3 面向对象：理解Kotlin设计者的良苦用心

你好，我是朱涛。这节课，我们来学习Kotlin的面向对象编程：类、接口、继承、嵌套，以及Kotlin独有的数据类和密封类。

面向对象（Object Oriented）是软件开发方法，也是计算机界应用最广的一种编程范式。它是把程序的“数据”和“方法”作为一个整体来看待，将其抽象成了一个具体的模型，从而更贴近事物的自然运行模式。它的特点是简单易懂，符合人类的思维模式。

在“面向对象”的概念上，虽然Kotlin和Java之间有一定的语法差异，但底层的思想是没有变的。比如Java和Kotlin当中，都有类、接口、继承、嵌套、枚举的概念，唯一区别就在于这些概念在两种语言中的具体语法不同。**我们需要做的，仅仅只是为我们脑海里已经熟知的概念，再增加一种语法规则而已。**

而如果你没有Java基础也没关系，今天这节课要学习的内容，几乎是所有编程语言都需要掌握的概念。在掌握了Kotlin面向对象的编程思想后，如果你再去学习其他编程语言，你也照样可以快速迁移这些知识点。

当然，Kotlin作为一门新的语言，它也创造了一些新的东西，比如数据类、密封类、密封接口等。这些Kotlin的新概念，会是我们需要着重学习的对象。**实际上，也正是因为Kotlin的这些独有概念，使得它形成了一种独特的编程风格和编程思想。**

那么，在学习这节课的时候，我想请你注意一点，就是如果你已经有了Java、C的编程经验，一定要有意识地跳出从前的编程习惯，尝试去理解Kotlin的编程思想。只有这样，你才能写出地道的Kotlin代码，而不仅仅只是用Kotlin语法翻译Java/C代码。

### 怎么写出有Kotlin特点的类？
Kotlin当中的“类”，我们可以将其理解为对某种事物的“抽象模型”。比如说，我们可以在Kotlin当中定义一个类，它叫做Person。
```kotlin
class Person(val name: String, var age: Int)
```
计算机的世界里当然没有“人”的概念，但是这并不妨碍我们在代码当中定义一个人的“抽象模型”。上面的Person类当中，有一个属性，叫做“name”，每个人都会有名字，而名字也是属于人的一部分。这也很好理解，对吧。

不过，如果你以Java的角度来分析上面的代码的话，会发现它并没有表面上那么简单。如果我们将其翻译成等价的Java代码，它会变成很多行代码：
```Java
public class Person {
    private String name;
    private int age;

public Person(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

// 属性 name 没有 setter
    public String getName() {
        return name;
    }

public int getAge() {
        return age;
    }

public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }
}
```
那么，把Kotlin和Java的代码对比着来看，我们很快就会发现，Kotlin当中，Person类的name是用val修饰的，这意味着，它在初始化以后将无法被修改。这个逻辑对应到Java当中，就是该变量只有getter没有setter。而Kotlin当中，Person类的age是var修饰的，意味着它是可以被随意修改的。这个逻辑对应到Java当中，就是该变量既有getter也有setter。

这下你应该就明白了，Kotlin定义的类，在默认情况下是public的，编译器会帮我们生成“构造函数”，对于类当中的属性，Kotlin编译器也会根据实际情况，自动生成getter和setter。

到这里，我们不得不感叹Kotlin语言的简洁性。Kotlin里简单到不能再简单的一行代码，在Java中却要写这么一大串。要注意，这里的差距并不仅仅是我们程序员敲代码的时间，还包括后续我们迭代维护的时间，或者说是读代码的时间。Kotlin一行代码，我们轻松就能理解了，而对应的Java则完全不一样。并且，这还只是一个最简单的案例，真实的程序比这复杂千万倍。

