Kotlin 知识梳理(7) - Kotlin 的类型系统

Kotlin 知识梳理系列文章

一、本文概要

本文是对<<Kotlin in Action>>的学习笔记，如果需要运行相应的代码可以访问在线环境 try.kotlinlang.org，这部分的思维导图为：

二、基本数据类型和其它基本类型

2.1 基本类型：Int、Boolean 及其它

Java把基本数据类型和引用类型做了区分：

基本数据类型，例如int的变量直接存储了它的值，我们不能对这些值调用方法，或者把它们放到集合中。
引用类型的变量存储的是指向包含该对象的内存地址的引用。

Kotlin不区分基本数据类型和引用类型，它使用的永远是一个类型（例如Int），此外，你还能对一个数字类型的值调用方法。

在运行时，数字类型会尽可能地使用最高效的方式来表示，大多数情况下，对于变量、属性、参数和返回类型，Kotlin的Int类型会被编译成Java基本数据类型int。唯一不可行的例外是泛型类，例如集合，用作泛型类型参数的基本数据类型会被编译成对象的Java包类型。

对应到Java基本数据类型的类型完整列表如下：

整数类型：Byte、Short、Int、Long
浮点数类型：Float、Double
字符类型：Char
布尔类型：Boolean

像Int这样的Kotlin类型在底层可以轻易地编译成对应的Java基本数据类型。而在Kotlin中使用Java声明时，Java基本数据类型会变成非空类型，因为它们不能持有null值。

2.2 可空的基本数据类型：Int?、Boolean? 及其它

Kotlin中的可空类型不能用Java的基本数据类型表示，因为null只能被存储在Java的引用类型的变量中。任何时候，只要使用了基本数据类型的可空版本，它就会被编译成对应的包装类型，并且不能比较两个可空基本数据类型的大小，因为它们之中任何一个都可能为null。

除此之外，泛型类是包装类型应用的另一种情况，如果你 用基本数据类型作为泛型类的类型参数，那么 Kotlin 会使用该类型的包装形式，例如下面这段代码，就会创建一个Integer包装类的列表，尽管你从来没有指定过可空类型或者用过null值：

val listOfInts = listOf(1, 2, 3)

这是由Java虚拟机实现泛型的方式决定的，JVM不支持用基本数据类型作为类型参数，所以泛型类必须始终使用类型的包装表示。

2.3 数字转换

Kotlin和Java之间一条重要的区别就是处理数字转换的方式，Kotlin不会自动地把数字从一种类型转换成另一种，即便是转换成范围更大的类型，我们必须 显示地转换，对每一种基本数据类型都定义有转换函数：toByte()、toShort()、toChar()等，这些函数支持双向转换：

在比较装箱值的时候，比较两个装箱值的equals不仅会检查它们存储的值，还要比较装箱类型，也就是说new Integer(42).equals(new Long(42))会返回false。

基本数据类型字面值

Kotlin除了支持简单的十进制数字之外，还支持下面这些在代码中书签数字字面值的方式：

使用后缀L表示Long：123L
使用标准浮点数表示Double：0.12、1.2e10和1.2e-10。
使用后缀F表示Float：123.4f、.456F和1e3f。
使用前缀0x或者0X表示十六进制：0xbcdL。
使用前缀0b或者0B表示二进制字面值：0b0001。

当你使用数字字面值去初始化一个类型已知的变量时，又或是把字面值作为实参传给函数时，必要的转换会自动地发生。

此外，算术运算符也被重载了，它们可以接收所有适当的数字类型。

2.4 根类型：Any 和 Any?

Any类型是Kotlin所有非空类型的超类型，包括像Int这样的基本数据类型，和Java一样，把基本数据类型的值赋给Any类型的变量会自动装箱。

在Kotlin中，如果你需要可以持有任何可能值的变量，包括null在内，必须使用Any?类型。

在底层，Any类型对应java.lang.Object，Kotlin把Java方法参数和返回类型中用到的Object类型看作Any，当Kotlin函数函数中使用Any时，它会被编译成Java字节码中的Object。

所有的Kotlin类都包含下面三个方法：toString、equals和hashCode，这些方法都继承自Any。Any不能使用其它Object的方法（例如wait和notify），但是可以通过手动把值转换成java.lang.Object来调用这些方法。

2.5 Unit 类型：Kotlin 的 void

Kotlin中的Unit类型完成了Java中的void一样的功能，当函数没有有意思的结果要返回时，它可以用作函数的返回类型：

fun f() : Unit { .. }

Unit是一个完备的类型，可以作为类型参数，而void却不行。只存在一个值是Unit类型，这个值也叫做Unit，并且（在函数中）会被隐式地返回，当你在重写返回泛型参数的函数时这非常有用，只需要让方法返回Unit类型的值：

运行结果为：

2.6 这个函数永不返回：Nothing

对于某些Kotlin函数来说，“返回类型”的概念没有任何意义，因为它们从来不会成功地结束，Kotlin使用一种特殊的返回类型Nothing来表示：

运行结果为：

Nothing类型没有任何值，只有被当作函数返回值使用，或者被当作泛型函数返回值的类型参数使用才会有意义，在其它情况下，声明一个不能存储任何值的变量没有任何意义。

返回Nothing的函数可以放在Elvis运算符的右边来做先决条件检查：

运行结果为：

三、集合和数组

3.1 可空性和集合

在 Kotlin 知识梳理(6) - Kotlin 的可空性中，我们讨论了可空类型的概念，但仅仅简略地谈到类型参数的可空性，其实集合也可以持有null元素，和变量可以持有null一样，类型在被当作类型参数时也可以用同样的方式来标记。

