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06 | 扩展：你的能力边界到底在哪里？
你好，我是朱涛。
Kotlin的扩展（Extension），主要分为两种语法：第一个是扩展函数，第二个是扩展属性。从语法上看，扩展看起来就像是我们从类的外部为它扩展了新的成员。
这在实际编程当中是非常有用的功能。我们可以来想象一个场景：我们想修改JDK当中的String，想在它的基础上增加一个方法“lastElement()”来获取末尾元素，如果使用Java，我们是无法通过常规手段实现的，因为我们没办法修改JDK的源代码。任何第三方提供的SDK，我们都无权修改。
不过，借助Kotlin的扩展函数，我们就完全可以在语义层面，来为第三方SDK的类扩展新的成员方法和成员属性。不管是为JDK的String增加新的成员方法，还是为Android SDK的View增加新成员属性，我们都可以实现。
Kotlin的这个“扩展”功能看起来很神奇，它会不会很难学？其实不然，它的语法非常简洁。今天这节课，我们就一起来学习下Kotlin当中的扩展。通过研究它的原理，来探索它的能力边界，并在理解和掌握核心知识点之后，去思考它的实战应用场景。
什么是扩展函数和扩展属性？
扩展函数，就是从类的外部扩展出来的一个函数，这个函数看起来就像是类的成员函数一样。这里，我们就以JDK当中的String为例，来看看如何通过Kotlin的扩展特性，为它新增一个lastElement()方法。
// Ext.kt
package com.boycoder.chapter06
/*
① ② ③ ④
↓ ↓ ↓ ↓ */
fun String.lastElement(): Char? {
// ⑤
// ↓
if (this.isEmpty()) {
return null
}
return this[length - 1]
}
// 使用扩展函数
fun main() {
val msg = "Hello Wolrd"
// lastElement就像String的成员方法一样可以直接调用
val last = msg.lastElement() // last = d
}
我们先是定义了一个String的扩展函数“lastElement()”，然后在main函数当中调用了这个函数。并且，这个扩展函数是直接定义在Kotlin文件里的，而不是定义在某个类当中的。这种扩展函数，我们称之为“顶层扩展”，这么叫它是因为它并没有嵌套在任何的类当中，它自身就在最外层。
现在，我们依次来看看上面的五处注释。
- 注释①，
fun关键字，代表我们要定义一个函数。也就是说，不管是定义普通Kotlin函数，还是定义扩展函数，我们都需要fun关键字。 - 注释②，“
String.”，代表我们的扩展函数是为String这个类定义的。在Kotlin当中，它有一个名字，叫做接收者（Receiver），也就是扩展函数的接收方。 - 注释③，
lastElement()，是我们定义的扩展函数的名称。 - 注释④，“
Char?”，代表扩展函数的返回值是可能为空的Char类型。 - 注释⑤，“
this.”，代表“具体的String对象”，当我们调用msg.lastElement()的时候，this就代表了msg。
需要注意的是，**在整个扩展函数的方法体当中，this都是可以省略的。**这一点，Kotlin和Java是一样的，this代表当前作用域，它可写可不写。
另外，如果你足够细心的话，你会发现如果去掉注释②处的“String.”，这段代码就会变成一个普通的函数定义：
fun lastElement(): Char? {}
fun String.lastElement(): Char? {}
// 普通函数与扩展函数之间的差别
换句话说，就是如果我们在普通函数的名称前面加上一个“接收者类型”，比如“String.”，Kotlin的“普通函数”就变成了“扩展函数”。
可见，Kotlin扩展语法设计得非常巧妙，只要你记住了普通函数的语法，那么，只需要再记住一点点细微的区别，你就能记住扩展函数的语法。而通过这个细微的语法差异，你也可以体会到，所谓的扩展函数，就是多了个“扩展接收者”的函数。
扩展函数的实现原理
在第3讲中，我们学习了如何研究Kotlin的原理，也就是通过Java字节码来做反编译。那么在这里，我们就以刚才写的lastElement()为例，一起来看看它反编译后的Java代码是什么样的。
public final class ExtKt {
// ①
