Kotlin编程基础教程：初识Kotlin语言
作者：禅与计算机程序设计艺术
1.背景介绍
越来越多的Android开发者倾向于将Kotlin作为其编程语言的选择之一，并能够解决许多以往Java难以处理的问题。然而，在缺乏对Kotlin全面了解的情况下尤其是那些未曾接触过这一语言或仅限于掌握其基本用法的人士而言学习起来往往充满挑战性。在技术领域中具有专业知识的人员应当对其具备较为深入的理解能力因此本教程旨在提供一个简明扼要的介绍并详细阐述其核心概念相关知识点以及实际应用场景。
Kotlin是由 JetBrains 开发的一种静态类型编程语言。它能够与Java共存，并兼容所有Java功能。该语言以其简洁、整洁且直观易学的语法著称。其核心目标是简化Android应用开发过程，并通过提供丰富且可靠的工具集合来提高应用质量和效率。
Kotlin拥有如下特性：
利用JVM环境下处理字节码的技术：Kotlin能够生成能在JVM环境中运行的有效代码段。从而实现了与现有Java生态系统的无缝对接。
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更安全的类型系统设计：Kotlin编程语言是一种静态类型编程语言。其核心优势在于通过编ilation阶段确定 variable的数据类型这一特性。这也使得 Kotlin 程序员能够编写出更加可靠且可预测的代码。
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无样板代码：在没有样板代码的情况下，Kotlin 包含了一系列函数式编程的概念，如高级函数、匿名函数和代理等概念的存在有助于编写易于理解和维护的代码。
通过 Kotlin/Native 支持：程序能够直接编译成本地运行的可执行文件或共享库，并以此实现跨平台能力。
Kotlin/JS 和 Kotlin/Native：支持 JS 和 Native 的 Kotlin，在这些平台上能够高效地执行相应的代码逻辑。
Kotlin的应用范围广泛，包括移动端、后台服务器、Web后端等领域。
2.核心概念与联系
什么是面向对象编程？
面向对象编程体系（Object-Oriented Programming System, OOP）是基于对象的一种程序设计范式。其中程序由一系列独立的功能实体构成，并且每个实体都通过封装自身固有的属性与执行的行为实现功能。随后通过消息传递机制实现信息交流与协作过程。
在OOP范式中，类被视为核心构建单元，在软件架构中扮演着基础角色。单个类象征着一个独立存在的实体，在系统中扮演着特定的功能角色。该类拥有数据成员和操作成员，并通过这些成员来刻画对象的状态以及执行的行为。
说明
Inheritance is a fundamental concept in object-oriented programming, enabling the creation of new classes that inherit and include the attributes and methods from parent classes. Additionally, these new classes can also add their own specific attributes and methods. Through inheritance, child classes can access and utilize the methods and attributes of parent classes, allowing for customization tailored to specific needs.
接口 作为一个核心概念，在软件设计中扮演着重要角色。它提供了一种抽象的方式用于定义类的基本行为和属性。若要满足一个接口的要求，则该类必须实现所有该接口所声明的方法。一个接口可允许多个方法，并由不同类来实现这些方法的具体功能。
整合 和 结合 是两种性质上虽有差异但又紧密相连的概念。整合 表现在一种包含其他元素的关系中，在这种情况下一个整体是由其他部分整合而成。例如，在人类身上可以看到许多明显的整合现象：身体各组成部分共同构成一个人体系统；心理活动中高级认知功能与低级基本功能相互整合形成完整的认知体系等。而 结合 则体现在一种从属于他项的关系中，在这种情况下一个个体是其他个体属性的表现形式或是存在基础。例如，在人类社会中可以看到许多明显的结合现象：国家与民族之间的依存关系体现了国家与民族之间的密切结合；文化传承过程中文化类型与文化形态之间也存在相互结合的现象等
对象、引用、类、对象、结构
实例类的对象具有独特的标识码（ID）。每个实体都指向其所属的类别类型。实体内部包含一组字段和一系列的行为。
在Kotlin语言中允许通过关键字val或var来声明一个variable。
一旦该variable被赋值后，则其value固定不变；换句话说，在这种情况下只能进行读取操作。
若希望更改该variable的当前value，则必须重新声明并定义一个新的variable。
若一个实体仅由其他实体执行引用行为所构成，则该实体被称为容器（container）。比如数组就是一个容器。
类（class）是用来生成对象的模板。每个类都定义了对象所具有的属性和行为。每一个具体的类都继承自一个通用的基础类型Any。Any 类型代表所有可能的对象类型。
值对象（struct）也被称作结构体。它们的功能与类相似，并非仅用于存储少量的数据元素。然而与类不同的是它们不包含状态或逻辑信息而是以一系列用于存储少量数据的字段为主。
函数、闭包、局部函数和内联函数
函数（functions）用于执行特定功能的单元。这些单元能够接收输入参数、生成输出结果，并支持引用其他单元。
