?.length)//正確，打印null
    str = "test"
    println(str?.length)//正確，打印 4
}

這就是kotlin的安全調(diào)用方式，即對于可能為null的類型，必須要使用安全的調(diào)用方式。咋一看，這種方式像是變量名后面跟了個(gè)問號，但是實(shí)際上卻不是這樣的，這個(gè)?不是和變量綁定的，而是和點(diǎn)(.)綁定的，即 ?. 是一個(gè)操作符，可以實(shí)現(xiàn)安全調(diào)用。這種調(diào)用方式在變量為null的時(shí)候不會crash而是打印null，在變量不為null的時(shí)候則正常執(zhí)行代碼。

第三，kotlin提供了 !! 操作符，當(dāng)對象為null時(shí)，會強(qiáng)制拋出異常。示例如下：

fun main(args: Array<String>) {
    var str: String? = null
    println(str?.length)//正確，可以通過安全調(diào)用操作符調(diào)用
    println(str!!.length)//編譯正確，但是因?yàn)閟tr此時(shí)為null，故會拋出空指針異常。
    str = "test"
    println(str!!.length)//正確，打印 4，因?yàn)閟tr不為null
}

上面代碼在變量不為null的時(shí)候會正確執(zhí)行，但是當(dāng)變量為null的時(shí)候則會拋出kotlin.KotlinNullPointerException空指針異常。

其實(shí)，從效果上來看 !! 操作符并不是為了解決空安全問題的，因?yàn)槠鋾伋隹罩羔槷惓?，這個(gè)只是kotlin提供的另一種關(guān)于空處理的方式而已。

第四，一定條件下，kotlin擁有智能推斷變量是否為null的能力，如下所示：

fun main(args: Array<String>) {
    var str: String? = null
    println(str.length)//!!!錯(cuò)誤，str可能為null，無法直接使用，可以通過str?.length來調(diào)用
    var result = if (str != null) str.length else 0//正確!這里竟然又可以通過str.length來完成調(diào)用了？？
    println(result)
}

重點(diǎn)關(guān)注 if (str != null) str.length else 0這一句，按照常理，對于可能為null的變量，必須通過?.操作符或者!!操作符調(diào)用，才能編譯通過。然而，此處我們竟然沒有通過這兩種操作符，同樣完成了調(diào)用！這是為什么？

這是因?yàn)?，我們已?jīng)在前面通過if else語句進(jìn)行了判斷，所以kotlin可以據(jù)此智能推斷出，在執(zhí)行str.length的時(shí)候，str已不可能為null，所以允許這么寫。

上面幾條就是kotlin在空安全方面所做的工作，這將大大減輕我們寫程序的壓力，尤其是安全調(diào)用操作符，不僅能夠有效減免空指針問題，還能大大減少代碼量。

kotlin空安全中的"不安全性"

看這個(gè)標(biāo)題實(shí)在有點(diǎn)難以明白是什么意思，其實(shí)這個(gè)小節(jié)想要表達(dá)的意思就是，即使kotlin在空安全方面做了很多的工作，但是依然無法完全避免空指針的產(chǎn)生，來看個(gè)例子。

//注意，這個(gè)是個(gè)java代碼
public class Test {
//定義了一個(gè)靜態(tài)方法getStr，這里直接返回null
    public static String getStr(){
        return null;
    }
}

上面代碼是java代碼，我們定義了一個(gè)getStr的靜態(tài)方法，該方法直接返回了null，下面我們通過kotlin代碼來使用getStr方法，如下所示：

import test.Test
fun main(args: Array<String>) {
    println(Test.getStr().length)
}

上面代碼執(zhí)行完成之后會發(fā)生什么？顯然會產(chǎn)生空指針異常：java.lang.NullPointerException。這就是為什么說kotlin并不能完全避免空指針異常的問題。

如果說上面的例子是因?yàn)檎{(diào)用了java代碼才產(chǎn)生了空指針異常，那么現(xiàn)在來看一個(gè)單純使用kotlin也會產(chǎn)生空指針異常的場景，示例如下：

//定義了一個(gè)抽象類Test
abstract class Test {
//定義 了一個(gè)抽象屬性str，子類復(fù)寫了該屬性
    abstract var str: String
    constructor() {
//然后我們在父類中的構(gòu)造方法中打印str 的長度
        println(str.length)
    }
}
//這里定義了子類SubTest，復(fù)寫了Test的str屬性，并完成了賦值
class SubTest : Test() {
    override var str: String = ""
}
//測試方法main
fun main(args: Array<String>) {
    SubTest()//僅僅生成了一個(gè)子類對象
}