public static final Character lastElement(String $this) {
CharSequence var1 = (CharSequence)$this;
if (var1.length() == 0) {
return null
}
return var1.charAt(var1.length() - 1);
}
}
public static final void main() {
String msg = "Hello Wolrd";
// ②
// ↓
Character last = ExtKt.lastElement(msg);
}
以上代码有两个地方需要注意，我分别用两个注释标记出来了。
通过第一个注释，我们可以看到，原本定义在String类型上面的扩展函数lastElement()，变成了一个普通的静态方法。另外，之前定义的扩展函数lastElement()是没有参数的，但反编译后的Java代码中，lastElement(String $this) 多了一个String类型的参数。
还有第二个注释，这是扩展函数的调用处，原本msg.lastElement()的地方，变成了ExtKt.lastElement(msg)。这说明，Kotlin编写的扩展函数调用代码，最终会变成静态方法的调用。
看到这里，也许你一下就能反应过来：Kotlin的扩展函数只是从表面上将lastElement()变成String的成员，但它实际上并没有修改String这个类的源代码，lastElement()也并没有真正变成String的成员方法。
也就是说，由于JVM不理解Kotlin的扩展语法，所以Kotlin编译器会将扩展函数转换成对应的静态方法，而扩展函数调用处的代码也会被转换成静态方法的调用。
而如果我们将上面的ExtKt修改成StringUtils，它就变成了典型的Java工具类。
public final class StringUtils {
public static final Character lastElement(String $this) {
// 省略
}
}
public static final void main() {
Character last = StringUtils.lastElement(msg);
}
如何理解扩展属性？
在学习了Kotlin的扩展函数以后，扩展属性就很好理解了。扩展函数，是在类的外部为它定义一个新的成员方法；而扩展属性，则是在类的外部为它定义一个新的成员属性。
那么，在研究了扩展的实现原理后，我们知道，我们从外部定义的成员方法和属性，都只是语法层面的，并没有实际修改那个类的源代码。
还是以lastElement为例，在之前的案例当中，我们是通过扩展函数来实现的，这次我们以扩展属性的方式来实现。扩展函数的定义对比普通函数，其实就只是多了一个“接收者类型”。类似的，扩展属性，也就是在普通属性定义的时候多加一个“接收者类型”即可。
// 接收者类型
// ↓
val String.lastElement: Char?
get() = if (isEmpty()) {
null
} else {
get(length - 1)
}
fun main() {
val msg = "Hello Wolrd"
// lastElement就像String的成员属性一样可以直接调用
val last = msg.lastElement // last = d
}
在这段的代码中，我们为String类型扩展了一个新的成员属性“lastElement”。然后在main函数当中，我们直接通过“msg.lastElement”方式使用了这个扩展属性，就好像它是一个成员一样。而如果你将以上的代码进行反编译，你会发现它反编译后的Java代码几乎和我们前面扩展函数的一模一样。
为了让你看得更加清晰，我们用一张图来描述它们之间的关系。
上面的两个箭头，说明了扩展函数与扩展属性，它们最终会被Kotlin编译器转换成静态方法；下面两个箭头，说明了扩展函数和扩展属性的调用代码，最终会被Kotlin编译器转换成静态方法的调用。
所以也就是说，Kotlin的扩展表面上看起来是为一个类扩展了新的成员，但是本质上，它还是静态方法。而且，不管是扩展函数还是扩展属性，它本质上都会变成一个静态的方法。那么，到底什么时候该用扩展函数，什么时候该用扩展属性呢？
其实，我们只需要看扩展在语义上更适合作为函数还是属性就够了。比如这里的lastElement，它更适合作为一个扩展属性。这样设计的话，在语义上，lastElement就像是String类当中的属性一样，它代表了字符串里的最后一个字符。