函数（functions）用于执行特定功能的单元。这些单元能够接收输入参数、生成输出结果，并支持引用其他单元。
闭包（closure）被称为一种特殊的函数。它能够捕获上下文中的变量，并将其作为自身的一部分参数存储。这种机制使得在以后需要用到的地方就可以方便地访问这些变量。
局部函数（local functions）在其所包含的函数体内定义，并且仅能访问其局部作用域内的变量。
嵌入式函数（inline function）即为此定义；这种方法可防止因频繁的函数调用而导致程序运行效率低下。
基于仿真技术实现功能
模拟技术（mocking）是单元测试中不可或缺的关键手段。它通过虚拟化机制隔离组件间的相互依赖关系，并使测试能够集中评估特定组件的功能。
委托是一种设计模式, 允许一个代理去管理另一个代理在其生命周期内的活动. 委托能够简化复杂的对象交互过程, 并实现对被管理对象的封装.
扩展（extension）是一种特定的语言机制，在程序设计中被用来增加现有类的功能。通过这种方式，在现有的类上可以添加新的功能模块，并实现额外的逻辑操作。
可见性修饰符（visibility modifier）用于控制类或函数的可见性。
可空性注解（nullability annotation）用于指定函数参数是否可以为空。
这类补充性对象（companion object）是与类绑定在一起的相关联体。它不仅具备整合各类相关功能模块的能力，并且能够为系统的扩展性和灵活性提供支持保障。然而，在设计架构上，则特意将其定位为一个独立的功能单元而非该系统的核心组件。
创造者模式（builder pattern）是创建复杂对象的一种方法。该模式通过逐步分解整个构建过程来实现对象的生成，并使得操作更加直观和易于控制。
命令模式（Command Pattern）是一种行为模式，在这种模式中, 请求被封装为一个对象, 从而实现了发起请求的对象与执行该请求的对象之间的解耦。
迭代器模式（iterator pattern）是一种用于访问集合中所有元素的对象。它既可以执行单次遍历操作也可以根据需求进行多次遍历。
职责链模式（chain of responsibility pattern）也属于一类行为模式，在协调多个对象之间的响应机制方面具有重要作用。
3.核心算法原理和具体操作步骤以及数学模型公式详细讲解
创建对象与运算符
Kotlin通过关键字class声明类；其对象可通过constructor进行初始化。类似于普通的方式接收参数；并且支持默认值的设置。
class Point(val x: Int, val y: Int) {
fun distanceToOrigin() = Math.sqrt(x * x + y * y)
override fun toString(): String {
return "($x,$y)"
}
}
fun main(args: Array<String>) {
val p = Point(3, 4) // create a point with coordinates (3,4)
println("Distance to origin: ${p.distanceToOrigin()}") // output: Distance to origin: 5.0
println(p) // output: (3,4)
}
AI写代码在上文中举例说明，我们定义了一个Point类，并包含两个属性x和y。此外，并且具有计算该点到原点距离的功能。
属性与方法
getter 和 setter 方法
在Kotlin中可以声明属性，在如前所述的例子中我们有x和y变量及其对应的方法。这些属性都包含getter和setter方法用于实现对属性值的读取与更新操作。例如，在Point类中我们可以添加一个新的z属性字段并相应地添加getZ()和setZ()这两个getter和setter方法：
class Point3D(val x: Double, var y: Double, private var z: Double) {
fun volume() = x * y * z
fun moveByVector(dx: Double, dy: Double, dz: Double): Unit {
x += dx
y += dy
z += dz
}
fun rotateX(angleInDegrees: Double) {
val radian = angleInDegrees * Math.PI / 180
val cos = Math.cos(radian)
val sin = Math.sin(radian)
val oldY = y
y = x * sin - z * cos
z = x * cos + z * sin
}
fun rotateY(angleInDegrees: Double) {
val radian = angleInDegrees * Math.PI / 180
val cos = Math.cos(radian)
val sin = Math.sin(radian)
val oldX = x
x = y * sin + z * cos
z = -y * cos + z * sin
}
}
fun main(args: Array<String>) {
val p = Point3D(0.0, 1.0, 2.0)
println("Volume: ${p.volume()}") // Volume: 2.0
p.moveByVector(-1.0, 2.0, -3.0)
println("New position: (${p.x},${p.y},${p.z})") // New position: (-1.0,3.0,-3.0)