### 自定义属性getter
我们继续来看前面的Person类的例子。如果这时候，我们希望它增加一个功能，就是根据年龄的大小自动判断是不是成年人，也就是age≥18。

如果按照我们从前的Java思维，一定会习以为常地写出下面这样的代码，也就是为Person类增加一个新的方法：isAdult()。
```kotlin
class Person(val name: String, var age: Int) {
    fun isAdult(): Boolean {
        return age >= 18 
    }
}
```
又或者，我们可以充分发挥Kotlin的简洁语法特性，将isAdult()写得更加清爽一些：
```kotlin
class Person(val name: String, var age: Int) {
    fun isAdult() = age >= 18 
}
```
代码写成这样，已经算不错了。然而，我们还可以用另一种更符合直觉的写法，那就是将isAdult()定义成Person的属性。具体的做法，就是借助Kotlin属性的自定义getter。
```kotlin
class Person(val name: String, var age: Int) {
    val isAdult
        get() = age >= 18
//        ↑
//    这就是isAdult属性的getter方法
}
```
所谓getter，就是获取属性值的方法。我们通过自定义这个get()方法，就可以改变返回值的规则。比如，这里的年龄大于等于18，就是成年人，这个规则就是通过自定义来实现的。

以上的isAdult属性，我们省略了它的类型，因为编译器会自动推导它的类型是Boolean（布尔）类型。另外，由于get()方法内部只有一行代码，我们使用了函数的“单一表达式”写法，直接用等号连接即可。

而如果get()方法内部的逻辑比较复杂，我们仍然可以像正常函数那样，带上花括号：
```kotlin
class Person(val name: String, var age: Int) {
    val isAdult: Boolean
        get() {
            // do something else
            return age >= 18
        }
}
```
不过需要注意的是，在这种情况下，编译器的自动类型推导就会失效了，所以我们要为isAdult属性增加明确的类型：Boolean。

看到这里，也许你会觉得奇怪：判断一个人是否为成年人，我们只需要判断age这个属性即可，为什么还要引入一个新的属性isAdult呢？这不是凭空多占用了一个变量的内存吗？这么做是否有必要？

实际上，这里涉及到Java到Kotlin的一种思想转变。让我们来详细分解上面的问题：

首先，从语法的角度上来说，是否为成年人，本来就是属于人身上的一种属性。我们在代码当中将其定义为属性，更符合直觉。而如果我们要给Person增加一个行为，比如walk，那么这种情况下定义一个新的方法就是非常合适的。
其次，从实现层面来看，我们确实定义了一个新的属性isAdult，但是Kotlin编译器能够分析出，我们这个属性实际是根据age来做逻辑判断的。在这种情况下，Kotlin编译器可以在JVM层面，将其优化为一个方法。
通过以上两点，我们就成功在语法层面有了一个isAdult属性；但是在实现层面，isAdult仍然还是个方法。这也就意味着，isAdult本身不会占用内存，它的性能和我们用Java写的方法是一样的。而这在Java当中是无法实现的。
所以，当你使用Kotlin来编写代码的时候，一定要注意其中引入的Kotlin属性的含义，并且理解它的底层实现逻辑。只有这样，你才能真正发挥Kotlin简洁语法的优势，而不必束缚在Java或者C的代码撰写思维里。

对了，也许你会突发奇想，想要将上面的代码进一步简化，比如写成这样：
```kotlin
class Person(val name: String, var age: Int) {
    val isAdult = age >= 18
}
```
但实际上，这种代码是无法正常工作的。由于它牵涉到Kotlin的原理，你可以在学完下一节“Kotlin原理”之后，再回过头来看看这段代码为什么有问题。

### 自定义属性setter
我们继续来看前面的Person案例，假设这时候我们又来了一个新的需求，希望在age被修改的时候，能够做一些日志统计工作。如果是Java，那我们直接在setAge()方法当中加入一些逻辑就行了。

可是在Kotlin当中，我们要怎么办呢？答案也很容易想到，自定义setter。
```kotlin
class Person(val name: String) {
    var age: Int = 0
//  这就是age属性的setter
//       ↓
        set(value: Int) {
            log(value)
            field = value
        }
    // 省略
}
```
所谓setter，就是可以对属性赋值的方法。当我们想要改变属性的赋值逻辑时，我们就可以通过自定义来实现了。需要注意的是，以上代码当中的value，就是set方法传入的参数。而set()方法当中的field则是代表了age，这是Kotlin编译器为我们提供的字段。field = value，这一行代码就表示我们实现了对age的赋值操作。

