Kotlin 类型系统详解：基本数据类型、集合与数组

Unit 类型：Kotlin 的 void

Unit 类型完成了 Java 中 void 一样的功能，而且可以省略。大多情况下你不会留意到 void 和 Unit 之间的区别。如果你的 Kotlin 函数使用 Unit 作为返回类型并且没有重写泛型函数，在底层它会被编译成旧的 void 函数。它们的不同之处在于 Unit 是一个完备的类型，可以作为类型参数，而 void 不行。只存在一个值是 Unit 类型，这个值也叫做 Unit，并且在函数中会被隐式返回。当你在重写返回泛型参数的函数时非常有用，只需让方法返回 Unit 类型的值。

fun printHello(): Unit {
    println("Hello")
}
// 等价于
fun printHello() {
    println("Hello")
}

Nothing 类型：这个函数永不返回

许多测试库都有一个叫做 fail 的函数，它通过抛出带有特定消息的异常来让当前测试失败，一个包含无限循环的函数也永远不会成功结束。

Nothing 类型没有任何值，只有被当作函数返回值使用，或者被当作泛型函数返回值的类型参数使用才会有意义。

注意！返回 Nothing 的函数可以放在 Elvis 运算符的右边来做先决条件检查。

fun fail(message: String): Nothing {
    throw IllegalArgumentException(message)
}

val name: String?
if (name == null) {
    fail("Name cannot be null")
} else {
    // 此处 name 已被推断为非空 String
    println(name.uppercase())
}

集合与数组

可空性和集合

对前后一致的类型系统来说有一点十分关键：知道集合是否可以持有 null 元素，和知道变量值是否可以为 null 同等重要。

List<Int?> 是能持有 Int? 类型值的列表：换句话说，可以持有 Int 或者 null。如果一行文本可以被解析，那么就向 result 列表中添加一个整数，否则添加 null。从 Kotlin 1.1 开始可以使用函数 String.toIntOrNull 来简化例子。

注意！变量自己类型的可空性和用作类型参数的可空性是有区别的，一个包含可空 Int 的列表和包含 Int 的可空列表是有区别的。List<Int?>是列表中的单个值是可空的，列表本身不为 null，但列表的每个值可以为 null，而 List?是整个列表是可空的。我们要小心决定什么是可空的，是集合元素还是集合本身。

遍历一个包含可空值的集合并过滤掉 null 是一个非常常见的操作，因此 Kotlin 提供了 filterNotNull 函数来完成它。这种过滤也影响了集合的类型，此时 List<Int?> 会变成 List<Int>，因为过滤保证了集合不会再包含任何为 null 的元素。

val numbers: List<Int?> = listOf(1, null, 3, null, 5)
val nonNullNumbers: List<Int> = numbers.filterNotNull()

只读集合与可变集合

与 Java 有别，Kotlin 把访问集合数据的接口和修改集合数据的接口分开了。这种区别存在于最基础的使用集合的接口之中：Collection。使用这个接口，可以遍历集合中的元素、获取集合大小、判断集合中是否包含某个元素，以及执行其他从该集合中读取数据的操作，但这个接口没有任何添加或移除元素的方法。使用 MutableCollection 接口可以修改集合中的数据。它继承了 Collection 接口，还提供了方法来添加和移除元素、清空集合等。

一般的规则是在代码的任何地方都使用只读接口，只在代码需要修改集合的地方使用可变接口的变体。

使用集合接口时牢记只读集合不一定是不可变的。如果你使用的变量有一个只读接口类型，他可能只是同一个集合的众多引用中的一个，任何其他的引用都可能拥有一个可变接口类型，所以只读集合并不总是线程安全的。

Kotlin 集合与 Java

每一种 Java 集合接口在 Kotlin 中都有两种表示：一种是只读的，一种是可变的。

可变接口直接对应 java.util 包中的接口，而它们的只读版本中缺少了所有产生改变的方法。

注意！setOf 和 mapOf 返回的是 Java 标准类库中类的实例 (1.0 中是这样)，在底层它们都是可变的，Kotlin 的未来版本可能会使用真正不可变的实现类作为它们两个的返回值。