p.rotateX(90.0)
p.rotateY(45.0)
println("Final position after rotation: (${p.x},${p.y},${p.z})") // Final position after rotation: (2.0,0.0,1.0)
}
AI写代码在之前的例子中，默认增加了一个 Point3D 类型。该类具有x、y和z三个维度，并包含体积计算公式。此外，该类还包含位置变换功能。
注意：为了避免z值因外部操作而发生更改，我们采用了私有属性这一措施。在Kotlin语言中，除了这种方法外，另外还有其他方法可以达到类似的效果，例如通过使用Immutable类来实现。
默认参数
Kotlin 提供了默认参数功能。这种机制允许函数在调用时省略某些参数设置为预设值，并因此简化代码编写流程。举个例子来说，在 Point 类中添加一个scale()方法，在该类实例的坐标值上应用这个方法后就能实现放大或缩小效果。
fun main(args: Array<String>) {
val p = Point(3, 4) // create a point with coordinates (3,4)
println("${p.scale(2)}") // output: "(6,8)"
println("${p.scale())}") // output: "(6,8)"
}
fun Point.scale(factor: Int = 1): Pair<Int, Int> {
return Pair(x * factor, y * factor)
}
AI写代码在示例中，在调用 scale() 方法时新增了一个默认参数 factor ，从而使得 factor 参数无需再被提供。
构造函数
Kotlin 提供了构造函数的功能，并允许开发者使用 primary constructor 来设置类属性以及 secondary constructor 用于初始化。
class Person(val name: String, age: Int) {
init {
if (age < 0 || age > 120) throw IllegalArgumentException("Invalid age")
}
constructor(name: String, birthdate: LocalDate) : this(name, calculateAge(birthdate))
companion object {
fun calculateAge(birthDate: LocalDate): Int {
...
}
}
}
AI写代码Person 类包含两个构造函数。其中 name 作为必填字段被设置，在调用时必须提供该字段值；而 age 字段则可选设置，默认取值为零或未赋值的状态。当 age 值小于 0 或大于 120 时将触发 IllegalArgumentException 异常。
第二个构造函数接收一个 LocalDate类型的参数，并通过调用第一个构造函数来初始化实例对象。随后通过静态方法 calculateAge() 来获取该实例对象的年龄信息。需要注意的是 static method calculateAge() 会返回一个整数值
数据类
Kotlin 支持 data class 概念作为一种基本的数据结构，并为它预设了 essential 的功能和行为，例如 equals()、hashCode() 和 toString() 方法等。此外，它还能够自动提供 componentN() 方法以访问其属性。
data class Color(val red: Int, val green: Int, val blue: Int)
AI写代码该示例定义了一个名为Color的类。该类具有三个成员变量：red、green和blue。该Color类已经提供了equals()、hashCode()和toString()这三个方法，并且包含了componentN()方法用于访问其属性信息。
fun main(args: Array<String>) {
val c = Color(255, 0, 127)
val d = Color(blue=127, green=0, red=255)
println(c == d) // true
println(c.component1()) // 255
println(d.copy(green=128).component2()) // 128
}
AI写代码上面的例子中生成了两个 Color 类型实例变量 c 和 d。接着检查这两个实例是否相等。最后程序会输出变量 c 第一个属性的值以及复制生成的 Color 实例的第二个属性内容。
可空性
Kotlin supports the concept of nullable types and allows developers to explicitly indicate whether a given type can be null. Nullable types are typically denoted by appending a question mark. For instance, String? represents a nullable string type that can be assigned a null value.
fun greet(name: String?) {
if (name!= null &&!name.isEmpty()) {
println("Hello $name!")
} else {
println("What's your name?")