上述代碼執(zhí)行完后會產(chǎn)生什么問題？答案是會產(chǎn)生空指針異常！這是為什么？我們來分析下：

在執(zhí)行SubTest()語句的時(shí)候，kotlin會首先執(zhí)行父類的構(gòu)造方法，然后再去完成子類屬性的初始化，也就是說父類構(gòu)造方法的初始化時(shí)機(jī)要高于子類屬性的初始化時(shí)機(jī)。所以，在父類構(gòu)造方法中打印str的長度的時(shí)候，實(shí)際上子類屬性還沒有完成初始化，進(jìn)而產(chǎn)生了空指針異常。實(shí)際上如果我們在生成對象之后在打印str的長度，就不會產(chǎn)生空指針異常，因?yàn)榇藭r(shí)str已經(jīng)完成了初始化，如下所示：

abstract class Test {
    abstract open var str: String
    constructor() {
    }
    fun m1(){
        str.length
    }
}
class SubTest : Test() {
    override var str: String = ""
}
fun main(args: Array<String>) {
    SubTest().m1()//這里會正常執(zhí)行，打印0，因?yàn)閟tr為""，所以其長度為0
}

安全類型轉(zhuǎn)換

在java編程的時(shí)候，我們一定會遇到過ClassCastException這個(gè)異常，即類型轉(zhuǎn)換異常，比如我們將String轉(zhuǎn)換為Integer，這個(gè)就會引起類型轉(zhuǎn)換異常，那么在kotlin中，我們可以避免這種情況的發(fā)生，那就是通過使用安全類型轉(zhuǎn)換as？來完成，使用as?進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換的時(shí)候，如果轉(zhuǎn)換失敗則會將目標(biāo)賦值為null，如下所示：

fun main(args: Array<String>) {
    var str: String? = null
    var value: Int = str as Int//拋出kotlin.TypeCastException異常
    var value2: Int? = str as? Int//能正確運(yùn)行，只不過value2為null
    System.out.println(value2)//打印null
}

Elvis 操作符

Elvis 操作符能夠大大簡化if else表達(dá)式，可以省去繁瑣的null判斷，如下所示：

fun main(args: Array<String>) {
    var str: String? = "test"http://定義了一個(gè)可能為null的字符串變量str
//我們可以通過if表達(dá)式來獲取str的長度，但是比較麻煩
    val value: Int = if (str != null) str.length else 0
//這里我們通過Elvis操作符來獲取str的長度，顯得非常簡潔
    val value2: Int = str?.length ?: 0
}

上面代碼中的 ?: 操作符就是Elvis操作符，可以大大簡化代碼量。

空安全背后的原理

前面闡述了kotlin中關(guān)于空安全的幾種場景，下面我們看下其背后的原理，照例先上我們要分析的代碼：

//場景1，m1方法接收一個(gè)不可能為null的字符串
//在其方法體中我們獲取了傳入字符串的長度
fun m1(str: String) {
    str.length
}
//場景2，m2方法接收一個(gè)可能為null的字符串
//在其方法體中我們采用了安全調(diào)用操作符 ?. 來獲取傳入字符串的長度
fun m2(str: String?) {
    str?.length
}
//場景3，m3方法接收一個(gè)可能為null的字符串
//在其方法體中我們采用了 !!  來獲取傳入字符串的長度
fun m3(str: String?) {
    str!!.length
}

那么上面三種場景，kotlin都是怎么處理的呢？這里一個(gè)一個(gè)的來分析下。

首先看下場景1背后的字節(jié)碼，如下所示：

  public final static m1(Ljava/lang/String;)V
    @Lorg/jetbrains/annotations/NotNull;() // invisible, parameter 0
   L0
    ALOAD 0
    LDC "str"
    INVOKESTATIC kotlin/jvm/internal/Intrinsics.checkParameterIsNotNull (Ljava/lang/Object;Ljava/lang/String;)V
   L1
    LINENUMBER 6 L1
    ALOAD 0
    INVOKEVIRTUAL java/lang/String.length ()I
    POP
   L2
    LINENUMBER 7 L2
    RETURN
   L3
    LOCALVARIABLE str Ljava/lang/String; L0 L3 0
    MAXSTACK = 2
    MAXLOCALS = 1

