Kotlin扩展方法进化之Context Receiver

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为什么会有 Context Receiver

我们都爱扩展方法。在介绍 Context Receiver 之前,我们先了解一下 Kotlin 目前的扩展方法实现存在的问题。举个例子,在 Android 中,我们通常都会写一个扩展方法将 int 转换为 dp:

fun Int.dp(context: Context): Int {
    // ...
}

还有另外一种方式:

fun Context.dp(value: Int): Int {
    // ...
}

那么,首先为什么会存在上面两种实现方式呢?因为目前 Kotlin 的扩展方法或者属性只支持扩展在一个类或者接口上。其次,上面这两种扩展方法,哪种更符合直觉呢?我认为两种扩展方式都符合,或者说,都不符合,为什么呢,我们可以这样理解上面的扩展方法,只有在同时有 Context 和 Int 两个参与者的情况下,dp() 这个扩展方法才能够被使用。

我们假设一种实现方式:

fun (Context, Int).dp(): Int {
    // ...
}

目前的 Kotlin 实现是不支持这样的定义的(实际上这也是 Kotlin 团队最初设想的实现方式)。不过这种方式是否比上面的两种实现更加符合直觉呢?

再举一个例子:

interface Entity

interface Scope {
    fun Entity.doAction() { // 成员扩展方法
        // ...
    }
}

class ScopeImpl: Scope {

    init {
        val entity = object : Entity { }
        entity.doAction()
    }

}

class EntityImpl: Entity {

    init {
        val entity = object : Entity { }
        this.doAction() //  <- 错误
        entity.doAction() // <- 错误
    }

}

上面的例子展示了成员扩展方法(member extension function)是如何工作的。那我们为什么需要成员扩展方法呢?简单来说就是限制扩展方法能够被谁调用。示例中的 doAction 方法只有在 Scope 类及其子类中才能被调用。事实上,成员扩展属性和方法可以声明为 open 并在子类中被复写的(回想一下扩展方法的实现原理)。

我们用成员扩展方法改造一下文章开头的 dp 方法:

class Context {

    fun Int.dp(): Int {
        // ...
    }

}

因为 Context 类在 Android 中是在 SDK 里定义的,我们并不能随意修改,所以上面的实现只是一个美好愿望,实际上并不能实现。

OK,到这里,我们可以总结一下 Kotlin 的扩展方法和属性目前存在的一些限制,或者说,Context Receiver 要解决什么问题:

  1. 首先,只支持扩展在单一的类或者接口上,这就限制了多种抽象的组合能力,我们也不能声明一个方法,它只有在多个条件都满足的情况下,才能被调用。而这导致了实现一个功能有好几种方式(虽然在 Kotlin 中这种现象非常常见,但这显然和 Python 之禅中 “应该提供一种,且最好只提供一种,一目了然的途径”的理念不太一致),并且这几种实现方式都不完美,造成重复实现以及增加理解难度;
  2. 其次,成员扩展方法想法很好,但是现实太骨感,它的应用范围太窄,在遇到第三方类的时候就无能为力了,这也就限制了它在大型应用中解耦合、模块化和结构化 API 的能力;
  3. 最后,成员扩展方法始终是一个扩展,它只能通过 entity.doAction() 的方式调用,而一些方法调用不应该依赖特定的实例,也不应该这样声明。而现在又没有一种方式,可以在特定的上下文作用域内,直接声明 顶级方法(top-level function),通过 doAction() 的方式调用。

Context Receiver

什么是 Context Receiver

Kotlin 在 Kotlin 1.6.20 版本引入了在 Kotlin/JVM 上的 Context Receiver 的原型实现,解决了上面提到的问题。它目前仍然处于草案阶段。可以在其设计草案中查看语法和详细介绍。

官方示例是这样的:

interface LoggingContext {
    val log: Logger // LoggingContext 作为上下文提供了一个 Logger 的引用
}

context(LoggingContext)
fun startBusinessOperation() {
    // 你可以访问 log 字段,因为 LoggingContext 是一个隐式的接收者
    log.info("Operation has started")
}

fun test(loggingContext: LoggingContext) {
    with(loggingContext) {
        // 在作用域内,你需要有 LoggingContext 作为隐式接收者来调用 startBusinessOperation()
        startBusinessOperation()
    }
}

如何使用 Context Receiver

因为目前 Context Receiver 处于实验阶段,所以默认是没有开启的。要使用这项功能,我们需要在模块的 build.gradle 或者 build.gradle.kts 构建脚本中增加额外的编译器参数 -Xcontext-receivers :

tasks.withType<KotlinCompile>().configureEach {
    kotlinOptions {
        jvmTarget = JavaVersion.VERSION_1_8.toString()
        freeCompilerArgs = freeCompilerArgs + listOf(
            "-Xcontext-receivers"
        )
    }
}

注意事项:

讲完注意事项,我们仿照官方示例,用 Context Receiver 实际改造一下之前的 dp 方法。

context(Context, Int)
fun dp(): Int {
    // ...
}

小菜一碟,再看看如何调用:

class MainActivity : ComponentActivity() {

    override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
        // scope 1
        val oneDp = with(1) {
            // scope 2
            dp()
        }
    }

}

为什么要显式的使用 with(1) 这个看起来很奇怪的写法?回想一下 Java 中 this 关键字的作用。scope1 处 this 指向的是 MainActivity 的对象,是 Context 的作用域(注意不是 Android 中的 android.content.Context);scope2 处 this 指向的是 1 这个对象,是 Int 的作用域。我们也可以在 Context Receiver 中切换上下文对象。

context(Context, Int)
fun dp(): Int {
    println(this@Context)
    println(this@Int)
    // ...
}

Context Receiver 与 Java 代码的交互

我们先回想一下 Context Receiver 之前的扩展方法是如何实现和 Java 交互的:

// Extensions.kt
fun Context.dp(value: Int): Int {
    // ...
}

context(Context, Int)
fun dp(): Int {
    // ...
}

反编译后的 Java 代码:

public final class ExtensionsKt {

    // Context Receiver
    public static final int dp(Context $this$dp, int $this$dp1) {
        // ...
       }

    // 普通扩展方法
    public static final int dp(@NotNull Context $this$dp, int value) {
        Intrinsics.checkNotNullParameter($this$dp, "$this$dp");
        // ...
    }
}

为什么反编译后的代码没有太大区别?因为 Context Receiver 本质上还是扩展方法,只是扩展方法的 pro plus 版本而已。那下面的代码反编译后的 Java 代码会有区别吗?

interface Ext {

    context(Context)
    fun abc(): Int

    fun Context.abc2(): Int

}

Context Receiver 之“箭头型”代码

context(Foo, Bar, Baz, Qux, Quux, Corge, Grault, Garply, Waldo, Fred, Plugh, Xyzzy, Thud)
fun function() {
}

with(foo) {
    with(bar) {
        with(baz) {
            with(qux) {
                with(quux) {
                    with(corge) {
                        with(grault) {
                            with(garply) {
                                with(waldo) {
                                    with(fred) {
                                        with(plugh) {
                                            with(xyzzy) {
                                                with(thud) {
                                                    function()
                                                }
                                            }
                                        }
                                    }
                                }
                            }
                        }
                    }
                }
            }
        }
    }
}

这段代码有夸张的嫌疑,而且我想到了一个计算机领域的经典笑话:

据说某俄国特工九死一生偷到了NASA太空火箭发射程序源代码的最后一页,代码是:

))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))有人在讲这个笑话的时候说是}}}}}}}},觉得是黑C/C++,但其实这个段子是用来调侃lisp的,不然也没必要套在NASA头上。不过现在NASA都用Python了(所以最后一页会偷到大片的空格吗……)

如果 NASA 也用 Kotlin,还赶新潮地用上了 Context Receiver ,那俄国特工偷到的就是一整页的花括号了(如何同时黑俄国特工、NASA 和 Kotlin)。

当然,这样的代码并不算“箭头形”代码,只是形似,并不是神似。事实上,Kotlin 团队是非常不支持你在 context() 中写一长串参数的:

context(Foo, Bar, Baz, Qux, Quux, Corge, Grault, Garply, Waldo, Fred, Plugh, Xyzzy, Thud) // 坏的实践,太多独立的上下文
fun function() {
}

他们推荐的方案是:

interface TopLevelContext: Foo, Bar, Baz, Qux, Quux, Corge, Grault, Garply, Waldo, Fred, Plugh, Xyzzy, Thud

context(TopLevelContext) // 好的实践
fun function() {
}

那么问题来了,如果我的确需要用到很多独立上下文,比如前面提到的 dp 方法就需要 Context 和 Int,应该如何抽象这个 TopLevelContext 呢?

  1. 抽象为接口 interface TopLevelContext:Context, Int 并不能成功,Context 为 abstract class, Int 为 final class
  2. 抽象为抽象类 abstract class TopLevelContext:Context(),Int() 也不能成功,不支持同时继承多个类,且 Int 为 final class

所以,按照 Kotlin 团队推荐的方案并不能成功抽象出 TopLevelContext。如果要你来解决这个问题,你会怎么做呢?一个可能的思路是 with 支持多参数:

with(foo, bar, baz) {
  // ...
}

结论

在尝试过 Context Receiver 后,我相信它在不远的将来就会稳定下来,然后在帮助工程师改善代码质量的同时被滥用(参考扩展方法的使用现状,扩展方法是一个好的特性,但也请不要为了扩展而扩展,参考Bad Kotlin Extensions)。

另外,非常建议读一下 Context Receiver 的 KEEP 文档,里面详细记录了这样一个功能是如何设计和实现的,读完之后相信你会对 Kotlin 这门语言有更加深入的理解。

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