王垠:Kotlin和Checked Exception

  最近 JetBrains 的 Kotlin 语言忽然成了热门话题。国内小编们传言说,Kotlin 取代了 Java,成为了 Android 的“钦定语言”,很多人听了之后热血沸腾。初学者们也开始注意到 Kotlin,问出各种“傻问题”,很“功利”的问题,比如“现在学 Kotlin 是不是太早了一点?” 结果引起一些 Kotlin 老鸟们的鄙视。当然也有人来信,请求我评价 Kotlin。

  对于这种评价语言的请求,我一般都不予理睬的。作为一个专业的语言研究者,我的职责不应该是去评价别人设计的语言。然而浏览了 Kotlin 的文档之后,我发现 Kotlin 的设计者误解了一个重要的问题——关于是否需要 checked exception。对于这个话题我已经思考了很久,觉得有必要分享一下我对此的看法,避免误解的传播,所以我还是决定写一篇文章

  可以说我这篇文章针对的是 checked exception,而不是 Kotlin,因为同样的问题也存在于 C# 和其它一些语言。

  冷静一下

  在进入主题之前,我想先纠正一些人的误解,让他们冷静下来。我们首先应该搞清楚的是,Kotlin 并不是像有些国内媒体传言的那样,要“取代 Java 成为 Android 的官方语言”。准确的说,Kotlin 只是得到了 Android 的“官方支持”,所以你可以用 Kotlin 开发 Android 程序,而不需要绕过很多限制。可以说 Kotlin 跟 Java 一样,都是 Android 的官方语言,但 Kotlin 不会取代 Java,它们是一种并存关系。

  这里我不得不批评一下有些国内技术媒体,他们似乎很喜欢片面报道和歪曲夸大事实,把一个平常的事情吹得天翻地覆。如果你看看国外媒体对 Kotlin 的报道,就会发现他们用词的迥然不同:

Google’s Java-centric Android mobile development platform is adding the Kotlin language as an officially supported development language, and will include it in the Android Studio 3.0 IDE.

译文:Google 的以 Java 为核心的 Android 移动开发平台,加入了 Kotlin 作为官方支持的开发语言。它会被包含到 Android Studio 3.0 IDE 里面。

  看明白了吗?不是“取代了 Java”,而只是给了大家另一个“选择”。我发现国内的技术小编们似乎很喜欢把“选择”歪曲成“取代”。前段时间这些小编们也有类似的谣传,说斯坦福大学把入门编程课的语言“换成了 JavaScript”,而其实别人只是另外“增加”了一门课,使用 JavaScript 作为主要编程语言,原来以 Java 为主的入门课并没有被去掉。我希望大家在看到此类报道的时候多长个心眼,要分清楚“选择”和“取代”,不要盲目的相信一个事物会立即取代另一个。

  Android 显然不可能抛弃 Java 而拥抱 Kotlin。毕竟现有的 Android 代码绝大部分都是 Java 写的,绝大部分程序员都在用 Java。很多人都知道 Java 的好处,所以他们不会愿意换用一个新的,未经时间考验的语言。所以虽然 Kotlin 在 Android 上得到了和 Java 平起平坐的地位,想要程序员们从 Java 转到 Kotlin,却不是一件容易的事情。

  我不明白为什么每当出现一个 JVM 的语言,就有人欢呼雀跃的,希望它会取代 Java,似乎这些人跟 Java 有什么深仇大恨。他们已经为很多新语言热血沸腾过了,不是吗?Scala,Clojure…… 一个个都像中国古代的农民起义一样,煽动一批人起来造反,而其实自己都不知道自己在干什么。Kotlin 的主页也把“drastically reduce the amount of boilerplate code”作为了自己的一大特色,仿佛是在暗示大家 Java 有很多“boilerplate code”。

  如果你经过理性的分析,就会发现 Java 并不是那么的讨厌。正好相反,Java 的有些设计看起来“繁复多余”,实际上却是经过深思熟虑的决定。Java 的设计者知道有些地方可以省略,却故意把它做成多余的。不理解语言“可用性”的人,往往盲目地以为简短就是好,多写几个字就是丑陋不优雅,其实不是那样的。关于 Java 的良好设计,你可以参考我之前的文章《为 Java 说句公道话》。另外在《对 Rust 语言的分析》里面,我也提到一些容易被误解的语言可用性问题。我希望这些文章对人们有所帮助,避免他们因为偏执而扔掉好的东西。

