最近阅读一些关于 Kotlin 类型系统方面的书,发现 Kotlin 的类型系统针对 null 有着独特的设计哲学。在 Java 或者其它编程语言中,经常会出现 NullPointerException,而导致此异常的重要原因是因为你可以写 String s = null 这样的代码。其实可以认为这是 Java 等语言类型系统设计的一个缺陷,它们允许 null 可以作为任何类型的值!

但是在 Kotlin 中,如果你声明 val s: String = null,那么编译器会给你一个 error,因为在 Kotlin 中,你不允许把一个 null 值赋给一个普通的类型。如果你声明一个这样的函数 fun strLen(s: String) = {...},那么这个函数将不接受值为 null 的参数。

这个设计看起来如此的美好,他可以极大程度的减少 Kotlin 产生 NullPointerException,可是如果有一天,你需要调用一个方法,它的返回值可能为 null 也可能为 String ,那么在 Kotlin 中你可以声明一个可空的字符串类型:String?val s: String? = null 此时 Kotlin 的编译器会让这行代码通过。当然它也可以接收一个普通的 String 类型的值 val s: String? = "abc"

可空类型(Type?)的设计,是 Kotlin 另一个设计哲学,它要求工程师在设计的时候就需要确定该变量是否可为空。如果不为空就使用Type 类型声明,否则就使用 Type? 类型声明。这让我想起在 Scala 中存在一个和 Type? 有着异曲同工之妙的一个类型—— Option[T]

Option[T] 有两个子类型:Some[T]None,你可以使用 val s: Option[String] = Some("123") 来表示一个字符串存在,当然你可以使用val s: Option[String] = None 来表示这个字符串不存在。

Scala 和 Kotlin 都是基于 JVM 的编程语言,而 Option[T]Type? 的设计就是用来解决 JVM 平台出现的 NullPointerException。但二者的设计理念却截然不同,Scala 的 Option[T] 是在原有类型基础上使用 Option 做一层封装,而 Koltin 的 Type? 是使用语法糖完成的。

那么这两种设计方案到底谁更好一点呢?我们将会使用以下标准来分别测试它们:

  • 是否可以完美的规避 NullPointerException —— 二者的设计都是为了解决 NullPointerException,谁可以更好的规避这个问题呢?
  • 代码的可读性 —— 如果在复杂的业务中,谁的代码可读性更好一点呢?
  • 性能

规避空指针

在上文中,我们曾经提过,NullPointerException 产生的原因是你可以把一个 null 的值传递给一个类型的变量,然后调用这个类型的方法。我们可以使用 Java 的代码来表示一下:String s = null; s.length()

Type? 的设计理念中,对于不确定是否为 null 类型可以使用 Type? 类型来声明,如val s: String? = getString...,此时 s 的类型是 String?,你不能直接调用 s.length,你需要进行安全调用s?.length。这个函数的返回类型是一个 Int?,这很正常,对于一个不确定是否为 null 的类型进行安全调用返回当然是一个 Type? 类型。如果 s 不为 null 正常返回 s 的长度,否则返回 null。除此之外, Kotlin 还针对 Type? 提供了 Elvis 操作和 let 函数,具体的用法可以参考 Kotlin 官方手册。

而在 Optional 的设计哲学中,你可以使用 Option[T] 来包裹一个不确定是否为 null 的值。这里我们使用 Scala 的代码来演示:val s: Option[String] = Option(getString...),此时 s 的类型为 Option[String],你仍然不能直接调用s.length,你可以使用 map 函数:s.map(s => s.length),它的返回值是一个 Option[Int] 类型。和 Type? 很类似,对一个 Option[T] 类型使用 map 函数,结果当然是一个 Option[S] 类型。在 Scala 中,你也可以使用模式匹配来处理 Option 类型。

总结:二者都可以完美的规避 NullPointerExceptionType? 使用安全调用来避免直接调用 Type 类型的方法,而 Option 则使用 map 函数或者模式匹配来处理。本质上都是避免直接调用值可能为 null 的类型变量的方法。

代码可读性

实际的业务是比较复杂的,例如,我们需要计算两个数字字符串的乘积,首先我们需要把他们转换为 Int 类型,如果其中一个字符串是转换失败,则无法计算结果。

在 Kotlin 的 Type? 中,我们需要重新定义 String 类型的 toInt 方法,让它返回一个 Int? 类型,代码如下:

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fun tryString2Int(a: String) = try {
a.toInt()
}catch (e:Exception){
null
}

然后我们需要定义一个方法来计算两个数字字符串的乘积,这里我们使用 Type? 的 let 函数,它接受一个 Lambda 表达式,如果调用者的值不为 null,则调用 Lambda 表达式,否则直接返回 nullstrNumberMuti 函数返回的是一个 Double? 类型,如果有任何一个字符串转换数字失败,就返回 null,都转换成功才计算乘积。

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fun strNumberMuti(s1: String, s2: String): Double? =
tryString2Int(s1)?.let{ a ->
tryString2Int(s2)?.let {
t -> a * t * 1.0 }}

这段代码的可读取有点差呀,而且在实际的业务开发过程中,可能会有更多的 Type? 类型,那代码岂不是要爆炸了!。幸运的是,Kotlin 允许我们使用 if 来代替 let 函数 做相同的判断,代码如下:

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fun strNumberMuti2(s1: String, s2: String):Double? {
val a = tryString2Int(s1)
val b = tryString2Int(s2)
return if(a!=null && b!= null) a * b * 1.0 else null
}

这样的代码可读性就好多了,但是丢失函数式的编程美感。而且感觉 Type? 是一种语法糖,手动对 Type? 进行非空校验,就可以直接使用 Type 类型了!!

同样的我们使用 Scala 的 Option[T] 来完成上面的需求,为了让 toInt 函数返回 Option[T] 类型,我们定义了一个 Try 函数,这个函数看不懂没关系,你只需知道它接受一个函数,并且返回一个 Option[A] 值即可。代码让如下:

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def Try[A](a: => A): Option[A] = {
try Some(a)
catch {case e: Exception => None}
}

同样的,我们需要写一个函数,用来把两个字符串数字转换为整数,并且做它们的乘积,这里我们为了使代码更简洁,使用了 Scala 的 for 推导,具体的用法可以参考 Scala 官方的 Document。strNumberNu返回类型是 Option[Double],如果有任何一个转换失败,返回 None,否则返回 Some[Double],代码如下:

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def strNumberMuti(s1: String, s2: String): Option[Double] = {
for{
a <- Try{ s1.toInt }
b <- Try{ s2.toInt }
} yield a * b
}

可以看出,使用 Scala 的 Option[T] 更具有函数式的编程美感,而且代码的可读性极强,而且即使有更多的 Option[T],for 推导都可以轻松应对。

总结:面对比较复杂的业务场景,Type?Option[T] 都可以轻松应对,但是 Type? 的用法就显得有些 low,还是使用 !=null 的套路,这也暴露了它的设计是存在缺陷的。相反的 Option[T] 的设计理念是完备的,而且极具函数式的编程美感。

性能

性能是衡量设计好坏的一个重要的方面,下面我们只做一个简单的测试:让两个字符串都是"999",然后分别执行 Kotlin 的 strNumberMuti 和 Scala 的 strNumberMuti 一千万次,然后我们发现 Kotlin 的 strNumberMuti 执行时间大约在 1.9s,而 Scala 的 strNumberMuti 执行时间约在 5.0s。由此可以看出,Kotlin 的 Type? 比 Scala Option[T] 拥有更好的性能,其实这样很正常,因为 Kotlin 的 Type? 是语法糖,创建一个 Type? 的对象其实和创建一个 Type 的对象其实消耗的性能差不多,但是 Option[T]不仅仅需要创建 T 类型的对象,更需要创建 Option[T] 类型的对象来包裹 T 类型的对象,因此它的开销大一点。

总结

就我而言,我更喜欢 Scala 的 Option[T] 的设计,因为它是理论完备的,而且极具函数式的编程美感,即使它的性能要差一点。对于 Kotlin 的 Type? 类型,我觉得它的设计有瑕疵,就拿 let 函数举例,在单个 Type? 很好用,但是当多个 Type? 进行组合的时候,就显得很鸡肋。

萝卜青菜,各有所爱,也许某天 Kotlin 也会让 Type? 具有函数式的编程美感。