有的时候，我们不希望属性的set方法在外部访问，那么我们可以给set方法加上可见性修饰符，比如这里，我们可以给set方法加上private，限制它仅可以在类的内部访问：
```kotlin
class Person(val name: String) {
    var age: Int = 0
        private set(value: Int) {
            log(value)
            field = value
        }
    // 省略
}
```
在了解了Kotlin中类的定义以后，我们再来看一种特殊的类：抽象类。

### 抽象类与继承
前面我们所创建的类，比如Person，它是具体的、已经定型的类，我们可以直接用它来创建对象。而抽象类，则不是具体的类，它没有完全定型，我们也不能直接用它来创建对象。

在Kotlin当中，抽象类的定义和Java几乎一样，也就是在关键字“class”“fun”的前面加上abstract关键字即可。这里我们继续上面的例子，把Person定义成抽象类，然后为它添加一个抽象方法：
```kotlin
abstract class Person(val name: String) {
    abstract fun walk()
    // 省略
}
```
这样一来，如果我们要创建Person类，就必须要使用匿名内部类的方式，或者使用Person的子类来创建变量。而这，就需要用到类的继承了。

从概念上讲，Kotlin的继承和Java的并没有区别，它们只是在语法上有一点点不一样。Java当中我们是使用extends表示继承，而Kotlin当中我们则使用冒号来表示继承。
```java
//                      Java 的继承
//                           ↓
public class MainActivity extends Activity {
    @Override
    void onCreate(){ ... }
}

//              Kotlin 的继承
//                 ↓
class MainActivity : AppCompatActivity() {
    override fun onCreate() { ... }
}
```
除了继承的语法不太一样，重写的表达方式也不太一样。Java当中是使用@Override注解，而Kotlin当中直接将其定义为了override关键字。而除了抽象类以外，正常的类其实也是可以被继承的。不过，我们必须对这个类标记为open。如果一个类不是抽象类，并且没有用open修饰的话，它是无法被继承的。
```kotlin
class Person() {
    fun walk()
}

// 报错
class Boy: Person() {
}
```
根据以上代码我们可以看到，Person不是抽象类，同时它也没有被open修饰。Boy这个类尝试继承Person，会导致编译器报错。所以，我们必须为Person这个类加上open关键字：
```kotlin
open class Person() {
    open fun walk()
}

class Boy: Person() {
    // 省略重写逻辑
}
```
所以，Kotlin的类，默认是不允许继承的，除非这个类明确被open关键字修饰了。另外，对于被open修饰的普通类，它内部的方法和属性，默认也是不允许重写的，除非它们也被open修饰了：
```kotlin
open class Person() {
    val canWalk: Boolean = false
    fun walk()
}

class Boy: Person() {
    // 报错
    override val canWalk: Boolean = true
    // 报错
    override fun walk() {
    }
}
```
可以看到，由于Person类当中的canWalk属性以及walk()方法，它们都没有使用open修饰，在这种情况下，即使Person可以被继承，但在继承之后的Boy类当中，我们是无法重写canWalk属性、walk()方法的。

也就是说，在继承的行为上面，Kotlin和Java完全相反。Java当中，一个类如果没有被final明确修饰的话，它默认就是可以被继承的。而这同时也就导致了，在Java当中“继承”被过度使用。对于这一点，经典书籍《Effective Java》也有提到过。

