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Kotlin 源码里成吨的 noinline 和 crossinline 是干嘛的?看完这个视频你转头也写了一吨

视频先行

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Kotlin 里有个特别好用的关键字叫 inline,它可以帮你对做了标记的函数进行内联优化。所谓内联就是,调用的函数在编译的时候会变成代码内嵌的形式: image.png

这样的好处很明显,调用栈变浅了嘛,对吧? image.png

不过事实上这种对调用栈的优化的效果非常小,小到了应该被忽略的程度。是应该被忽略,不是可以被忽略,因为这种优化不仅没啥用,而且还可能因为代码多处拷贝而导致编译生成的字节码膨胀,从而变成负优化。所以,这种东西我们要它干嘛呢?

——哎?那我讲个屁呀?

正文在这里

大家好,我是扔物线朱凯。

Java 里有个概念叫编译时常量 Compile-time Constant,直观地讲就是这个变量的值是固定不变的,并且编译器在编译的时候就能确定这个变量的值。具体到代码上,就是这个变量需要是 final 的,类型只能是字符串或者基本类型,而且这个变量需要在声明的时候就赋值,等号右边还不能太复杂。总之就是你得让编译器一眼瞟过去就能看出结果。这种编译时常量,会被编译器以内联的形式进行编译,也就是直接把你的值拿过去替换掉调用处的变量名来编译。这样一来,程序结构就变简单了,编译器和 JVM 也方便做各种优化。这,就是编译时常量的作用。

这种编译时常量,到了 Kotlin 里有了一个专有的关键字,叫 const:一个变量如果以 const val 开头,它就会被编译器当做编译时常量来进行内联式编译: image.png

——当然你得符合编译时常量的特征啊,不然会报错,不给编。 image.png

inline

让变量内联用的是 const;而除了变量,Kotlin 还增加了对函数进行内联的支持。在 Kotlin 里,你给一个函数加上 inline 关键字,这个函数就会被以内联的方式进行编译。但!虽然同为内联,inline 关键字的作用和目的跟 const 是完全不同的。

编译时常量为什么这么多限制?因为只有符合这些限制,编译器和 JVM 才有能力做优化,从而这种内联操作也才有意义。稍微复杂一点,就优化不动了。什么叫「稍微复杂」我不知道,但是函数内联这种操作,绝对算得上是相当复杂了,绝对优化不动的。其实真要较真起来,函数的内联确实会产生一种被动的优化,就是刚才我说的:去掉一个函数,调用栈少了一层,性能的损耗肯定会少一些,但实际上调用栈本身所造成的性能损耗本来就是非常小的,这个优化跟没优化差不多。这个事实可能不太符合我们的直觉,但你这样想一下:在我们看到的各种性能优化规范里,你有没有见过类似「少写几个方法来减少调用栈」这样的优化策略?没有吧?为什么?因为这种优化没有意义。而同时,函数内联不同于常量内联的地方在于,函数体通常比常量复杂多了,而函数内联会导致函数体被拷贝到每个调用处,如果函数体比较大而被调用处又比较多,就会导致编译出的字节码变大很多。我们都知道编译结果的压缩是应用优化的一大指标,而函数内联对于这项指标是明显不利的。所以靠 inline 来做性能优化?不存在的。

那么问题就来了:inline 是干嘛用的呢?

事实上,inline 关键字不止可以内联自己的内部代码,还可以内联自己内部的内部的代码。什么叫「内部的内部」?就是自己的函数类型的参数。

例如我把 hello() 函数的定义改成这样,给它增加一个函数类型的参数: image.png

相应地,在调用处也需要填上这个参数。

我可以填成匿名函数的形式: image.png

也可以简单点,写成 Lambda 表达式: image.png

因为 Java 并没有对函数类型的变量的原生支持,Kotlin 需要想办法来让这种自己新引入的概念在 JVM 中落地。而它想的办法是什么呢?就是用一个 JVM 对象来作为函数类型的变量的实际载体,让这个对象去执行实际的代码。也就是说,在我对代码做了刚才那种修改之后,程序在每次调用 hello() 的时候都会创建一个对象来执行 Lambda 表达式里的代码,虽然这个对象是用一下之后马上就被抛弃,但它确实被创建了。

这有什么坏处?其实一般情况下也没什么坏处,多创建个对象算什么?但是你想一下,如果这种函数被放在循环里执行: image.png

内存占用是不是一下就飚起来了?而且关键是,你作为函数的创建者,并不知道、也没法规定别人在什么地方调用这个函数,也就是说,这个函数是否出现在循环或者界面刷新之类的高频场景里,是完全不可控的。这样一来……这一类函数就全都有了性能隐患了。高阶函数是 Kotlin 相比起 Java 很方便的一个特性,但却有这么一个性能隐患,这……还让人怎么放心用啊?