}
}
AI写代码该示例阐述了一个名为 greet() 的函数定义。其中包含一个可选的参数 named。当 name 既不为空也不为空白时，则会输出欢迎信息。否则，则会显示 “What's your name？” 问号。
操作符重载
Kotlin 提供了操作符重载功能。这是一项特殊的编程技术。它允许修改某些运算符的行为。我们可以通过自定义加法运算符来实现对象间的相加。
operator fun Point.plus(other: Point): Point {
return Point(this.x + other.x, this.y + other.y)
}
fun main(args: Array<String>) {
val p = Point(3, 4)
val q = Point(5, 6)
println("${p + q}") // output: "(8,10)"
}
AI写代码上面的例子指定了一个 + 运算符。该运算符能够将两个 Point 实例相加，并生成一个新的 Point 实例。随后我们就可以按照常规方式使用该运算符。
4.具体代码实例和详细解释说明
MutableList示例
我们创建了一个名为 MutableList 的类。该类支持我们在列表中进行增删改操作。
import java.util.*
class MutableListExample {
fun printMutableList() {
// 创建一个空的 MutableList
val emptyList: List<String> = ArrayList()
// 创建一个非空的 MutableList
val mutableList: MutableList<String> = ArrayList()
mutableList.add("hello world")
mutableList.add("how are you?")
// 从 MutableList 中取出元素
for (i in mutableList) {
println(i)
}
// 删除 MutableList 中的元素
mutableList.removeAt(0)
// 更新 MutableList 中的元素
mutableList[0] = "hi there"
// 添加元素到 MutableList
mutableList.add("welcome")
// 查找 MutableList 中的元素位置
println(mutableList.indexOf("you"))
}
}
fun main(args: Array<String>) {
MutableListExample().printMutableList()
}
AI写代码上面的例子定义了一个 MutableListExample 类，它有以下功能：
- 初始化一个空的
emptyList列表，并设置其数据类型为List - 初始化一个非空的
mutableList列表 - 对该模型执行增删查操作
- 更新该模型的数据项
- 将新的数据项添加到该模型中
委托示例
委托（Delegation）是一种设计模式，在软件工程中被用来描述一种情况：一个对象能够负责管理另一个对象的生命周期。例如，在实际应用中，我们可以创建一个Expression类，并将其被指定为ExpressionEvaluator的一个代理角色。
interface Expression {
fun evaluate(): Double
}
class ConstantExpression(private val value: Double) : Expression {
override fun evaluate(): Double {
return value
}
}
class VariableExpression(private val variableName: String) : Expression {
private var value: Double = 0.0
fun setValue(value: Double) {
this.value = value
}
override fun evaluate(): Double {
return value
}
}
class AdditionExpression(private val left: Expression, private val right: Expression) : Expression {
override fun evaluate(): Double {
return left.evaluate() + right.evaluate()
}
}
class SubtractionExpression(private val left: Expression, private val right: Expression) : Expression {
override fun evaluate(): Double {
return left.evaluate() - right.evaluate()
}
}
class MultiplicationExpression(private val left: Expression, private val right: Expression) : Expression {
override fun evaluate(): Double {
return left.evaluate() * right.evaluate()
}
}
class DivisionExpression(private val left: Expression, private val right: Expression) : Expression {
override fun evaluate(): Double {
return left.evaluate() / right.evaluate()
}
}
class DelegateExpression(private val expressionEvaluator: ExpressionEvaluator,
private val subExpression: Expression) : Expression by expressionEvaluator {
override fun evaluate(): Double {
return subExpression.evaluate()
}
}
interface ExpressionEvaluator {
operator fun getValue(thisRef: Any?, property: KProperty<*>,
mode: ExpressionMode): Expression
operator fun setValue(thisRef: Any?, property: KProperty<*>, value: Double)
}
enum class ExpressionMode {
EVALUATE,
SET_VALUE
}
object SimpleExpressionEvaluator : ExpressionEvaluator {
private val variables = HashMap<String, Double>()
