[移动开发]Kotlin（四）—— 面向表达式编程

表达式（expressions）和语句（statements）虽然是很基本的概念，但也经常被混淆和误解。语句很容易理解，我们在一开始学习命令式编程的时候，程序往往是由一个个语句组成的。比如以下这个例子：

fun main() {
  var a = 1
  while (a < 10) {
    println(a)
    a++
  }
}

可以看到，该程序依次进行了赋值、循环控制、打印等操作，这些都可以被称为语句。

表达式可以是一个值、常量、变量、操作符、函数，或它们之间的组合，编程语言对其进行解释和计算，以求产生另一个值。通俗地理解，表达式就是可以返回值的语句。 下面来写几个表达式的例子：

1 // 单纯的字面量表达式，值为1
-1 // 增加前缀草足服，值为-1
1 + 1 // 加法操作符，返回2
listOf(1, 2, 3) // 列表表达式
"Kotlin".length // 值为6
{ x: Int -> x + 1}
fun(x: Int) { println(x) }
if (x > 1) x else 1

1 表达式比语句更安全

先来看一段Java代码：

void ifStatement(Boolean flag) {
  String a = null;
  if (flag) {
    a = "dive into kotlin";
  }
  System.out.println(a.toUpperCase());
}

由于if在这里不是一个表达式，所以只能够在外部对变量a进行声明。这段代码存在潜在的问题：

• a必须在if语句外部声明，它被初始化为null。这里的if语句的作用就是对a进行赋值， 这是一个副作用。在这个例子中，我们忽略了else分支，如果flag的条件判断永远为true，那么程序运行并不会出错；否则，将会出现java.lang.NullPointerException的错误，即使程序依旧会编译通过。因此，这种通过语句创建副作用的方式很容易引发bug；
• 现在的逻辑虽然简单，然而如果变量a来自上下文其他更远的地方，那么这种危险会更加容易被忽视。典型的例子就是一段并发控制的程序，业务开发会变得非常不安全；

Kotlin中的if语句相比于Java有一个额外的功能，它是可以有返回值的，返回值就是if语句每 一个条件中最后一行代码的返回值。 因此，上述代码就可以简化成如下形式：

fun isExpression(flag: Boolean) {
    val a = if (flag) "dive into kotlin" else ""
    println(a.toUpperCase())
}

• 赋值语句与if表达式混合使用，就不存在变量a没有初始值的情况；
• 在if作为表达式时，else分支也必须被考虑，因为表达式具备类型信息，最终它的类型就是if、else多个分支类型的相同类型或公共父类型；

可以看出，基于表达式的方案让程序变得更加安全。

对于有返回值的函数，也可以直接将if语句返回：

fun largerNumber(num1: Int, num2: Int): Int {
    return if (num1 > num2) {
        num1
    } else {
        num2
    }
}

// 简化
fun largerNumber(num1: Int, num2: Int) = if (num1 > num2) {
    num1
} else {
    num2
}

// 进一步简化
fun largerNumber(num1: Int, num2: Int) = if (num1 > num2) num1 else num2

2 Unit类型：让函数调用皆为表达式

之所以不能说Java中的函数调用皆是表达式，是因为存在特例void。在Java中如果声明的函数没有返回值，那么它就需要用void来修饰。如：

void foo () {
  System.out.println("return nothing")
}

所以foo()就不具有值和类型信息，它就不能算作一个表达式。在Kotlin中，函数在所有的情况下都具有返回类型，所以它们引入了Unit来替代Java中的void关键字。

在Java在语言层设计一个Void类（注意大小写），java.lang.Void类似java.lang.Integer，Integer是为了对基本类型int的实例进行装箱操作，Void的设计则是为了对应void。由于void表示没有返回值，所以Void并不能具有实例，它继承自Object。

Unit与int一样是一种类型，然而它不代表任何信息，用面向对象的术语来描述就是一个单例，它的实例只有一个，可写为()。

Kotlin为什么要引入Unit呢？一个很大的原因是函数式编程侧重于组合，尤其是很多高阶函数，在源码实现的时候都是采用泛型来实现的。然而void在涉及泛型的情况下会存在问题。