这就是 inline 关键字出场的时候了。

刚才我说了,inline 关键字不止可以内联自己的内部代码,还可以内联自己内部的内部的代码,意思是什么呢,就是你的函数在被加了 inline 关键字之后,编译器在编译时不仅会把函数内联过来,而且会把它内部的函数类型的参数——那就是那些 Lambda 表达式——也内联过来。换句话说,这个函数被编译器贴过来的时候是完全展开铺平的: image.png

经过这种优化,是不是就避免了函数类型的参数所造成的临时对象的创建了?这样的话,是不是就不怕在循环或者界面刷新这样的高频场景里调用它们了? image.png

这,就是 inline 关键字的用处:高阶函数(Higher-order Functions)有它们天然的性能缺陷,我们通过 inline 关键字让函数用内联的方式进行编译,来减少参数对象的创建,从而避免出现性能问题。

所以,inline 是用来优化的吗?是,但你不能无脑使用它,你需要确定它可以带来优化再去用它,否则可能会变成负优化。其实换个角度想想:既然 inline 是优化,为什么 Kotlin 没有直接开启它,而要把它做成选项,而且还是个默认关闭的选项?就是因为它还真不一定是优化,加不加它需要我们自己去做判断。那怎么去做这个判断呢?很简单,如果你写的是高阶函数,会有函数类型的参数,加上 inline 就对了。

嗯……不过如果你们团队对于包大小有非常极致的追求,也可以选择酌情使用 inline,比如对代码做严格要求,只有会被频繁调用的高阶函数才使用 inline——这个可能在实施上会有点难度,一般来说,按我刚才说的原则就已经够了。

另外,Kotlin 的官方源码里还有一个 inline 的另类用法:在函数里直接去调用 Java 的静态方法: image.png

用偷天换日的方式来去掉了这些 Java 的静态方法的前缀,让调用更简单: image.png

这个很有必要跟大家提一下:这种用法不是 inline 被创造的初衷,也不是 inline 的核心意义,这属于一种相对偏门的另类用法。——不过这么用没什么问题啊,因为它的函数体简洁,并不会造成字节码膨胀的问题。你如果有类似的场景,也可以这么用。

讲到这儿……应该知道内联函数怎么用了吧?那我们就……继续深入一下?

noinline

说完 inline,我们来说另一个关键字:noinline。noinline 的意思很直白:inline 是内联,而 noinline 就是不内联。不过它不是作用于函数的,而是作用于函数的参数:对于一个标记了 inline 的内联函数,你可以对它的任何一个或多个函数类型的参数添加 noinline 关键字: image.png

添加了之后,这个参数就不会参与内联了: image.png

好理解吧?好理解是好理解,(皱眉)可是这有什么用啊?为什么要关闭这种优化?

首先我们要知道,函数类型的参数,它本质上是个对象。我们可以把这个对象当做函数来调用,这也是最常见的用法: image.png

但同时我们也可以把它当做对象来用。比如把它当做返回值: image.png

但当我们把函数进行内联的时候,它内部的这些参数就不再是对象了,因为他们会被编译器拿到调用处去展开。也就是说,当你的函数被这样调用的时候: image.png

代码会被这样编译: image.png

哎?请问你找谁啊? image.png

发现问题了吗?当一个函数被内联之后,它内部的那些函数类型的参数就不再是对象了,因为它们的壳被脱掉了。换句话说,对于编译之后的字节码来说,这个对象根本就不存在。一个不存在的对象,你怎么使用?

所以当你要把一个这样的参数当做对象使用的时候,Android Studio 会报错,告诉你这没法编译: image.png

那……我如果真的需要用这个对象怎么办?加上 noinline: image.png

加了 noinline 之后,这个参数就不会参与内联了: image.png

那我们就也可以正常使用它了。

所以,noinline 的作用是什么?是用来局部地、指向性地关掉函数的内联优化的。既然是优化,为什么要关掉?因为这种优化会导致函数中的函数类型的参数无法被当做对象使用,也就是说,这种优化会对 Kotlin 的功能做出一定程度的收窄。而当你需要这个功能的时候,就要手动关闭优化了。这也是 inline 默认是关闭、需要手动开启的另一个原因:它会收窄 Kotlin 的功能。

那么,我们应该怎么判断什么时候用 noinline 呢?很简单,比 inline 还要简单:你不用判断,Android Studio 会告诉你的。当你在内联函数里对函数类型的参数使用了风骚操作,Android Studio 拒绝编译的时候,你再加上 noinline 就可以了。

crossinline

最后再来说 crossinline。这是个很有意思的关键字,刚才讲的 noinline 是局部关闭内联优化对吧?而这个 crossinline,是局部加强内联优化。

我们先来看代码。这里有一个内联函数,还有一个对它的调用: image.png

假如我往这个 Lambda 表达式里加一个 return: image.png

这个 return 会结束哪个函数的执行?是它外面的 hello() 还是再往外一层的 main()?