扩展的能力边界
在理解了扩展的使用与原理后，我们再来探讨一下扩展的能力边界：扩展能做什么，不能做什么。Kotlin的扩展看起来很神奇，但它并不是无所不能的，通过探索它的能力边界，我们就能对它有一个更加深入的认识。
扩展能做什么？
我们先从“扩展能做什么”说起。
当我们想要从外部为一个类扩展一些方法和属性的时候，我们就可以通过扩展来实现了。在Kotlin当中，几乎所有的类都可以被扩展，包括普通类、单例类、密封类、枚举类、伴生对象，甚至还包括第三方提供的Java类。唯有匿名内部类，由于它本身不存在名称，我们无法指定“接收者类型”，所以不能被扩展，当然了，它也没必要被扩展。
可以说，Kotlin扩展的应用范围还是非常广的。它最主要的用途，就是用来取代Java当中的各种工具类，比如StringUtils、DateUtils等等。
所有Java工具类能做的事情，Kotlin扩展函数都可以做，并且可以做得更好。扩展函数的优势在于，开发工具可以在编写代码的时候智能提示。
扩展不能做什么？
我们再聊聊扩展不能做什么。
Kotlin的扩展，由于它本质上并没有修改接收类型的源代码，所以它的行为是无法与“类成员”完全一致的。那么它对比普通的类成员，就会有以下几个限制。
第一个限制，Kotlin扩展不是真正的类成员，因此它无法被它的子类重写。举个例子，我们定义一个这样的Person类，并且分别为它扩展了一个isAdult属性和 walk()方法：
open class Person {
var name: String = ""
var age: Int = 0
}
val Person.isAdult: Boolean
get() = age >= 18
fun Person.walk() {
println("walk")
}
由于Person类有open关键字修饰，所以我们可以继承这个Person类。不过，当我们尝试去重写它的成员时，会发现isAdult和walk()是无法被重写的，因为它们压根就不属于Person这个类。这个很好理解，让我们看下一个。
第二个限制，扩展属性无法存储状态。就如前面代码当中的isAdult属性一般，它的值是由age这个成员属性决定的，它本身没有状态，也无法存储状态。这一点，和我们在第2讲学习的“接口成员属性”一样，背后的根本原因，还是因为它们都是静态方法。
第三个限制，扩展的访问作用域仅限于两个地方。第一，定义处的成员；第二，接收者类型的公开成员。我们以前面的代码为例：
// Ext.kt
package com.boycoder.chapter06
// ①
private val msg: String = ""
fun String.lastElement(): Char? {
if (this.isEmpty()) {
// ②
// ↓
println(msg)
return null
}
// ③
// ↓
return this[length - 1]
}
这段代码一共有三处注释，我们一个个看：
- 在注释①的地方，我们在Ext这个Kotlin文件里定义了一个私有的变量msg。
- 由于lastElement()与msg是定义在同一个文件当中的，因此，在注释②处我们可以直接访问msg，即使它是私有的。
- 最后，是注释③，由于length是String类的公开属性，因此我们可以在扩展函数当中直接访问它。对应的，如果length是String的private、protected成员，那我们将无法在扩展函数当中访问它。归根结底，还是因为扩展函数并非真正的类成员。
看到这里，也许你会冒出一个有趣的想法：如果将扩展定义在某个类的内部，它能够访问这个类的私有属性吗？
让我们来试试看：
open class Person {
var name: String = ""
var age: Int = 0
}
class Helper {
private fun walkOnFoot() {
println("用脚走路")
}
val Person.isAdult: Boolean
get() = age >= 18
fun Person.walk() {
// 调用了Helper的私有方法
walkOnFoot()
}
fun test() {
val person = Person()
// 仅可以在Helper类当中使用此扩展
person.walk()
}
}