先来看个例子，Java这门语言并不天然支持函数是头等公民，现在来尝试模拟出一种函数类型：

interface Function<Arg, Return> {
  Return apply(Arg arg);
}
Function<String, Integer> stringLength = new Function<String, Integer>() {
  public Integer apply(String arg) {
    return arg.length();
  }
};
int result = stringLength.apply("hello");

看上去似乎没什么问题。如果此时希望重新实现一个print方法。问题来了，Return的类型用什么来表示呢？可能你会想到void，但Java中是不能这么做的，只能把Return换成Void，即Function<String，Void>，由于Void没有实例，则返回一个null。这种做法严格意义上讲，相当丑陋。

所以，最好的解决办法就是引入一个单例类型Unit，除了不代表任何意义的以外，它与其他常规类型并没有什么差别。

3 复合表达式

相比语句而言，表达式更倾向于自成一块，避免与上下文共享状态，互相依赖，因此可以说它具备更好的隔离性。隔离性意味着杜绝了副作用，因此我们用表达式描述逻辑可以更加安全。此外，表达式通常也具有更好的表达能力。

典型的一个例子就是表达式更容易进行组合。由于每个表达式都具有值，并且也可以将另一个表达式作为组成其自身的一部分，所以我们可以写出一个复合的表达式。举个例子：

val res: Int? = try {
    if (result.success) {
        jsonDecode(result.response)
    } else null
} catch (e: JsonDecodeException) {
    null
}

这个程序描述了获取一个HTTP响应结果，然后进行json解码，最终赋值给res变量的过程。它向我们展示了Kotlin如何利用多个表达式组合表达的能力：

• try在Kotlin中也是一个表达式，try/catch/finally语法的返回值类型由try或catch部分决 定，finally不会产生影响；
• 在Kotlin中，if-else很大程度上代替了传统三元运算符的做法，虽然增加了语法词数量，但是减少了概念，同时更利于阅读；
• if-else的返回值即try部分的返回值，最终res的值由try或catch部分决定；

虽然Kotlin没有采用三元运算符，但是它有一个很像的语法?:。注意，这里的问号和冒号必须放在一起使用，它被叫作Elvis运算符，或者null合并运算符。由于Kotlin可以用?来表示一种类型的可空性，我们可以用?:来给一种可空类型的变量指定为空情况下的值：

val maybeInt: Int? = null
println(maybeInt ?: 1) // 1

4 枚举类和when表达式

4.1 枚举类

在Kotlin中，枚举是通过一个枚举类来实现的：

enum class Day {
    MON, TUE, WEN, THU, FRI, SAT, SUN
}

与Java中的enum语法大体相似，只是多了一个class关键词，表示它是一个枚举类。不过Kotlin中的枚举类没那么简单，由于它是一种类，我们可以猜测它自然应该可以拥有构造参数，以及定义额外的属性和方法：

enum class DayOfWeek(val day: Int) {
  MON(1), TUE(2), WEN(3), THU(4), FRI(5), SAT(6), SUN(7); //如果有额外的方法或属性定义，则必须强制加上分号

  fun getDayNumber(): Int {
    return day
  }
}

需要注意的是，当在枚举类中存在额外的方法或属性定义，则必须强制加上分号。

4.2 用when来代替if-else

在了解如何声明一个枚举类后，用它设计一个业务逻辑。比如，Shaw给新一周的几天计划了不同的活动，安排如下：周六打篮球；周日钓鱼；星期五晚上约会；平日里如果天晴就去图书馆看书，不然就在寝室学习。代码如下所示：

fun schedule(day: Day, sunny: Boolean) = {
    if (day == Day.SAT) {
        basketball()
    } else if (day == Day.SUN) {
        fishing()
    } else if (day == Day.FRI) {
        appointment()
    } else {
        if (sunny) {
            library()
        } else {
            study()
        }
    }
}

因为存在不少if-else分支，代码显得不够优雅。更好的改进方法就是用when表达式来优化：

fun schedule(day: Day, sunny: Boolean) = when (day) {
    Day.SAT -> basketball()
    Day.SUN -> fishing()
    Day.FRI -> appointment()
    else -> when {
        sunny -> library()
        else -> study()
    }
}

