《Kotlin核心编程》笔记：反射、注解和加锁

Kotlin 和 Java 反射

• 1）Kotlin 的 KClass 和 Java 的 Class 可以看作同一个含义的类型，并且可以通过.java和.kotlin方法在KClass和Class之间互相转化。
• 2）Kotlin 的 KCallable 和 Java 的 AccessiableObject 都可以理解为可调用元素。Java 中构造方法为一个独立的类型，而 Kotlin 则统一作为 KFunction 处理。
• 3）Kotlin 的 KProperty 和 Java 的 Field 不太相同。Kotlin 的KProperty通常指相应的Getter和Setter （只有可变属性Setter）整体作为一个KProperty（通常情况 Kotlin 并不存在字段的概念），而 Java 的 Field 通常仅仅指字段本身。

在某些情况下（通常是碰到一些Kotlin独有的特性时）Kotlin编译器会在生产的字节码中存储额外信息，这些信息目前是通过 kotlin.Metadata 解实现的。Kotlin 编译器会用 Metadata 标注这些类。

Kotlin 的 KClass

KClass的特别属性或者函数（在Kotlin中独有，Java没有与之对应的特性）：

属性或函数名称	含义
isCompanion	是否伴生对象
isData	是否数据类
isSealed	是否密封类
objectInstance	object实例（如果是object）
companionObjectInstance	伴生对象实例
declaredMemberExtensionFunctions	扩展函数（声明的）
declaredMemberExtensionProperties	扩展属性（声明的）
memberExtensionFunctions	本类及超类扩展函数
memberExtensionProperties	本类及超类扩展属性
starProjectedType	泛型通配类型

Kotlin 的 KCallable

Kotlin 把 Class 中的属性（Property）、函数（Funciton）甚至构造函数都看作 KCallable，因为它们是可调用的，它们都是Class的成员。那我们如何获取一个Class的成员呢？

KClass给我们提供了一个members方法，它的返回值就是一个Collection>。

KCallable提供的 API：

API 描述	含义
isAbstract: Boolean	此 KCallable 是否为抽象的
isFinal: Boolean	此 KCallable 是否为 final 的
isOpen: Boolean	此 KCallable 是否为 open 的
name: String	此 KCallable 的名称
parameters: List	调用此 KCallable 需要的参数
returnType: KType	此 KCallable 的返回类型
typeParameters: List	此 KCallable 的类型参数
visibility: KVisibility?	此 KCallable 的可见性
call(vararg args: Any?): R	给定参数调用此 KCallable

KMutableProperty是KProperty的一个子类，那我们如何识别一个属性是KMutableProperty还是KProperty呢？参考如下代码：

fun KMutablePropertyShow() {
    val p = Person("张三", 8, "HangZhou")
    val props = p::class.memberProperties
    for (prop in props) {
        when (prop) {
            is KMutableProperty<*> -> prop.setter.call(p, "Hefei")
            else -> prop.call(p)
        }
    }
    println(p.address)
}

获取参数信息

Kotlin 把参数分为3个类别，分别是函数的参数（KParameter）、函数的返回值（KType）及类型参数（KTypeParameter）。

KParameter

使用KCallabel.parameters即可获取一个List，它代表的是函数（包括扩展函数）的参数。

API 描述	含义
index: Int	返回该参数在参数列表里面的索引
isOptional: Boolean	该参数是否为 Optional
isVararg: Boolean	该参数是否为 vararg
kind: Kind	该参数的 Kind
name: String?	该参数的名称
type: KType	该参数的类型

fun KParameterShow() {
    // val p = Person("张三", 8, "HangZhou")
    for (c in Person::class.members) {
        print("${c.name} -> ")
        for (p in c.parameters) {
            print("${p.type}" + " -- ")
        }
        println()
    }
}

运行结果：

address -> Person 
name -> Person
detailAddress -> Person,kotlin.String 
isChild -> Person
equals -> kotlin.Any,kotlin.Any? 
hashCode -> kotlin.Any
toString -> kotlin.Any

通过上面的运行结果我们发现，对于属性和无参数的函数，它们都有一个隐藏的参数为类的实例，而对于声明参数的函数，类的实例作为第 1 个参数，而声明的参数作为后续的参数。对于那些从Any继承过来的参数，Kotlin 默认它们的第 1 个参数为Any。