按照通常的规则,肯定是结束 hello() 的对吧?因为 hello() 离它近啊,return 所结束的肯定是直接包裹住它的那个函数。可是大家想一想,这个 hello() 是个内联函数对不对?内联函数在编译优化之后会怎么样?会被铺平是不是?而这个调用,在铺平后会变成这样: image.png

那你再看看,return 结束的是哪个函数?是外层的对吧?也就是说,对于内联函数,它的参数中 Lambda 的 return 结束的不是这个内联函数,而是那个调用这个内联函数的更外层的函数。是这个道理吧!

道理是这个道理,但这就有问题了。什么问题?我一个 return 结束哪个函数,竟然要看这个函数是不是内联函数!那岂不是我每次写这种代码都得钻到原函数里去看看有没有 inline 关键字,才能知道我的代码会怎么执行?那这也太难了吧!

这种不一致性会给我们带来极大困扰,因此 Kotlin 制定了一条规则:Lambda 表达式里不允许使用 return,**除非——**这个 Lambda 是内联函数的参数。

那这样的话规则就简单了:

  1. Lambda 里的 return,结束的不是直接的外层函数,而是外层再外层的函数;
  2. 但只有内联函数的 Lambda 参数可以使用 return。

注:Lambda 可以用 return@label 的方式来显式指定返回的位置,但这个不是今天讨论的内容。

这样就既消了歧义,也避免了需要反复查看每个函数是不是内联函数的麻烦。

不过……我们如果把事情再变复杂一点——最后一次了,不会更复杂了: image.png

这次,我用 runOnUiThread() 把这个参数放在了主线程执行,这是一种很常见的操作。

但,这就带来了一个麻烦:本来在调用处最后那行的 return 是要结束它外层再外层的 main() 函数的,但现在因为它被放在了 runOnUiThread() 里,hello() 对它的调用就变成了间接调用。所谓间接调用,直白点说就是它和外层的 hello() 函数之间的关系被切断了。和 hello() 的关系被切断,那就更够不着更外层的 main() 了,也就是说这个间接调用,导致 Lambda 里的 return 无法结束最外面的 main() 函数了。 image.png

这就表示什么?当内联函数的 Lambda 参数在函数内部是间接调用的时候,Lambda 里面的 return 会无法按照预期的行为进行工作。

这就比较严重了,因为这造成了 Kotlin 这个语言的稳定性的问题了。结果是不可预测的,这能行吗,是吧?

那怎么办?

Kotlin 的选择依然是霸气一刀切:内联函数里的函数类型的参数,不允许这种间接调用。 image.png

解决了!解决不了问题,我就解决提出问题的人。

那我如果真的有这种需求呢?如果我真的需要间接调用,怎么办?使用 crossinline。

crossinline 也是一个用在参数上的关键字。当你给一个需要被间接调用的参数加上 crossinline,就对它解除了这个限制,从而就可以对它进行间接调用了: image.png

不过这就又会导致前面说过的「不一致」的问题,比如如果我在这个 Lambda 里加上一句 return:

image-20200904031015909
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它结束的是谁?是包着它的 runOnUiThread(),还是依然是最外层的 main()?

对于这种不一致,Kotlin 增加了一条额外规定:内联函数里被 crossinline 修饰的函数类型的参数,将不再享有「Lambda 表达式可以使用 return」的福利。所以这个 return 并不会面临「要结束谁」的问题,而是直接就不许这么写。 image.png

也就是说,间接调用和 Lambda 的 return,你只能选一个。

那我如果就是两个都想要,怎么办呢?——这个我就没办法了,真不行。

所以什么时候需要 crossinline?当你需要突破内联函数的「不能间接调用参数」的限制的时候。但其实和 noinline 一样,你并不需要亲自去判断,只要在看到 Android Studio 给你报错的时候把它加上就行了。

总结

inline、noinline 和 crossinline 是三个很有用也很好用的关键字,我们在 Kotlin 的官方源码以及各种开源库的源码里也常会见到它们。 image.png

到现在,它们的含义和使用已经讲完了,过程很复杂,但结论很简单。总结下来就是:

  1. inline 可以让你用内联——也就是函数内容直插到调用处——的方式来优化代码结构,从而减少函数类型的对象的创建;
  2. noinline 是局部关掉这个优化,来摆脱 inline 带来的「不能把函数类型的参数当对象使用」的限制;
  3. crossinline 是局部加强这个优化,让内联函数里的函数类型的参数可以被当做对象使用。

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