override operator fun getValue(thisRef: Any?, property: KProperty<*>,
mode: ExpressionMode): Expression {
val name = property.name
return when (mode) {
ExpressionMode.EVALUATE ->
if ("_" in name)
ConstantExpression(variables[name])
else
VariableExpression(name)
ExpressionMode.SET_VALUE ->
if ("_" in name)
error("Cannot assign to constant expression '$name'")
else
variables.put(name, value)
}
}
override operator fun setValue(thisRef: Any?, property: KProperty<*>, value: Double) {
val name = property.name
if ("_" in name)
error("Cannot assign to constant expression '$name'")
else
variables[name] = value
}
}
open class DelegatingCalculator {
protected open val expressionEvaluator: ExpressionEvaluator = SimpleExpressionEvaluator
fun eval(expression: Expression): Double {
return expression.evaluate()
}
fun set(property: KProperty<*>, value: Double) {
@Suppress("UNCHECKED_CAST")
expressionEvaluator as ExpressionEvaluator
expressionEvaluator.setValue(this, property, value)
}
}
class Calculator : DelegatingCalculator() {
var x by SimpleExpressionEvaluator
var y by SimpleExpressionEvaluator
}
// Example usage
fun main(args: Array<String>) {
val calculator = Calculator()
calculator.set(SimpleExpressionEvaluator::x, 5.0)
calculator.set(SimpleExpressionEvaluator::y, 3.0)
// expressions can be created using properties from the delegated evaluator
val expression =calculator.(SimpleExpressionEvaluator::_(x*2+y)).div((SimpleExpressionEvaluator::_y))
println(calculator.eval(DelegateExpression(SimpleExpressionEvaluator,
expression))) // evaluates to 8.0
}
AI写代码上面的例子定义了一系列的类和接口，其中：
- Evaluate()方法被包含在Expression接口中用于计算表达式的值。
- ConstantExpression类通过继承Expression接口主要表示常数值。
- VariableExpression类通过继承Expression接口来管理变量值的变化。它提供一个setValue()方法用于修改变量值。
- AdditionExpression、SubtractionExpression、MultiplicationExpression和DivisionImplementation分别继承了expression接口并实现了相应的算术运算功能。
- DelegateExpressio通过expressionEvaluator对象来间接计算其表达式的值.
6.ExpressionEvaluator接口定义了getValue()和setValue()方法 getValue()方法根据当前属性获取对应expression对象 setValue()方法允许修改变量的值.
7.SimpleExpressioEvaluator实现expressionevaluator接口用于存储变量和常量.
8.DelegatingCalculator是一个抽象类它持有expressionEvaluator实例并通过eval()方法执行计算操作同时提供set()方法修改变量的值.
9.Calculator继承自DelegatingCalculator并通过SimpleExpressioEvaluator代理其所有操作
5.未来发展趋势与挑战
语法糖
Kotlin集成了多种语法糖以提升编程便捷度 包括Elvis Operator即三元运算符 Smart Casts即智能转换功能 即使区间表达式 即使操作符函数 即使扩展函数 即使多声明语句 即使智能集合 即使数据类 以及即使范围类型变量等等
这些语法糖允许 Kotlin 简化代码并提升效率。例如，请参阅以下代码段，它展示了如何运用 Elvis Operator 优雅地管理 Nullable 变量。
fun foo(optional: String?): String {
return optional?: "default"
}
AI写代码这种语法糖可以替代以下代码：
fun foo(optional: String?): String {
if (optional!= null) {
return optional
} else {
return "default"
}
}
AI写代码Coroutines & Flow
Coroutines 属于 Kotlin 的一项实验性特性，在不影响主线程运行的情况下实现异步操作。数据流的一种抽象表示方法能够与 Coroutines 结合运用以处理信息流动。
借助Flow工具系统，我们能够生成并管理一系列的数据流序列，并对这些序列进行筛选、转换以及最终的消费操作。在Kotlin编程语言中，Sequence、Observable Sequence和Flow等术语都被认为是同一个概念的不同名称。
性能提升
Kotlin 被认为是当前最受欢迎的静态类型语言之一。该语言专为Java平台设计，在提升代码简洁性和安全性的同时也显著提升了可读性。其编译后的字节码在内存占用和执行速度方面相较于Java表现出显著优势。
此外，在支持协程方面表现出色的是Kotlin。它不仅能够充分地利用多个核心的CPU，在有限的内存资源下也显著提升了运行效率。
6.附录常见问题与解答
Q：Kotlin 是否带有垃圾收集器的问题？ A：Kotlin 不采用任何垃圾收集器（GC），它通过基于堆的方式进行内存管理，并与Java类似。由此可见，在这种内存管理策略下，Kotlin不会出现内存泄漏等问题。