我们创建了一个Helper类，它内部有一个私有的成员方法，同时，我们在这个类的内部定义了一个扩展属性和一个扩展函数。可以看到，我们在扩展函数walk()方法当中，能直接调用Helper类的私有成员方法walkOnFoot()，这体现了类的内部定义扩展的优势。
但是与此同时，这种方式定义的扩展也存在一个劣势，那就是无法在Helper类的外部作为扩展被调用。如果你将上面的代码反编译成Java，你会发现，我们定义的内部扩展，最终都变成了Helper类的普通成员函数和成员属性。
所以，针对扩展的第三个限制来说：
- 如果扩展是顶层的扩展，那么扩展的访问域仅限于该Kotlin文件当中的所有成员，以及被扩展类型的公开成员，这种方式定义的扩展是可以被全局使用的。
- 如果扩展是被定义在某个类当中的，那么该扩展的访问域仅限于该类当中的所有成员，以及被扩展类型的公开成员，这种方式定义的扩展仅能在该类当中使用。
实战与思考
到这里，我们就了解了Kotlin的扩展，包括扩展函数、扩展属性以及扩展的实现原理，同时我们也在了解它原理的基础上分析了它的能力边界。
不过，即使在学习完上面所有的知识点后，你也许还是不太清楚Kotlin扩展的实际使用场景。所以下面，我再带你来看两个案例，这两个工业界的实际案例，可以完美地向你展示Kotlin扩展的两个核心使用场景。你可以通过学习这两种思路，将其运用在实际的工作当中。
第一个案例，是来自Kotlin标准库当中的源代码。我们先看看在Kotlin当中，String.kt的源代码是什么样的：
// String.kt
public class String : Comparable<String>, CharSequence {
companion object {}
public operator fun plus(other: Any?): String
public override val length: Int
public override fun get(index: Int): Char
public override fun subSequence(startIndex: Int, endIndex: Int): CharSequence
public override fun compareTo(other: String): Int
}
你一定会很惊讶，Kotlin里面的String类竟然只有不到十行代码。那么，String类的那些字符操作的方法到哪里去了？比如，String.trim()、String.lowercase()它们定义在什么地方？
实际上，String相关的操作方法全都放到了Strings.kt当中去了。而这些字符操作方法全部都是以扩展函数的方式定义的：
// Strings.kt 部分代码
public fun CharSequence.trim(): CharSequence = trim(Char::isWhitespace)
public expect fun String.lowercase(): String
那么，Kotlin官方能不能将“字符操作方法”放到String类当中合并到一起呢？源代码是Kotlin官方写的，他们当然能将所有的代码都合并到一个类当中去，形成一个几千行的String类，但他们却没有这么做。这是为啥呢？
这就是Kotlin扩展的第一个典型使用场景：关注点分离。所谓关注点分离，就是将我们程序的逻辑划分成不同的部分，每一个部分，都只关注自己那部分的职责。以上面的String类为例，String.kt这个类，只关注String的核心逻辑；而Strings.kt则只关注String的操作符逻辑。
需要注意的是，只有借助Kotlin的扩展，我们才能实现这样的关注点分离设计。如果你去看Java的String类，你会发现它的源代码有三千多行。这是因为，Java的String核心属性跟它的操作方法全都混合在了一起。
第二个代码案例，是我工作当中用到的一段Android扩展函数代码：
inline fun <reified T : ViewGroup.LayoutParams> View.updateLayoutParams(block: T.() -> Unit) {
val params = layoutParams as T
block(params)
layoutParams = params
}
fun View.updateMargin(left: Int? = null, top: Int? = null, right: Int? = null, bottom: Int? = null) {