下面我们创建一个包含可空值的集合，之后遍历该集合，打印出有效的数字之和以及为null的集合元素个数：

运行结果为：

3.2 只读集合与可变集合

Kotlin的集合设计与Java不同的另一项重要特质是：它把访问集合数据的接口和修改集合数据的结构分开了：

kotlin.collections.Collection：使用这个接口，可以遍历集合中的元素、获取集合大小、判断集合中是否包含某个元素，执行其他从该集合中读取数据的操作。
kotlin.collections.MutableCollection：修改集合中的数据。

一般的原则是：在代码的任何地方都应该使用只读接口，只在代码需要修改集合的地方使用可变接口的变体。

下面的例子演示了如何使用只读集合和可变集合：

运行结果为：

3.3 Kotlin 集合和 Java

每一个Kotlin接口都是其对应Java集合接口的一个实例，在Kotlin和Java之间转移并不需要转换；不需要包装器也不需要拷贝数据。

每一种Java集合接口在Kotlin中都有两种表示：一种是只读的，另一种是可变的。在下图当中，可以看出Kotlin集合接口的层级结构，Java类ArrayList和HashSet都继承了Kotlin可变接口。

Kotlin中只读接口和可变接口的基本结构与java.util中的Java集合接口的结构是平行的。可变接口直接对应java.util包中的接口，而它们的只读版本缺少了所有产生改变的方法。

上图中包含了Java类中的ArrayList和HashSet，在Kotlin看来，它们分别继承自MutableList和MutableSet接口，这样既得到了兼容性，也得到了可变接口和只读接口之间清晰的分离。

除了集合之外，Kotlin中Map类也被表示成了两种不同的版本：Map和MutableMap。我们之前见到的listOf/setOf/mapOf所返回的都是只读版本。

当你有一个使用java.util.Collection做形参的Java方法，可以把任意Collection或MutableCollection的值作为实参传递给这个形参。Java并不会区分只读集合和可变集合，也就是说即使Kotlin中把集合声明成只读的，Java代码也可以修改这个集合，例如下面的代码，虽然我们将printInUppercase接收的list参数声明为只读的，但是仍然可以通过Java代码修改它。

//CollectionUtils.java
public class CollectionUtils {
    public static List<String> uppercaseAll(List<String> items) {
        for (int i = 0; i < items.size(); i++) {
            items.set(i, items.get(i).toUpperCase());
        }
        return items;
    }
}

//collections.kt
fun printInUppercase(list : List<String>) {
    println(CollectionUtils.uppercaseAll(list));
    println(list.first())
}

3.4 作为平台类型的集合

前面我们介绍过，Kotlin把那些定义在Java代码中的类型看成 平台类型，Kotlin没有任何关于平台类型的可空性信息，所以编译器允许Kotlin代码将其视为可空或者非空，同样，Java中声明的集合类型的变量也被视为平台类型。

当我们需要重写或者实现签名中有集合类型的Java方法时，这些差异才变得重要，我们需要决定使用哪一种Kotlin类型来表示这个Java类型，它们会反映在产生的Kotlin参数类型中：

集合是否为空？
集合中的元素是否为空？
你的方法会不会修改集合？

例如下面这个使用集合参数的Java接口：

interface DataParser<T> {
    void parseData(String input, List<T> output, List<String> errors);
}

我们的选择为：

List<String>将是非空的，因为调用者总是需要接收错误信息。
列表中的元素将是可空的，因为不是每个输出列表中的条目都有关联的错误信息。
List<String>将是可变的，因为实现代码需要向其中添加元素。

那么Kotlin的实现如下：

class PersonParser : DataParser<Person> {
    override fun parseData(input : String, output : MutableList<Person>, 
        errors : MutableList<String?>)
}

3.5 对象和基本数据类型的数组

Kotlin中的一个数组是一个带有类型参数的类，其元素类型被指定为相应的类型参数，要在Kotlin中创建数组，有下面这些方法供你选择：

arrayOf函数创建一个数组，它包含的元素是指定为该函数的实参
arrayOfNulls创建一个给定大小的数组，包含的是null元素，当然，它只能用来创建包含元素类型可空的数组
Array构造方法接收数组的大小和一个lambda表达式，调用lambda表达式来创建每一个数组元素，这就是使用非空元素类型来初始化数组，但不用显示地传递每个元素的方式

运行结果为：

创建没有装箱的基本数据类型的数组

数组类型的类型参数始终会变成对象类型，因此，如果你声明了一个Array<Int>，它将会是一个包含装箱整型的数组，如果你需要创建没有装箱的基本数据类型的数组，必须使用一个基本数据类型数组的特殊类。

Kotlin提供了若干个独立的类，每一种基本数据类型对应一个，例如Int类型值的数组叫作IntArray，要创建一个基本数据类型的数组，有如下的选择：

该类型的构造方法接收size参数并返回一个使用对应基本数据类型默认值初始化好的数组。
工厂函数（例如IntArray的intArrayOf，以及其他数组类型的函数）接收变长参数的值并创建和存储这些值的数组。
另一种构造方法，接收一个大小和一个用来初始化每个元素的lambda。

运行结果为：

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二、基本数据类型和其它基本类型

2.1 基本类型：Int、Boolean 及其它

2.2 可空的基本数据类型：Int?、Boolean? 及其它

2.3 数字转换

基本数据类型字面值

2.4 根类型：Any 和 Any?

2.5 Unit 类型：Kotlin 的 void

2.6 这个函数永不返回：Nothing

三、集合和数组

3.1 可空性和集合

3.2 只读集合与可变集合

3.3 Kotlin 集合和 Java

3.4 作为平台类型的集合

3.5 对象和基本数据类型的数组

创建没有装箱的基本数据类型的数组

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