所以，Java的继承是默认开放的，Kotlin的继承是默认封闭的。Kotlin的这个设计非常好，这样就不会出现Java中“继承被滥用”的情况。

好，下面，我们再来看看另一种常见的面向对象的编程方式，那就是“实现”。

### 接口和实现
Kotlin当中的接口（interface），和Java也是大同小异的，它们都是通过interface这个关键字来定义的。
```kotlin
interface Behavior {
    fun walk()
}

class Person(val name: String): Behavior {
    override fun walk() {
        // walk
    }
    // ...
}
```
可以看到在以上的代码中，我们定义了一个新的接口Behavior，它里面有一个需要被实现的方法walk，然后我们在Person类当中实现了这个接口。

而在这里，我们又会发现Kotlin和Java不同的小细节：Kotlin的继承和接口实现语法是一样的。多么得贴心！

Kotlin的接口，跟Java最大的差异就在于，接口的方法可以有默认实现，同时，它也可以有属性。比如，我们来看看下面这段代码：
```kotlin
interface Behavior {
    // 接口内的可以有属性
    val canWalk: Boolean

// 接口方法的默认实现
    fun walk() {
        if (canWalk) {
            // do something
        }
    }
}

class Person(val name: String): Behavior {
    // 重写接口的属性
    override val canWalk: Boolean
        get() = true
}
```
可以看到，我们在Behavior接口当中增加了一个属性canWalk，代表是否可以行走。与此同时，我们在接口方法当中，为walk()方法提供了默认实现，这个实现的逻辑也很简单，如果canWalk为true，才执行walk内部的具体行为。

需要特别注意的是，由于walk已经有了默认的实现，所以我们在Person类当中就可以不必实现walk方法了。而Kotlin的这一设计，就让“接口”和“抽象类”之间的界限越来越模糊了。

换句话说，Kotlin当中的接口，被设计得更加强大了，它拥有了部分抽象类才有的特性，同时还可以灵活使用接口组合的特性。

另外你还需要知道一点，就是虽然在Java 1.8版本当中，接口也引入了类似的特性，但由于Kotlin是完全兼容Java 1.6版本的。因此为了实现这个特性，Kotlin编译器在背后做了一些转换。这也就意味着，它是有一定局限性的。而具体的局限体现在哪里呢？这个我先不多讲，你可以自己回去思考思考。

### 嵌套
Java当中，最常见的嵌套类分为两种：非静态内部类、静态内部类。Kotlin当中也有一样的概念。
```kotlin
class A {
    class B {
    }
}
```
以上代码中，B类，就是A类里面的嵌套类，这非常容易理解。不过我们需要注意的是，这种写法的嵌套类，我们无法在B类当中访问A类的属性和成员方法。
```kotlin
class A {
    val name: String = ""
    fun foo() = 1

class B {
        val a = name   // 报错
        val b = foo()  // 报错
    }
}
```
可以看到，当我们尝试在B类当中访问A类的成员时，编译器会报错。如果你有Java基础，应该马上就能反应过来：这种写法就对应了Java当中的静态内部类！
```java
// 等价的Java代码如下：
public class A() {
    public String name = "";
    public int foo() { return 1; }

public static class B {
        String a = name)   // 报错
        int b = foo()      // 报错
    }
}
```
所以，Kotlin当中的普通嵌套类，它的本质是静态的。相应地，如果想在Kotlin当中定义一个普通的内部类，我们需要在嵌套类的前面加上inner关键字。
```kotlin
class A {
    val name: String = ""
    fun foo() = 1
// 增加了一个关键字
//    ↓
    inner class B {
        val a = name   // 通过
        val b = foo()  // 通过
    }
}
```
inner关键字，代表了B类是A类内部的类，这种情况下，我们在B类的内部是可以访问A类的成员属性和方法的。

Kotlin的这种设计非常巧妙。如果你熟悉Java开发，你会知道，Java当中的嵌套类，如果没有static关键字的话，它就是一个内部类，这样的内部类是会持有外部类的引用的。可是，这样的设计在Java当中会非常容易出现内存泄漏！而大部分Java开发者之所以会犯这样的错误，往往只是因为忘记加“static”关键字了。这是一个Java开发者默认情况下就容易犯的错。