(layoutParams as? ViewGroup.MarginLayoutParams)?.let { param ->
updateLayoutParams<ViewGroup.MarginLayoutParams> {
left?.let {
marginStart = left
}
right?.let {
marginEnd = right
}
top?.let {
topMargin = top
}
bottom?.let {
bottomMargin = bottom
}
}
}
}
上面的代码定义了两个扩展函数，updateLayoutParams()、updateMargin()，后者的方法体当中用到了前者。通过updateMargin()这个扩展函数，可以大大简化Android当中的margin更新。
view.updateMargin(top = 100, bottom = 100)
而如果不借助扩展函数，我们将不得不写一堆的模板代码：
val params = view.layoutParams
if (params is ViewGroup.MarginLayoutParams) {
params.marginTop = 100
params.marginBottom = 100
view.layoutParams = params
}
可以看到，借助扩展函数，我们不仅提升了代码的可读性，还提升了编码效率，而这种效率可以说是成倍的提升：借助扩展函数，我们只需要写一行代码，IntelliJ还会智能提示，帮我们补全代码；不借助扩展函数的话，我们需要写5行代码，这样的代码模式不仅枯燥繁琐，IntelliJ也无法智能提示，也更容易出错。
我们来小结一下，Kotlin扩展主要有两个核心使用场景。
- 主动使用扩展，通过它来优化软件架构。
对复杂的类进行职责划分，关注点分离。让类的核心尽量简单易懂，而让类的功能性属性与方法以扩展的形式存在于类的外部。比如我们的String.kt与Strings.kt。
- 被动使用扩展，提升可读性与开发效率。
当我们无法修改外部的SDK时，对于重复的代码模式，我们将其以扩展的方式封装起来，提供给对应的接收者类型，比如view.updateMargin()。
小结
好，让我们来做个简单的总结吧。
- Kotlin的扩展，从语法角度来看，分为扩展函数和扩展属性。定义扩展的方式，只是比普通函数、属性多了一个“扩展接收者”而已。
- 从作用域角度来看，分为顶层扩展和类内扩展。
- 从本质上来看，扩展函数和扩展属性，它们都是Java静态方法，与Java当中的工具类别无二致。对比Java工具类，扩展最大的优势就在于，IDE可以为我们提供代码补全功能。
- 从能力的角度来看，Kotlin扩展一共有三个限制，分别是：扩展无法被重写；扩展属性无法存储状态；扩展的作用域有限，无法访问私有成员。
- 从使用场景的角度来看，Kotlin扩展主要有两个使用场景，分别是：关注点分离，优化代码架构；消灭模板代码，提高可读性和开发效率。
最后在这里，我还想和你分享一下我在学Kotlin扩展的思考过程，希望这种思考的方式可以给你带来一些启发。
刚开始，我学习扩展的时候，脑子里其实是一片混乱的，就像下面这张图一样：扩展的每一个知识点都是散乱的。
这时候，我们就要将这些知识点做一个分类整理，同时，在学习扩展语法的时候，还要与前面的普通函数、普通属性的语法进行关联记忆。这样一来，我们零散的知识点就连接到一起，形成体系化的知识面。
当我们的知识形成一个体系之后，记忆起来就很容易了，这样，一个简单的浅层知识结构就形成了。
接着，在这个基础上，我们再进行深度的思考，去探索扩展的底层原理，还有它的能力边界，从而形成一个更加深层次的知识结构。
到目前为止，这些都是理论层面的一些知识，我们还需要进一步探索Kotlin扩展的实际应用场景。这时候，就会发现它的两个主要使用场景，一个是主动的，一个是被动的。
其实，学习就是一个不断向下挖掘探索的过程。学习Kotlin是这样，学习其他计算机知识也是这样，甚至学习其他领域的知识也是这个道理。
思考题
在这节课中的所有案例中，我们的“扩展接收者”都是不为空的类型。但实际上，Kotlin的扩展是允许我们为“可为空的类型”进行扩展的。比如说：
// 不为空的接收者类型
// ↓
fun String.lastElement(): Char? {}
// 可为空的接收者类型
// ↓
fun String?.lastElement(): Char? {}
那么，请问这两种扩展有什么不同？欢迎在评论区分享你的思路，我们下节课再见。