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Kotlin之美——DSL篇

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geniusmart
2018.03.02 11:54* 字数 2618

Kotlin 系列:

Kotlin DSL 把 Kotlin 的语法糖演绎得淋漓尽致,这些语法糖可谓好吃、好看又好玩,但是,仅痴迷于语法糖只会对语言的理解游离于表面,了解其实现原理,是我们阅读优秀源码、设计整洁代码和理解编程语言的必经之路,本文我们通过 DSL 来感受 Kotlin 之美。

理解 DSL

DSL(domain specific language),即领域专用语言:专门解决某一特定问题的计算机语言,比如大家耳熟能详的 SQL 和正则表达式。

通用编程语言 vs DSL

通用编程语言(如 Java、Kotlin、Android等),往往提供了全面的库来帮助开发者开发完整的应用程序,而 DSL 只专注于某个领域,比如 SQL 仅支持数据库的相关处理,而正则表达式只用来检索和替换文本,我们无法用 SQL 或者正则表达式来开发一个完整的应用。

API vs DSL

无论是通用编程语言,还是领域专用语言,最终都是要通过 API 的形式向开发者呈现。良好的、优雅的、整洁的、一致的 API 风格是每个优秀开发者的追求,而 DSL 往往具备独特的代码结构和一致的代码风格,从 SQL 和正则表达式的语法风格便可感受一二。

下文我们也将提到,Kotlin 构建的 DSL,代码风格更具表现力和想象力,也更加优雅。

内部 DSL

但是,如果为解决某一特定领域问题就创建一套独立的语言,开发成本和学习成本都很高,因此便有了内部 DSL 的概念。所谓内部 DSL,便是使用通用编程语言来构建 DSL。比如,本文提到的 Kotlin DSL,我们为 Kotlin DSL 做一个简单的定义:

“使用 Kotlin 语言开发的,解决特定领域问题,具备独特代码结构的 API 。”

下面,我们就来领略下千变万化的 Kotlin DSL 。

有趣的 Kotlin DSL

如果说 Kotlin 是一位魔术师,那么 DSL 便是其赖以成名,令人啧啧称赞的魔术作品,我们先来看下 Kotlin 在各个特定领域的有趣实现。

  1. 日期
val yesterday = 1.days.ago // 也可以这样写: val yesterday = 1 days ago
val twoMonthsLater = 2 months fromNow

以上日期处理的代码,真正做到见名知意,深谙代码整洁之道,更多细节可参考此库:kxdate

如果不考虑规范,基于该库的设计思路,我们甚至可以设计出如下的 api:

val yesterday = 1 天 前
val twoMonthsLater = 2 月 后

这个日期处理领域的 DSL 体现出来的代码结构是链式的,并且近似于我们日常使用的英语

  1. 单元测试
val str = "kotlin"
str should startWith("kot")
str.length shouldBe 6

与上述日期库的 api 风格类似,该单元测试的代码也是赏心悦目,更多细节可参考此库:kotlintest

基于该库的设计思路,我们甚至可以实现如下的代码风格,如同写英语句子一般简洁:

"kotlin" should start with "kot"
"kotlin" should have substring "otl"

这个 DSL 的代码结构近似于我们日常使用的英语。

  1. HTML 构建器
fun createTable() = 
    table{
        tr{
            td{
                
            }
        }
    }
    
>>> println(createTable())
<table><tr><td></td></tr></table>

这个 DSL 的代码结构使用了 lambda 嵌套,并且语义清晰,一目了然。更多详情参考此库:kotlinx.html

  1. SQL
(Users innerJoin Cities).slice(Users.name, Cities.name).
            select {(Users.id.eq("andrey") or Users.name.eq("Sergey")) and
                    Users.id.eq("sergey") and Users.cityId.eq(Cities.id)}.forEach {
            println("${it[Users.name]} lives in ${it[Cities.name]}")
        }

这类 SQL api 的风格,如果有用过 ORM 的框架,如 ActiveAndroid 或者 Realm 就不会陌生。以上代码来自于此库:Exposed

  1. Android 布局

Anko Layouts 是一套帮助我们更简洁的开发和复用 Android 布局的 DSL ,它的代码风格如下:

class MainActivity : AppCompatActivity() {

    override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
       
        super.onCreate(savedInstanceState)
        verticalLayout {
            val name = editText()
            button("Say Hello") {
                onClick { toast("Hello, ${name.text}!") }
            }
        }