KType

每一个KCallabe都可以使用returnType来获取返回值类型，它的结果类型是一个KType，代表着Kotlin中的类型。

API 描述	含义
arguments: List	该类型的类型参数
classifier: KClassifier?	得到结果为 List（忽略类型参数）的类型
isMarkedNullable: Boolean	该类型是否标记为可空类型

classifier API其实就是获取该参数在类层面对应的类型， 如 Int -> class kotlin.Int， List -> class kotlin.collections.List。

KTypeParameter

在KClass和KCallable中我们可以通过typeParameters来获取class和callable的类型参数，它返回的结果集是List，不存在类型参数时就返回一个空的List。

fun <A> get(a: A) : A { 
	return a
}

然后我们可以使用下面的代码来获取get方法和List的类型参数：

fun KTypeParameterShow() {
    for (c in Person::class.members) {
        if (c.name.equals("get")) {
            println(c.typeParameters)
        }
    }
    
    val list = listOf<String>("How")
    println(list::class.typeParameters)
}

运行结果：

[A]
[E]

Kotlin 的注解

前面我们提及过注解 kotlin.Metadata，这是实现 Kotlin 大部分独特特性反射的关键，Kotlin 将这些信息直接以注解形式存储在字节码文件中，以便运行时反射可以获取这些数据。

由于 Kotlin 兼容 Java，所以所有 Java 可以添加注解的地方，Kotlin 也都可以。并且 Kotlin 也简化了注解创建语法，创建注解就像创建 class 一样简单，只需额外在 class 前增加 annotation 关键字即可。

annotation class FooAnnotation(val bar: String) 

上面的代码就直接创建了FooAnnotation注解，和创建其他 Kotlin 的类一样，正如前文所说，只要在前面加上annotation，这个类就变成了注解，和等价的 Java 代码相比较，确实简化了很多。

同时和 Java 一样，注解的参数只能是常量，并且仅支持下列类型：

• Java 对应的基本类型；
• 字符串；
• Class 对象（KClass或者Java的Class）；
• 其他注解；
• 上述类型数组。注意基本类型数组需要指定为对应的XXXArray，例如IntArray，⽽不是Array。

元注解

类似@Target这样标注在注解上的注解我们称之为元注解。我们知道 Java 中的java.lang.annotation 包中定义了下列 5 个元注解：

• @Documented文档（通常是API文档）中必须出现该注解。
• @Inherited如果超类标注了该类型，那么其子类型也将自动标注该注解而无须指定。
• @Repeatable这个注解在同一位置可以出现多次。
• @Retention表示注解用途，有3种取值。
  • Source。仅在源代码中存在，编译后class文件中不包含该注解信息。
  • CLASS。class文件中存在该注解，但不能被反射读取。
  • RUNTIME。注解信息同样保存在class文件中并且可以在运行时通过反射获取。
• @Target表明注解可应用于何处。

和 Java 一样在 Kotlin 中也有对应的元注解类。Kotlin 中的元注解类定义在 kotlin.annotation 包下，主要有：

Kotlin	Java	含义
@Retention	@Retention	注解的保留期
@Target	@Target	注解可用于哪些目标对象
@MustBeDocumented	@Documented	注解将被文档工具提取到API文档中
@Repeatable	@Repeatable	注解可以多次应用于相同的声明或类型

注意到，相比 Java 中5种元注解少了 @Inherited，Kotlin 目前不支持 Inherited，理论上实现继承没有很大难度，但当前版本还不支持。

通过上面对比我们发现，Kotlin 和 Java 注解整体上是保持一致的，熟悉 Java 注解的读者应该很容易将这部分知识迁移到 Kotlin。

@Target

@Target顾名思义就是目标对象，也就是我们定义的注解能够应用于哪些目标对象，可以同时指定多个作用的目标对象。

@Target的原型:

@Target(AnnotationTarget.ANNOTATION_CLASS)
@MustBeDocumented
public annotation class Target(vararg val allowedTargets : AnnotationTarget) 

从@Target的原型中我们可以看出，它接受一个vararg可变数量的参数，所以可以同时指定多个作用的目标对象，并且参数类型限定为 AnnotationTarget。

@Retention

＠Retention 我们可以理解为保留期，和 Java 一样 Kotlin 有三种时期：源代码时期（SOURCE）、编译时期（BINARY）、运行时期（RUNTIME）。