由字節(jié)碼可知，該方法的入?yún)患由戏强兆⒔?，如下所示?/p>

    @Lorg/jetbrains/annotations/NotNull;() // invisible, parameter 0

之后，kotlin編譯器內(nèi)部調(diào)用了是否為null的檢查，這就是為什么我們傳入null的時(shí)候會編譯報(bào)錯(cuò)，如下所示：

    INVOKESTATIC kotlin/jvm/internal/Intrinsics.checkParameterIsNotNull (Ljava/lang/Object;Ljava/lang/String;)V

接著會直接調(diào)用str的length方法，返回str長度，如下所示：

    INVOKEVIRTUAL java/lang/String.length ()I

上面就是m1方法背后的原理，下面來看下m2方法背后的原理，如下所示：

// access flags 0x19
  public final static m2(Ljava/lang/String;)V
    @Lorg/jetbrains/annotations/Nullable;() // invisible, parameter 0
   L0
    LINENUMBER 10 L0
    ALOAD 0
    DUP
    IFNULL L1
    INVOKEVIRTUAL java/lang/String.length ()I
    POP
    GOTO L2
   L1
    POP
   L2
   L3
    LINENUMBER 11 L3
    RETURN
   L4
    LOCALVARIABLE str Ljava/lang/String; L0 L4 0
    MAXSTACK = 2
    MAXLOCALS = 1

m2方法需要關(guān)注以下幾個(gè)點(diǎn)：

m2的入?yún)⒈患由狭丝蔀閚ull的注解，如下所示：

    @Lorg/jetbrains/annotations/Nullable;() // invisible, parameter 0

kotlin編譯器對該場景做了如下處理：如果為null則什么都不做，否則直接調(diào)用str的length方法，如下所示：

    IFNULL L1//如果為null，則執(zhí)行L1,即直接出棧
    INVOKEVIRTUAL java/lang/String.length ()I//否則調(diào)用str的length方法
    POP
    GOTO L2
   L1
    POP

最后，再來看下m3方法對應(yīng)的字節(jié)碼，如下所示：

 public final static m3(Ljava/lang/String;)V
    @Lorg/jetbrains/annotations/Nullable;() // invisible, parameter 0
   L0
    LINENUMBER 15 L0
    ALOAD 0
    DUP
    IFNONNULL L1
    INVOKESTATIC kotlin/jvm/internal/Intrinsics.throwNpe ()V
   L1
    INVOKEVIRTUAL java/lang/String.length ()I
    POP
   L2
    LINENUMBER 16 L2
    RETURN
   L3
    LOCALVARIABLE str Ljava/lang/String; L0 L3 0
    MAXSTACK = 3
    MAXLOCALS = 1

對于m3方法來說也只需要關(guān)注以下幾個(gè)點(diǎn)：

m3方法的入?yún)⑼瑯颖粯?biāo)注為了可為null，如下所示：

    @Lorg/jetbrains/annotations/Nullable;() // invisible, parameter 0

m3方法對于傳入為null的字符串直接拋出空指針異常，否則調(diào)用其length方法，如下所示：

//如果入?yún)⒉粸閚ull，則執(zhí)行L1，即調(diào)用str的length方法
    IFNONNULL L1
//否則，kotlin會直接拋出空指針異常，即調(diào)用Intrinsics.throwNpe ()
    INVOKESTATIC kotlin/jvm/internal/Intrinsics.throwNpe ()V
   L1
    INVOKEVIRTUAL java/lang/String.length ()I
    POP

上面三種場景都分析完了，現(xiàn)在我們來總結(jié)下：

對于入?yún)⒉豢赡転榭盏念愋?，kotlin編譯器會加上 @Lorg/jetbrains/annotations/NotNull;注解，反之會加上@Lorg/jetbrains/annotations/Nullable;注解。
對于不可能為null的入?yún)ⅲ瑒t會直接執(zhí)行對應(yīng)的代碼邏輯。而對于可能為null的入?yún)?，則會根據(jù)調(diào)用方式的不同而不同，參見下面第3點(diǎn)。
對于使用 ?. 操作符的語句，kotlin會進(jìn)行調(diào)用變量是否為null的判斷，如果不為null，就執(zhí)行對應(yīng)的代碼邏輯，否則什么都不做；而對于使用 !! 操作符的語句，kotlin同樣也會進(jìn)行是否為null的判斷，只不過當(dāng)調(diào)用變量為null的時(shí)候，會直接拋出空指針異常。

至此，kotlin空安全的場景及其背后的原理分析完畢。

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