Kotlin则反其道而行之，在默认情况下，嵌套类变成了静态内部类，而这种情况下的嵌套类是不会持有外部类引用的。只有当我们真正需要访问外部类成员的时候，我们才会加上inner关键字。这样一来，默认情况下，开发者是不会犯错的，只有手动加上inner关键字之后，才可能会出现内存泄漏，而当我们加上inner之后，其实往往也就能够意识到内存泄漏的风险了。

也就是说，Kotlin这样的设计，就将默认犯错的风险完全抹掉了！

### Kotlin中的特殊类
好了，到目前为止，我们接触到的都是Kotlin与Java都有的概念。接下来，我们来看两个Java当中没有的概念，数据类和密封类。

#### 数据类
数据类（Data Class），顾名思义，就是用于存放数据的类。要定义一个数据类，我们只需要在普通的类前面加上一个关键字“data”即可。比如前面案例当中的Person类，我们只需要在它的前面加上data，就可以将它变为一个“数据类”。
```kotlin
    // 数据类当中，最少要有一个属性
                   ↓
data class Person(val name: String, val age: Int)
```
在Kotlin当中，编译器会为数据类自动生成一些有用的方法。它们分别是：
- equals()；
- hashCode()；
- toString()；
- componentN() 函数；
- copy()。

所以，即使我们的Person类只有一行Kotlin代码，我们仍然可以在其他地方调用编译器，为我们自动生成这些方法。
```kotlin
val tom = Person("Tom", 18)
val jack = Person("Jack", 19)

println(tom.equals(jack)) // 输出：false
println(tom.hashCode())   // 输出：对应的hash code
println(tom.toString())   // 输出：Person(name=Tom, age=18)

val (name, age) = tom     // name=Tom, age=18
println("name is $name, age is $age .")

val mike = tom.copy(name = "Mike")
println(mike)             // 输出：Person(name=Mike, age=18)
```
这里你需要注意的是最后的四行代码。
`val (name, age) = tom`这行代码，其实是使用了数据类的解构声明。这种方式，可以让我们快速通过数据类来创建一连串的变量。另外，就是copy方法。数据类为我们默认实现了copy方法，可以让我们非常方便地在创建一份拷贝的同时，修改某个属性。

#### 密封类
Kotlin当中的密封类，常常用来表示某种受到限制的继承结构。这样说起来可能有点抽象，让我们换个说法：密封类，是更强大的枚举类。

首先，让我们看看枚举类是什么。
```kotlin
enum class Human {
    MAN, WOMAN
}

fun isMan(data: Human) = when(data) {
    Human.MAN -> true
    Human.WOMAN -> false
    // 这里不需要else分支，编译器自动推导出逻辑已完备
}
```
我们通过enum就可以定义枚举类，所谓枚举，就是一组有限的数量的值。比如，人分为男人和女人。这样的分类是有限的，所以我们可以枚举出每一种情况。我们在when表达式当中使用枚举时，编译器甚至可以自动帮我们推导出逻辑是否完备。这是枚举的优势。

但是，枚举也有它的局限性。
```kotlin
println(Human.MAN == Human.MAN)
println(Human.MAN === Human.MAN)

输出
true
true
```
比如在这里我们可以看到，当我们尝试去判断枚举的“结构相等”和“引用相等”时，结果始终都是true。而这就代表了，每一个枚举的值，它在内存当中始终都是同一个对象引用。

那么万一，我们想要枚举的值拥有不一样的对象引用，我们该怎么办呢？这时候就需要“密封类”出场了！

想要定义密封类，我们需要使用sealed关键字，它的中文含义也代表着“密封”。在Android开发当中，我们会经常使用密封类对数据进行封装。比如我们可以来看一个代码例子：
```kotlin
sealed class Result {
    data class Success(val data: T, val message: String = "") : Result()

data class Error(val exception: Exception) : Result()

data class Loading(val time: Long = System.currentTimeMillis()) : Result()
}
```
这个例子是改造于我实际工作中用过的代码。首先，我们使用sealed关键字定义了一个Result类，并且它需要一个泛型参数R，R前面的out我们可以暂时先忽略。