    }
   
}

相比于笨重的 XML 布局方式,Anko DSL 显然是更先进和更高效的解决方案。

  1. Gradle 构建

Gradle 的构建脚本是 groovy,对 Android 程序员有一定的学习成本,目前,Gradle 官方也提供了基于 Kotlin 的构建脚本:Gradle Kotlin DSL , 并提供了类 groovy 的代码风格:

dependencies {
    compile("com.android.support:appcompat-v7:27.0.1")
    compile("com.android.support.constraint:constraint-layout:1.0.2")
}

完整代码请参考:build.gradle.kts

综上,Kotlin DSL 所体现的代码结构有如下特点:链式调用,大括号嵌套,并且可以近似于英语句子。

实现原理

看了那么多 Kotlin DSL 的风格和使用场景,相较于刻板的、传统的 Java 而言,更加神奇和富有想象力。要理解 Kotlin DSL 这场魔术盛宴,就必须了解其背后用到的魔术道具——扩展函数、lambda、中缀调用和 invoke 约定。

扩展函数(扩展属性)

对于同样作为静态语言的 Kotlin 来说,扩展函数(扩展属性)是让他拥有类似于动态语言能力的法宝,即我们可以为任意对象动态的增加函数或属性。

比如,为 String 扩展一个函数: lastChar():

package strings

fun String.lastChar(): Char = this.get(this.length - 1)

调用扩展函数:

>>> println("Kotlin".lastChar())
n

与 JavaScript 这类动态语言不一样,Kotlin 实现原理是: 提供静态工具类,将接收对象(此例为 String )做为参数传递进来,以下为该扩展函数编译成 Java 的代码

/* Java */
char c = StringUtilKt.lastChar("Java");

回顾前文讲到的日期的 DSL:

val yesterday = 1.days.ago

为配合扩展函数,我们先降低 api 的整洁程度,先实现一个扩展函数的版本:

val yesterday = 1.days().ago()

1 为 Int 类型,显然 Int 并没有 days() 函数,因此days() 为扩展函数,伪代码如下:

fun Int.days() = {//逻辑实现}

结合 Java8 的 Time api,此处将会涉及到两个扩展函数,完整实现如下:

fun Int.days() = Period.ofDays(this)
fun Period.ago() = LocalDate.now() - this

若要实现最终的效果,实际上就是将扩展函数修改为扩展属性的方式即可(扩展属性需提供getter或setter,本质上等同于扩展函数):

val Int.days:Period
    get() = Period.ofDays(this)

val Period.ago:LocalDate
    get() = LocalDate.now() - this

代码虽少,却天马行空,妙趣横生。

lambda

lambda 为 Java8 提供的新特性,于2014年3月18日发布。在2018年的今天我们依然无法使用或者要花很大的代价才能在 Android 编程中使用,而 Kotlin 则帮助我们解决了这一瓶颈,这也是我们拥抱 Kotlin 的原因之一。

lambda 是构建整洁代码的一大利器。

1. lambda 表达式

下图是 lambda 表达式,他总是用一对大括号包装起来,可以作为值传递给下节要提到的高阶函数。

图片来自 Kotlin in Action

2. 高阶函数

关于高阶函数的定义,参考《Kotlin 实战》:

高阶函数就是以另一个函数作为参数或返回值的函数

如果用 lamba 来作为高价函数的参数(此时为形参),就必须先了解如何声明一个函数的形参类型,如下:


图片来自于 Kotlin in Action

相对于上一小节,我们应该弄清楚 lambda 作为实参和形参时的表现形式:

// printSum 为高阶函数,定义了 lambda 形参
fun printSum(sum:(Int,Int)->Int){
        val result = sum(1, 2)
        println(result)
}

// 以下 lambda 为实参,传递给高阶函数 printSum
val sum = {x:Int,y:Int->x+y}
printSum(sum)

有了高阶函数,我们可以很轻易地做到一个 lambda 嵌套另一个 lambda 的代码结构

3. 大括号放在最后

Kotlin 的 lambda 有个规约:如果 lambda 表达式是函数的最后一个实参,则可以放在括号外面,并且可以省略括号,如:

person.maxBy({ p:Person -> p.age })

