Contract，开发者和 Kotlin 编译器之间的契约

2020-01-23 21:33:06 浏览数 (1)

相比 Java，使用 Kotlin 编程的时候，我们和kotlin编译器的交互行为会更多一些，比如我们可以通过inline来控制字节码的输出结果，使用注解也可以修改编译输出的class文件。

这里介绍一个和kotlin编译器更加好玩的特性，contract。可以理解成中文里面的契约。

不够智能的 Kotlin 编译器

Kotlin编译器向来是比较智能的，比如做类型推断和smart cast等。但是有些时候，显得不是那么智能，比如下面的这段代码

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data class News(val publisherId: Int, val title: String) //检查标题是否合法，如果title为null或者内容为空返回false fun News?.isTitleValid(): Boolean { return this != null && title.isNotEmpty() } fun testNewsTitleValid(news: News?) { if (news.isTitleValid()) { news.title //编译失败 并报错 //Only safe (?.) or non-null asserted (!!.) calls //are allowed on a nullable receiver of type News? } }

上面的代码会让我们觉得Kotlin编译器很不智能，甚至是有些笨拙。

  • news.isTitleValid()返回true，我们可以推测出news.title不为null，也能推断出news不为null
  • 但是即使这样，我们使用news.title会导致编译报错 Only safe (?.) or non-null asserted (!!.) calls are allowed on a nullable receiver of type News?
  • 所以，想要编译通过，我们要么继续使用news?.title或者是news!!.title，但无论哪一种都不够优雅

所以不争的结论就是，Kotlin编译器在if语句内部无法推断news是非null的。

为什么 Kotlin编译器不能推断出来呢

可能有人会想，我觉得挺简单的啊，应该可以推断出来吧。

是的，如果仅仅以例子中如此简单的实现，大家都会觉得可以推断出来

但是

  • 现实中的实践代码往往会比上面的复杂，比如涉及到多个调用和更加复杂的方法体实现等等
  • 纵使可以做到，编译器也需要花费资源和时间来分析上下文，这其中随着层级加深，资源消耗和编译耗时也会增加。

所以，不能推断也是有对应的考虑的。

契约是什么

所以我们面临的现实情况是

  • 作为开发者，我们了解较多的情况，比如News?.isTitleValid返回true，代表News实例不为null
  • 而编译器，由于上面的原因或者其他原因，不知道足够的信息，无法做到和开发者一样做相同的推断

于是，开发者和编译器之间可以建立一个这样的契约

  • 开发者将关于方法的额外信息提供给编译器，还是以News?.isTitleValid返回true，代表News实例不为null为例
  • 编译器在编译的时候，发现News?.isTitleValid为true后，按照开发者预期，转换成非空的News实例，让开发者可以直接调用

而 Kotlin 从1.3版本引入了Contract(契约)，用来解决我们刚刚提到的问题。

应用契约

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@ExperimentalContracts fun News?.isTitleValid(): Boolean { //contract 开始 contract { returns(true) implies (this@isTitleValid is News) } //contract 结束 return this != null && title.isNotEmpty() } @ExperimentalContracts fun testNewsTitleValid(news: News?) { if (news?.isTitleValid() == true) { news.title } }

关于上面代码的一些简单解释

  • contract 采用DSL方式声明
  • returns(true) implies ([email protected] is News) 代表如果方法返回(returns) true，表明(implies) [email protected] 是News实例，而不是News?的实例，即[email protected]为非null
  • 声明使用Contract的方法和其被调用的方法都需要使用@ExperimentalContracts（后面章节会提到）

其他的契约实现

上面的契约为returns(true) implies，除此之外，还有

  • returns(false) implies
  • returns(null) implies
  • returns implies
  • returnsNotNull implies
  • callsInPlace

returns(false) implies

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@ExperimentalContracts fun News?.isFake(): Boolean { contract { returns(false) implies (this@isFake is News) } return this == null || this.publisherId == 1980 } @ExperimentalContracts fun testNewsIsFake(news: News?) { if (news.isFake()) { news?.title } else { news.title } }