根据上述这段代码来分析下when表达式的具体语法：

• 一个完整的when表达式类似switch语句，由when关键字开始，用花括号包含多个逻辑分支，每个分支由->连接，不再需要switch的break，由上到下匹配，一直匹配完为止，否则执行else分支的逻辑，类似switch的default；（switch只能传入整型或短于整型的变量作为条件，JDK 1.7之后增加了对字符串变量的支持，但如果判断逻辑使用的并非是上述几种类型的变量，就无法使用switch）
• 每个逻辑分支具有返回值，最终整个when表达式的返回类型就是所有分支相同的返回类型，或公共的父类型。 在上面的例子中，假设所有活动函数的返回值为Unit，那么 编译器就会自动推导出when表达式的类型，即Unit。以下是一个非Unit的例子：

fun foo(a: Int) = when (a) {
    1 -> 1
    2 -> 2
    else -> 0
}

• when关键字的参数可以省略，该情况下，分支->的左侧部分需返回布尔值，否则编译会报错， 如上述的子when表达式可改成：

when {
  sunny -> library()
  else -> study()
}

• 表达式可以组合，所以这是一个典型的when表达式组合的例子。在Java中很少见过这么长的表达式，但是这在Kotlin中很常见。

如果这样嵌套子when表达式，层次依旧比较深。when表达式是很灵活的，可以通过如下修改来解决这个问题：

fun schedule(day: Day, sunny: Boolean) = when {
    day == Day.SAT -> basketball()
    day == Day.SUN -> fishing()
    day == Day.FRI -> appointment()
    sunny -> library()
    else -> study()
}

除了精确匹配之外，when语句还允许进行类型匹配：

fun checkNumber(num: Number) {
  when (num) {
    is Int -> println("number is Int")
    is Double -> println("number is Double")
    else -> println("number is not support")
  }
}

上述代码中，is关键字就是类型匹配的核心，它相当于Java中的instanceof关键字。 由于checkNumber()函数接收一个Number类型的参数，这是Kotlin内置的一个抽象类，像Int、Long、Float、Double等与数字相关的类都是它的子类，所以这里就可以使用类型匹配来判断传入的参数到底属于什么类型。

5 for循环和范围表达式

5.1 for循环

在Java中，经常在for加上一个分号语句块来构建一个循环体，如：

for (int i = 0; i < 10; i++) {
  System.out.println(i);
}

Kotlin在for循环方面做了很大幅度的修改，Java中最常用的for-i循环在Kotlin中直接被舍弃 了，而Java中另一种for-each循环则被Kotlin进行了大幅度的加强，变成了for-in循环，上述的代码等价表达为：

for (i in 1..10) println(i)

如果把上述的例子带上花括号和变量i的类型声明，也是支持的：

for (i: Int in 1..10) print(i)

5.2 范围表达式

1..10这种语法是在Kotlin中的范围表达式（range），它表示创建了一个[1, 10]的区间。在Kotlin官网的文档介绍中：Range表达式是通过rangeTo函数实现的，通过..操作符与某种类型的对象组成，除了整型的基本类型之外，该类型需实现java.lang.Comparable接口。 举个例子，由于String类实现了Comparable接口，字符串值之间可以比较大小，所以就可以创建一个字符串区间，如：

"abc".."xyz"

以下是String的源码：

public class String : Comparable<String>, CharSequence {
  @FastNative
  public native int compareTo(String anotherString);

}

字符串的大小根据首字母在字母表中的排序进行比较，如果首字母相同，则从左往右获取下一个字母，以此类推。

另外，当对整数进行for循环时，Kotlin还提供了一个step函数来跳过区间内的元素：

for (i in 1..10 step 2) print(i) // 13579

如果是倒序，可以用downTo方法来实现：

for (i in 10 downTo 1 step 2) print(i) // 108642

此外，还有一个until函数来实现一个半开区间：

for (i in 1 until 10) print(i) // 123456789

5.3 用in来检查成员关系

在Kotlin中我们可以用in关键字来对检查一个元素是否是一个区间或集合中的成员：

"a" in listOf("b", "c") // false
"a" !in listOf("b", "c") // true

除了等和不等，in还可以结合范围表达式来表示更多的含义：

"kot" in "abc".."xyz" // true
// 等价于
"kot" >= "abc" && "kot" <= "xyz"

事实上，任何提供迭代器（iterator）的结构都可以用for语句进行迭代：

for (c in array) print(c)

此外，还可以通过调用一个withIndex方法，提供一个键值元组：

for ((index, value) in array.withIndex()) {
  println("the element at $index is $value")
}