当你需要调用一个 Java 方法并把集合作为实参传给它时，可以把任意只读或可变接口的值作为实参传递。因为 Java 并不会区分只读与可变集合，即使 Kotlin 声明为只读，Java 代码也能修改这个集合。所以，如果你写了一个 Kotlin 函数，使用了集合并传递给了 Java，你有责任使用正确的参数类型，这取决于你调用的 Java 代码是否会去修改集合。同时也要注意包含非空类型元素的集合类，如果你向 Java 方法传递了这样的集合，该方法就可能在其中写入 null 值，Kotlin 没有办法在不影响性能的情况下禁止它的发生。

作为平台类型的集合

我们提到过 Kotlin 把那些定义在 Java 代码中的类型看成平台类型，Kotlin 没有任何关于平台类型的可空型信息，所以编译器允许 Kotlin 代码将其视为可空或非空。同样 Java 中声明的集合类型的变量也被视为平台类型。一个平台类型的集合本质上就是可变性未知的集合，Kotlin 代码将其视为只读或者可变的，实际上你想要执行的所有操作都能正常工作。

当你重写或者实现签名中有集合类型的 Java 方法时这种差异才变得重要，你需要决定使用哪一种 Kotlin 类型来表示这个 Java 类型：

1. 集合是否可空
2. 集合中的元素是否可空
3. 你的方法会不会修改集合

对象和基本数据类型的数组

Kotlin 中的一个数组是一个带有类型参数的类，其元素类型被指定为相应的类型参数。

在 Kotlin 中创建数组：

1. arrayOf 函数创建一个数组，它包含的元素是指定为该函数的实参
2. arrayOrNulls 函数创建一个给定大小的数组，包含的是 null 元素，它只能用来创建包含元素类型可空的数组
3. Array 构造方法接受数组的大小和一个 lambda 表达式，调用表达式来创建每一个数组元素。这就是使用非空元素类型来初始化数组，但不用显式地传递每个元素的方式

lambda 接收数组元素的下标并返回放在数组下标位置的值，这里可以省略数组元素的类型。

Kotlin 代码中最常见的创建数组的情况之一是需要调用参数为数组的 Java 方法时，或是调用带有 vararg 参数的 Kotlin 函数时。在这些情况下通常已经将数据存储在集合中，只需将其转换成数组即可，可使用 toTypedArray 方法来执行此操作。

和其它类型一样，数组类型的类型参数始终会变成对象类型。如果你需要创建没有装箱的基本数据类型的数组，必须使用一个基本数据类型数组的特殊类。

Kotlin 提供了若干独立的类，如 Int 类型值的数组叫做 IntArray。还有 CharArray 等其他类型。所有这些类型都被编译成普通的 Java 基本数据类型数组，比如 int[] 等。因此这些数组中的值存储时并没有装箱，而是使用了可能的最高效的方式。

要创建一个基本数据类型的数组：

1. 该类型的构造方法接收 size 参数并返回一个使用对应基本数据类型默认值（通常是 0）初始化好的数组
2. 工厂函数（IntArray 的 intArrayOf，以及其他数组类型的函数）接受变长参数的值并创建存储这些值的数组
3. 另一种构造方法，接受一个大小和一个用来初始化每个元素的 lambda

假如你有一个持有基本数据类型装箱后的值的数组或者集合，可以用对应的转换函数把它们转换成基本数据类型的数组，比如 toIntArray。

Kotlin 中也有一套和集合相同的用于数组的扩展函数，lambda 编程中的绝大部分函数也适用于数组，包括基本数据类型的数组，注意这些方法的返回值是列表不是数组。

最佳实践与总结

在使用 Kotlin 类型系统时，遵循以下最佳实践可以提高代码质量和安全性：

1. 优先使用只读集合：除非确实需要修改，否则始终使用 List、Set、Map 而不是 MutableList 等可变类型。这有助于减少副作用。
2. 明确处理可空性：尽量避免使用可空类型，如果必须使用，请利用 Elvis 运算符 (?:) 或安全调用 (?.) 来处理 null 值，防止 NullPointerException。
3. 理解平台类型：在与 Java 交互时，注意平台类型的可空性不确定性，必要时使用 @JvmField 或显式注解来控制行为。
4. 利用基本类型数组：在处理大量数值计算时，优先使用 IntArray、DoubleArray 等原生数组，避免装箱带来的性能开销。
5. 合理使用 Nothing：在需要穷尽逻辑分支或强制终止流程时使用 Nothing 类型，帮助编译器进行更精确的类型推断。

通过掌握这些类型系统的基础知识，你可以编写出更安全、更高效且易于维护的 Kotlin 代码。