  • 当方法News?.isFake返回false，则表明[email protected]是News实例，非null

return(null) implies

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@ExperimentalContracts fun News?.copy(): Any? { contract { returns(null) implies (this@copy is News) } return if (this == null) { "EMPTY" } else { null } } @ExperimentalContracts fun testNewsCopy(news: News?) { if (news.copy() == null) { news.title } else { news?.title } }

  • 当方法News?.copy返回null时，[email protected]是News实例，非null

returns implies

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@ExperimentalContracts fun News?.validate() { contract { returns() implies (this@validate is News) } if (this == null) { throw IllegalStateException("null instance") } if (publisherId < 0) { throw IllegalStateException("publisherId is less than 0") } if (title.isEmpty()) { throw IllegalStateException("title is empty") } } @ExperimentalContracts fun testNewsValidate(news: News?) { news.validate() news.title }

  • 如果方法News?.validate()顺利执行完毕，不抛出异常，则[email protected]是News实例，非null

returnsNotNull implies

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@ExperimentalContracts fun News?.getTitleHashCode(): Int? { contract { returnsNotNull() implies (this@getTitleHashCode is News) } return this?.title?.hashCode() } @ExperimentalContracts fun testNewsGetTitleHashCode(news: News?) { if (news.getTitleHashCode() != null) { news.title } else { news?.title } }

  • 如果News?.getTitleHashCode()返回为非null，则[email protected]是News实例，非null

callsInPlace 原地调用

callsInPlace(lambda, kind)和之前的契约不同，它让我们有能力告知编译器，lambda在什么时候，什么地方，以及执行次数等信息。

同样，我们继续看这样一段代码

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package com.example.androidcontractsample fun getAppVersion() { val appVersion: Int safeRun { appVersion = 50 } } //安全运行runFunction,捕获异常 inline fun safeRun(runFunction: () -> Unit) { try { runFunction.invoke() } catch(t: Throwable) { t.printStackTrace() } }

当我们执行编译的时候，会得到这样的错误信息Captured values initialization is forbidden due to possible reassignment

因为上面的代码，也存在这里开发者知道一些信息，而编译器不知道的情况

对于编译器来说

  • 无法确定runFunction实参是否会执行
  • 无法确定runFunction实参是否只执行一次还是多次(val赋值多次会出错)
  • 无法确定runFunction实参执行时，是否getappVersion已经执行完毕

可能的结果

  • runFunction没有执行，appVersion处于未初始化状态
  • runFunction执行多次，appVersion被多次赋值，对于val是禁止的。

改进方案

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import kotlin.contracts.ExperimentalContracts import kotlin.contracts.InvocationKind import kotlin.contracts.contract @ExperimentalContracts fun getAppVersion() { val appVersion: Int safeRun { appVersion = 50 } } @ExperimentalContracts fun safeRun(runFunction: () -> Unit) { contract { //使用EXACTLY_ONCE callsInPlace(runFunction, InvocationKind.EXACTLY_ONCE) } try { runFunction() } catch (t: Throwable) { t.printStackTrace() } }

通过契约上面的代码实现了

  • safeRun会在getAppVersion执行的过程中执行，不会等到getAppVersion执行完毕后执行
  • safeRun会确保runFunction只会执行一次，不会多次执行

注意：官方说使用callsInPlace作用的方法必须inline(A function declaring the callsInPlace effect must be inline.)。但是经过验证不inline也没有问题，只是对应的实现方式不同。

除此之外，上面提到的InvocationKind 有这样几个变量

  • AT_MOST_ONCE 做多调用一次
  • EXACTLY_ONCE 只调用一次
  • AT_LEAST_ONCE 最少执行一次
  • UNKNOWN (the default). 未知，默认值

