Kotlin 内联函数

一、内联函数原理

使用高阶函数为开发带来了便利,但同时也产生了一些性能上的损失,官方是这样描述这个问题:

使用高阶函数会带来一些运行时的效率损失:每一个函数都是一个对象,并且会捕获一个闭包。 即那些在函数体内会访问到的变量。 内存分配(对于函数对象和类)和虚拟调用会引入运行时间开销,但是通过内联化 Lambda 表达式可以消除这类的开销。

为了解决这个问题,可以使用内联函数,用inline修饰的函数就是内联函数,inline修饰符影响函数本身和传给它的 Lambda 表达式,所有这些都将内联到调用处,即编译器会把调用这个函数的地方用这个函数的方法体进行替换,而不是创建一个函数对象并生成一个调用。

接下来用代码验证这个说法,先定义一个普通的高阶函数,然后调用两次:

fun calculate(a: Int, b: Int, cal: (Int, Int) -> String) {
    println(cal(a, b))
}
fun main(args: Array<String>) {
    calculate(3, 7) { a, b ->
        "$a + $b = ${a + b}"
    }

    calculate(3, 7) { a, b ->
        "$a * $b = ${a * b}"
    }
}
// 输出
3 + 7 = 10
3 * 7 = 21

这样其实是看不出什么问题的,Kotlin 文件编译后会生成对应的 class 文件,所以我们将 class 文件反编译成 Java 文件后再看。如果使用Android Studio或者IntelliJ IDEA,可以按照如下方式查看 Kotlin 文件对应反编译后的 Java 文件:

  1. 打开目标 Kotlin 文件
  2. 查看 Kotlin 文件字节码:Tools –> Kotlin –> Show Kotlin ByteCode
  3. 在 kotlin 文件字节码页面中点击左上角的 decompile 按钮,就会生成对应的 Java 文件

我们来看上边代码对应的 Java 代码:

1

虽然不是正常的 Java 代码,但不妨碍我们分析流程,可以看出,编译器创建了两个 Lambda 的实例,并进行了两次calculate函数调用。

那如果将calculate声明为内联函数呢:

inline fun calculate(a: Int, b: Int, cal: (Int, Int) -> String) {
    println(cal(a, b))
}

我们再看最终的 Java 文件:


2

即编译器会把调用这个函数的地方用这个函数的方法体进行替换,这样验证了之前的说法。

需要注意的是, 内联函数提高代码性能的同时也会导致代码量的增加,所以应避免内联函数过大。

二、禁用内联(noinline)

如果一个内联函数可以接收多个 Lambda 表达式作为参数,默认这些 Lambda 表达式都会被内内联到调用处,如果需要某个 Lambda 表达式不被内联,可以使用noinline修饰对应的函数参数:

inline fun calculate(a: Int, b: Int, noinline title: () -> Unit, cal: (Int, Int) -> String) {
    title()
    println(cal(a, b))
}
fun main(args: Array<String>) {
    calculate(3, 7, { println("开始计算") }) { a, b ->
        "$a * $b = ${a * b}"
    }
}
// 输出
开始计算
3 * 7 = 21

title对应的 Lambda 确实没有被内联,看图:

3

一个内联函数没有可内联的函数参数并且没有具体化的类型参数,编译器会有警告,因为这样并不能带来什么好处,如果你不愿去掉内联修饰,可以使用@Suppress("NOTHING_TO_INLINE") 注解关闭这个警告。

三、非局部返回

我们知道默认情况下,在高阶函数中,要显式的退出(返回)一个 Lambda 表达式,需要使用 return@标签的语法,不能使用裸return,但这样也不能使高阶函数和包含高阶函数的函数退出。例如:

fun message(block: () -> Unit) {
    block()
    println("-----")
}

fun test() {
    message {
        println("Hello")
        return@message
    }
    println("World")
}
fun main(args: Array<String>) {
    test()
}
// 输出
Hello
-----
World

但如果把 Lambda 表达式作为参数传递给一个内联函数,就可以在 Lambda 表达式中正常的使用return语句了,并且会使该内联函数和包含该内联函数的函数退出(返回),这种操作就是非局部返回。例如:

inline fun message(block: () -> Unit) {
    block()
    println("-----")
}

fun test() {
    message {
        println("Hello")
        return
    }
    println("World")
}
fun main(args: Array<String>) {
    test()
}
// 输出
Hello

注意,由于非局部返回的原因,这里只输出了Hello

在使用了非局部返回后,Lambda 表达式中return的返回值受调用该内联函数的函数的返回值类型影响。例如:

fun test(): Boolean {
    message {
        println("Hello")
        return false
    }
    println("World")
    return true
}

四、禁用非局部返回(crossinline)

从前边已经知道,通过内联函数可以使 Lambda表达式实现非局部返回,但是,如果一个内联函数的函数类型参数被crossinline修饰,则对应传入的 Lambda表达式将不能非局部返回了,只能局部返回了。还是用之前的例子修改:

inline fun message(crossinline block: () -> Unit) {
    block()
    println("-----")
}

fun test() {
    message {
        println("Hello")
        return@message
    }
    println("World")
}
fun main(args: Array<String>) {
    test()
}
// 输出
Hello
-----
World

通过crossinline可以禁用掉非局部返回,但有什么意义呢?这其实是有实际的场景需求的,看个例子:

interface Calculator {
    fun calculate(a: Int, b: Int): Int
}

inline fun test(block: (Int, Int) -> Int) {
    val c = object : Calculator {
        override fun calculate(a: Int, b: Int): Int = block(a, b)
    }
    c.calculate(3, 7)
}

首先定义一个Calculator计算接口,然后在内联函数test中创建Calculator的一个对象表达式,重写calculate方法时,我们让calculate的函数体是test函数的block参数,当block是 Lambda表达式时,由于非局部返回的原因,导致calculate函数的返回值不是预期的,进而发生异常,为了避免这种情况的发生,所以就有必要使用crossinline来禁用非局部返回,来保证calculate的返回值类型是安全的。

上边的代码会有这样一个错误提示:

Can't inline 'block' here: it may contain non-local returns. Add 'crossinline' modifier to parameter declaration 'block'

使用crossinline后就正常了:

inline fun test(crossinline block: (Int, Int) -> Int) {
    val c = object : Calculator {
        override fun calculate(a: Int, b: Int): Int = block(a, b)
    }
    c.calculate(3, 7)
}

五、具体化的类型参数(reified)

对于一个泛型函数,如果需要访问泛型参数的类型,但由于泛型类型被擦除的原因,可能无法直接访问,但通过反射还是可以做到的,例如:

fun <T> test(param: Any, clazz: Class<T>) {
    if (clazz.isInstance(param)) {
        println("参数类型匹配")
    } else {
        println("参数类型不匹配")
    }
}
fun main(args: Array<String>) {
    test("Hello World", String::class.java)
    test(666, String::class.java)
}
// 输出
参数类型匹配
参数类型不匹配

功能虽然实现了,但是不够优雅,Kotlin 中有更好的办法来实现这样的功能。

在内联函数中支持具体化的参数类型,即用reified来修饰需要具体化的参数类型,这样我们用reified来修饰泛型的参数类型,以达到我们的目的:

inline fun <reified T> test(param: Any) {
    if (param is T) {
        println("参数类型匹配")
    } else {
        println("参数类型不匹配")
    }
}

调用的过程也变得简单了:

fun main(args: Array<String>) {
    test<String>("Hello World")
    test<String>(666)
}
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