// 可以写成
person.maxBy(){
    p:Person -> p.age
}

// 更简洁的风格:
person.maxBy{
    p:Person -> p.age
}

这个规约是 Kotlin DSL 实现嵌套结构的本质原因,比如上文提到的 anko Layout:

verticalLayout {
            val name = editText()
            button("Say Hello") {
                onClick { toast("Hello, ${name.text}!") }
            }
        }

这里 verticalLayout 中 嵌套了 button,想必该库定义了如下函数:

fun verticalLayout( ()->Unit ){
    
}

fun button( text:String,()->Unit ){
    
}

verticalLayout 和 button 均是高阶函数,结合大括号放在最后的规约,就形成了 lambda 嵌套的语法结构。

4. 带接收者的 lambda

lambda 作为形参函数声明时,可以携带接收者,如下图:

图片来自于 Kotlin in Action

带接收者的 lambda 丰富了函数声明的信息,当传递该 lambda值时,将携带该接收者,比如:

// 声明接收者
fun kotlinDSL(block:StringBuilder.()->Unit){
  block(StringBuilder("Kotlin"))
}

// 调用高阶函数
kotlinDSL {
  // 这个 lambda 的接收者类型为StringBuilder
  append(" DSL")
  println(this)
}

>>> 输出 Kotlin DSL

总而言之,lambda 在 Kotlin 和 Kotlin DSL 中扮演着很重要的角色,是实现整洁代码的必备语法糖。

中缀调用

Kotlin 中有种特殊的函数可以使用中缀调用,代码风格如下:

"key" to "value"

// 等价于
"key.to("value")

而 to() 的实现源码如下:

infix fun Any.to(that:Any) = Pair(this,that)

这段源码理解起来不难,infix 修饰符代表该函数支持中缀调用,然后为任意对象提供扩展函数 to,接受任意对象作为参数,最终返回键值对。

回顾下我们上文提到的不太规范的中文 api:

val yesteraty = 1 天 前

使用扩展函数和中缀调用便可实现:

object 前
infix fun Int.天(ago:前) = LocalDate.now() - Period.ofDays(this)

再比如上文提到的:

"kotlin" should start with "kot"

// 等价于
"kotlin".should(start).with("kot")

使用两个中缀调用便可实现,以下是伪代码:

object start
infix fun String.should(start:start):String = ""
infix fun String.with(str:String):String = ""

所以,中缀调用是实现类似英语句子结构 DSL 的核心。

invoke 约定

Kotlin 提供了 invoke 约定,可以让对象向函数一样直接调用,比如:

class Person(val name:String){
    operator fun invoke(){
        println("my name is $name")
    }
}

>>>val person = Person("geniusmart")
>>> person()
my name is geniusmart

回顾上文提到的 Gradle Kotlin DSL:

dependencies {
    compile("com.android.support:appcompat-v7:27.0.1")
    compile("com.android.support.constraint:constraint-layout:1.0.2")
}

// 等价于:
dependencies.compile("com.android.support:appcompat-v7:27.0.1")
dependencies.compile("com.android.support.constraint:constraint-layout:1.0.2")

这里,dependencies 是一个实例,既可以调用成员函数 compile,同时也可以直接传递 lambda 参数,后者便是采用了 invoke 约定,实现原理简化如下:

class Dependencies{

    fun compile(coordinate:String){
        println("add $coordinate")
    }

    operator fun invoke(block:Dependencies.()->Unit){
        block()
    }
}

>>>val dependencies = Dependencies()
>>>// 以两种方式分别调用 compile()

invoke 约定让对象调用函数的语法结构更加简洁。

总结

细细品味 Kotlin,你会发现她将代码整洁之道(Clean Code)和高效 Java 编程(Effective Java)中的部分精华融入到的语法和默认的规约中,因此她可以让开发者无形中写出整洁和高效的代码。

而更进一步, Kotlin DSL 则是对 Kotlin 所有语法糖的一个大融合,她的代码结构通常是链式调用、lambda 嵌套,并且接近于日常使用的英语句子,我们可以愉悦的使用 DSL 风格的 API,同时,也可以以此为思路,为社区贡献各种 Kotlin DSL。

Kotlin DSL 体现了代码的整洁之道,体现了天马行空的想象力,在 DSL 的点缀下,Kotlin 显示出整洁的美,自由的美。

Kotlin 有趣的外表之下,是一个更有趣的灵魂。

参考资料

  • 《Kotlin 实战》
文艺的安卓君
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