应用Contract的问题

由于目前Contract还处于实验阶段，需要使用相关的注解来表明开发者明确这一特性（以后可能修改，并自愿承担相应的变动和后果）。

目前我们可以使用UseExperimental和ExperimentalContracts两种注解，以下为具体的使用示例。

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@UseExperimental(ExperimentalContracts::class) fun String?.isOK(): Boolean { contract { returns(true) implies(this@isOK is String) } return this != null && this.isNotEmpty() } @ExperimentalContracts fun String?.isGood(): Boolean { contract { returns(true) implies(this@isGood is String) } return this != null && this.isNotEmpty() }

非 Android项目

对于非 Android项目，会有另外一个非注解的方式，那就是为模块增加编译选项。如下图。

当然，你也可以在模块的配置文件，增加-Xuse-experimental=kotlin.contracts.ExperimentalContracts到compilerSettings的additionalArguments中。

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<module type="JAVA_MODULE" version="4"> <component name="FacetManager"> <facet type="kotlin-language" name="Kotlin"> <configuration version="3" platform="JVM 1.8" useProjectSettings="false"> <compilerSettings> <option name="additionalArguments" value="-version -Xuse-experimental=kotlin.contracts.ExperimentalContracts" /> </compilerSettings> <compilerArguments> <option name="jvmTarget" value="1.8" /> <option name="languageVersion" value="1.3" /> <option name="apiVersion" value="1.3" /> </compilerArguments> </configuration> </facet> </component> <component name="NewModuleRootManager" inherit-compiler-output="true"> <exclude-output /> <content url="file://$MODULE_DIR$"> <sourceFolder url="file://$MODULE_DIR$/src" isTestSource="false" /> </content> <orderEntry type="inheritedJdk" /> <orderEntry type="sourceFolder" forTests="false" /> <orderEntry type="library" name="KotlinJavaRuntime" level="project" /> </component> </module

当方法行为与契约不符

  • 这种情况是可能且容易出现的，因为Contract并没有校验机制处理。
  • 当这种情况出现，就意味着我们向编译器提供了虚假的辅助信息
  • 一旦问题出现，对应的结果结果就是导致应用运行时崩溃。

比如下面的例子，我们的方法与契约不符

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@ExperimentalContracts fun validateByMistake(news: News?): Boolean { contract { returns(true) implies (news is News) } return true } @ExperimentalContracts fun testValidateByMistake(news: News?) { if (validateByMistake(news)) { news.title } }

当然随之而来的就是运行时的崩溃

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java.lang.NullPointerException: Attempt to invoke virtual method 'java.lang.String com.example.androidcontractsample.News.getTitle()' on a null object reference at com.example.androidcontractsample.NewsKt.testValidateByMistake(News.kt:91) at com.example.androidcontractsample.MainActivity.onCreate(MainActivity.kt:13) at android.app.Activity.performCreate(Activity.java:7698) at android.app.Activity.performCreate(Activity.java:7687) at android.app.Instrumentation.callActivityOnCreate(Instrumentation.java:1299) at android.app.ActivityThread.performLaunchActivity(ActivityThread.java:3096) ... 11 more

所以作为开发者，我们需要小心谨慎避免犯这种错误。

注意事项

  • Contract 自1.3才引入，而且是实验性的功能,未来的实现方式可能会有变动
  • Contract 目前只适用于top-level的方法，否则将会编译失败

Contract 如今还是实验功能，用还是不用

  • 是的，正如前面提到的Contract属于实验阶段，后期的规划，可能是作为正式功能引入还是变更实施方案，还是相对未知的。
  • 但是仅以个人的观点来看，还是推荐使用的。因为我觉得有些技术不需要等到稳定或者正式阶段就可以应用。

References

  • https://www.kotlindevelopment.com/help-yourself-and-the-compiler-with-contracts/
  • https://ncorti.com/blog/discovering-kotlin-contracts
kotlin ide 打包

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