这个密封类，我们是专门用于封装网络请求结果的。可以看到，在Result类当中，分别有三个数据类，分别是Success、Error、Loading。我们将一个网络请求结果也分为了三大类，分别代表请求成功、请求失败、请求中。

这样，当网络请求有结果以后，我们的UI展示逻辑就会变得非常简单，也就是非常直白的三个逻辑分支：成功、失败、进行中。我们将其与Kotlin协程当中的when表达式相结合，就能很好地处理UI展示逻辑：如果是Loading，我们就展示进度条；如果是Success，我们就展示成功的数据；如果是Error，我们就展示错误提示框。
```kotlin
fun display(data: Result) = when(data) {
    is Result.Success -> displaySuccessUI(data)
    is Result.Error -> showErrorMsg(data)
    is Result.Loading -> showLoading()
}
```
由于我们的密封类只有这三种情况，所以我们的when表达式不需要else分支。可以看到，这样的代码风格，既实现了类似枚举类的逻辑完备性，还完美实现了数据结构的封装。
而且，在最新的Kotlin 1.5 版本当中，sealed不仅仅可以用于修饰类，还可以用于修饰接口。这就为我们的密封类实现多个接口，提供了可能。

### 小结
在这节课当中，我们学习了面向对象常见的概念，包括类、继承、接口、实现、枚举，还有Kotlin独有的数据类、密封类。同时也进一步领略到了Kotlin语法在一些细节的良苦用心。比如说：
- Kotlin的类，默认是public的。
- Kotlin的类继承语法、接口实现语法，是完全一样的。
- Kotlin当中的类默认是对继承封闭的，类当中的成员和方法，默认也是无法被重写的。这样的设计就很好地避免了继承被滥用。
- Kotlin接口可以有成员属性，还可以有默认实现。
- Kotlin的嵌套类默认是静态的，这种设计可以防止我们无意中出现内存泄漏问题。
- Kotlin独特的数据类，在语法简洁的同时，还给我们提供了丰富的功能。
- 密封类，作为枚举和对象的结合体，帮助我们很好地设计数据模型，支持when表达式完备性。

![](/media/202410/2024-10-25_170913_5049900.926959968560357.png)

看到这里，你一定会发现，我们上面提到的这些点，正好也是决定着Kotlin编程思想的关键。也正是Kotlin这样独特的设计，才形成了Kotlin迥然不同的编程风格。曾经有不少人问过我这样的问题：“如何才能拥有Kotlin编程思维，而不是用Kotlin写Java风格代码？如何才能写出优雅的Kotlin代码？”

答案其实很简单，我们先要掌握Kotlin的语法，然后透过这些语法细节去揣摩Kotlin设计者的意图，当我们理解Kotlin设计者为什么要设计某个语法时，我们就不可能用错这个语法了。而当我们能够用好Kotlin的每个语法的时候，我们自然而然地就可以写出优雅的Kotlin代码了。

比如，当我们知道数据类是为了解决冗余的Java Bean而设计的，那我们无论如何都不会在Kotlin当中再写一遍Kotlin Bean了。又或者，当我们知道when表达式可以自动判断逻辑分支是否完备的时候，我们自然就会想办法让when与枚举类/密封类结合使用了。

正如课程开头我提到过的：入门Kotlin很容易，精通Kotlin很难。让我们一起努力吧！

### 思考题
在课程中，我提到了Kotlin接口的“成员属性”是存在一定的局限性的。那么，请问你能想到，它的局限性在哪里吗？

欢迎你在评论区分享你的思路，这个问题我会在下节课给出答案。另外在学完这节课之后，如果觉得有收获，也欢迎你把今天的内容分享给更多的朋友。