＠Retention的原型：

@Target(AnnotationTarget.ANNOTATION_CLASS)
public annotation class Retention(val value : AnnotationRetention = AnnotationRetention.RUNTIME) 

Retention 接收一个AnnotationRetention类型的参数，该参数有个默认值，默认是保留在运行时期。AnnotationRetention 是一个枚举类，其定义如下：

public enum class AnnotationRetention {
	// Annotation isn't stored in binary output 
	SOURCE,
	// Annotation is stored in binary output, but invisible for reflection 
	BINARY,
	// Annotation is stored in binary output and visible for reflection (default retention) 
	RUNTIME
}

基本上对应了 Java 的三种类型，只不过 Kotlin 中默认值是 RUNTIME。

AnnotationTarget

前面提到在@Target元注解中可以同时指定一个或多个目标对象，那么到底有哪些目标对象呢？接下来让我们看一下：

Kotlin (Annotation Target)	Java (Target)	说明
CLASS	TYPE	作用于类
ANNOTATION_CLASS	ANNOTATION_TYPE	作用于注解本身（即元注解）
TYPE_PARAMETER	TYPE_PARAMETER	作用于类型参数
PROPERTY	N/A	作用于属性
FIELD	FIELD	作用于字段（属性通常包含字段 Getter 以及 Setter）
LOCAL_VARIABLE	FIELD	作用于局部变量
VALUE_PARAMETER	N/A	作用于 val 参数
CONSTRUCTOR	CONSTRUCTOR	作用于构造函数
FUNCTION	METHOD	作用于函数（Java只有Method）
PROPERTY_GETTER	N/A	作用于 Getter
PROPERTY_SETTER	N/A	作用于 Setter
TYPE	TYPE_USE	作用于类型
EXPRESSION	N/A	作用于表达式
FILE	PACKAGE	作用于文件开头/包声明（两者有细微区别）
TYPEALIAS	N/A	作用于类型别名

Kotlin支持几乎所有Java支持的标注的位置，并且增加了一些kotlin独有的位置。

一个简单Kotlin注解使用的例子：

annotation class Cache(val namespace: String, val expires: Int)
annotation class CacheKey(val keyName: String, val buckets: IntArray)

@Cache(namespace = "hero", expires = 3600)
data class Hero(
    @CacheKey(keyName = "heroName", buckets = intArrayOf(1,2,3))
    val name: String,
    val attack: Int,
    val defense: Int,
    val initHp: Int
)

Kotlin的代码常常会表达多重含义。例如，上述例子中的name除了生成了一个不可变的字段之外，实际上还包含了Getter，同时又是其构造函数的一个参数。

这就带来一个问题，@CacheKey注解究竟是作用于何处？

精确控制注解的位置

为了解决这个问题，Kotlin 引入精确的注解控制语法，假如我们有注解 annotation class CacheKey

用法	含义
@file:CacheKey	CacheKey 注解作用于文件
@property:CacheKey	CacheKey 注解作用于属性
@field:CacheKey	CacheKey 注解作用于字段
@get:CacheKey	CacheKey 注解作用于 Getter
@set:CacheKey	CacheKey 注解作用于 Setter
@receiver:CacheKey	CacheKey 注解作用于扩展函数或属性
@param:CacheKey	CacheKey 注解作用于构造函数参数
@setparam:CacheKey	CacheKey 注解作用 Setter 的参数
@delegate:CacheKey	CacheKey 注解作用于存储代理实例的字段

例如：

@Cache(namespace = "hero", expires = 3600)
data class Hero(
    @property:CacheKey(keyName = "heroName", buckets = [1, 2])
    val name: String,

    @field:CacheKey(keyName = "atk", buckets = [1, 2, 3])
    val attack: Int,
        @get:CacheKey(keyName = "def", buckets = [1, 2, 3])

    val defense: Int,
    val initHp: Int
)

上述CacheKey分别作用在属性、字段和Getter上。

反射获取注解信息

这有一个前提就是这个注解的Retentaion标注为Runtime或者没有显示指定（注默认为Runtime）。

annotation class Cache(val namespace: String, val expires: Int)
annotation class CacheKey(val keyName: String, val buckets: IntArray)

@Cache(namespace = "hero", expires = 3600)
data class Hero(
    @CacheKey(keyName = "heroName", buckets = [1, 2, 3])
    val name: String,
    val attack: Int,
    val defense: Int,
    val initHp: Int
)

fun main() {
    val cacheAnnotation = Hero::class.annotations.find{ it is Cache } as Cache?
    println("namespace ${cacheAnnotation?.namespace}")
    println("expires ${cacheAnnotation?.expires}")
}

通过反射获取注解信息是在运行时发生的，和Java一样存在一定的性能开销，当然这种开销大部分时候可以忽略不计。此外前面提到的注解标注位置也会影响注解信息的获取。例如@file：CacheKey这样标注的注解，则无法通调用KProperty.annotions获取到该注解信息。

注解的使用场景

• 提供信息给编译器：编译器可以利用注解来处理一些，比如一些警告信息，错误等
• 编译阶段时处理：利用注解信息来生成一些代码，在 Kotlin 生成代码非常常见，一些内置的注解为了与 Java API 的互操作性，往往借助注解在编译阶段生成一些额外的代码
• 运行时处理：某些注解可以在程序运行时，通过反射机制获取注解信息来处理一些程序逻辑

下面是一个通过注解来标注Http请求方法的代码示例：

@Target(AnnotationTarget.CLASS)
@Retention(AnnotationRetention.RUNTIME)
annotation class HttpMethod(val method : Method) 

interface Api {
    val name: String
    val version: String
        get() = "1.0"
}

@HttpMethod(Method.POST)
class ApiGetArticles : Api {
    override val name: String
        get() = "/api.articles"
}

fun fire(api: Api) {
    val annotations = api.javaClass.annotations
    val method = annotations.find { it is HttpMethod } as? HttpMethod
    println("通过注解得知该接口需需要通过：${method?.method}方式请求")
}

我们知道著名的网络请求库 Retrofit 就是通过这种方式来标注接口请求的方法、路径、参数等信息的。

加锁

虽然 Kotlin 是基于 Java 改良过来的语言，但是它没有 synchronized 关键字，取而代之，它使用了@Synchronized注解和synchronized()函数来实现等同的效果。比如：

class Shop {
    val goods = hashMapOf<Long,Int>()
    init {
        goods.put(1,10)
        goods.put(2,15)
    }
    @Synchronized
    fun buyGoods(id: Long) {
        val stock = goods.getValue(id)
        goods.put(id, stock - 1)
    }
    fun buyGoods2(id: Long) {
        synchronized(this) {
            val stock = goods.getValue(id)
            goods.put(id, stock - 1)
        }
    }
}

注意这里的synchronized(this)是 kotlin 中的方法，而非 java 中的 synchronized 关键字。

Kotlin 除了支持 Java 中 synchronized 这种并发原语外，也同样支持其他一些并发工具，比如 volatile 关键字，java.util.concurrent.*下面的并发工具。当然，Kotlin 也做了一些改造，比如 volatile 关键字在 Kotlin 中也变成了注解：

@Volatile private var running = false

除了可以用 synchronized 这种方式来对代码进行同步加锁以外，在 Java 中还可以用 Lock 的方式来对代码进行加锁。所以我们试着改造一下上面的 buyGoods 方法：

var lock: Lock = ReentrantLock()

fun buyGoods(id: Long) {
    lock.lock()
    try {
        val stock = goods.getValue(id)
        goods.put(id, stock - 1)
    } catch (ex: Exception) {
        println("[Exception] is ${ex}")
    } finally {
        lock.unlock()
    }
}

但是这种写法似乎有如下不好之处：

• 若是在同一个类内有多个同步方法，将会竞争同一把锁；
• 在加锁之后，编码人员很容易忘记解锁操作；
• 重复的模板代码。

那么，我们现在试着对它进行改进，提高这个方式的抽象程度：

fun <T> withLock (lock: Lock, action: () -> T): T {
    lock.lock()
    try{
        return action()
    } catch (ex: Exception) {
        println("[Exception] is ${ex}")
    } finally {
        lock.unlock()
    }
}

withLock方法支持传入一个lock对象和一个Lamada表达式，所以我们现在可以不用关心对buyGoods进行加锁了，只需要在调用的时候传入一个lock对象即可。

fun buyGoods(id: Long) {
    val stock = goods.getValue(id)
    goods.put(id, stock - 1)
}

var lock: Lock = ReentrantLock()
withLock(lock) {
	buyGoods(1)
}

Kotlin 类库中也默认添加了该方式的支持：

var lock: Lock = ReentrantLock()
lock.withLock { 
	buyGoods(1)
}