  实际上我很早以前就发现了 Kotlin,看过它的文档,当时并没有引起我很大的兴趣。现在它忽然火了起来,我再次浏览它的新版文档,却发现自己还是会继续使用 Java 或者 C++。虽然我觉得 Kotlin 比起 Java 在某些小地方设计相对优雅,一致性稍好一些,然而我并没有发现它可以让我兴奋到愿意丢掉 Java 的地步。实际上 Kotlin 的好些小改进,我在设计自己语言的时候都已经想到了,然而我并不觉得它们可以成为人们换用一个新语言的理由。

  Checked Exception(CE)的重要性

  有几个我觉得很重要的,具有突破性的语言特性,Kotlin 并没有实现。另外我还发现一个很重要的 Java 特性,被 Kotlin 的设计者给盲目抛弃了。这就是我今天要讲的主题:checked exception。我不知道这个术语有什么标准的中文翻译,为了避免引起定义混乱,下文我就把它简称为“CE”好了。

  先来科普一下 CE 到底是什么吧。Java 要求你必须在函数的类型里面声明它可能抛出的异常。比如,你的函数如果是这样:

void foo (string filename) throws FileNotFoundException {   if (...)   {     throw new FileNotFoundException ();   }   ... }

  Java 要求你必须在函数头部写上“throws FileNotFoundException”,否则它就不能编译。这个声明表示函数在某些情况下,会抛出 FileNotFoundException 这个异常。由于编译器看到了这个声明,它会严格检查你对 foo 函数的用法。在调用 foo 的时候,你必须使用 try-catch 处理这个异常,或者在调用的函数头部也声明 “throws FileNotFoundException”,把这个异常传递给上一层调用者。

try {     foo ("blah"); }  catch (FileNotFoundException e) {     ... }

  这种对异常的声明和检查,叫做“checked exception”。很多语言(包括 C++,C#,JavaScript,Python……)都有异常机制,但它们不要求你在函数的类型里面声明可能出现的异常类型,也不使用静态类型系统对异常的处理进行检查和验证。我们说这些语言里面有“exception”,却没有“checked exception”。

  理解了 CE 这个概念,下面我们来谈正事:Kotlin 和 C# 对 CE 的误解。

  Kotlin 的文档明确的说明,它不支持类似 Java 的 checked exception(CE),指出 CE 的缺点是“繁琐”,并且列举了几个普通程序员心目中“大牛”的文章,想以此来证明为什么 Java 的 CE 是一个错误,为什么它不解决问题,却带来了麻烦。这些人包括了 Bruce Eckel 和 C# 的设计者 Anders Hejlsberg。

  很早的时候我就看过 Hejlsberg 的这些言论。他的话看似有道理,然而通过自己编程和设计语言的实际经验,我发现他并没有抓住问题的关键。他的论述里有好几处逻辑错误,一些自相矛盾,还有一些盲目的臆断,所以这些言论并没能说服我。正好相反,实在的项目经验告诉我,CE 是 C# 缺少的一项重要特性,没有了 CE 会带来相当麻烦的后果。在微软写 C# 的时候,我已经深刻体会到了缺少 CE 所带来的困扰。现在我就来讲一下,CE 为什么是很重要的语言特性,然后讲一下为什么 Hejlsberg 对它的批评是站不住脚的。

  首先,写 C# 代码时最让我头痛的事情之一,就是 C# 没有 CE。每调用一个函数(不管是标准库函数,第三方库函数,还是队友写的函数,甚至我自己写的函数),我都会疑惑这个函数是否会抛出异常。由于 C# 的函数类型上不需要标记它可能抛出的异常,为了确保一个函数不会抛出异常,你就需要检查这个函数的源代码,以及它调用的那些函数的源代码……

  也就是说,你必须检查这个函数的整个“调用树”的代码,才能确信这个函数不会抛出异常。这样的调用树可以是非常大的。说白了,这就是在用人工对代码进行“全局静态分析”,遍历整个调用树。这不但费时费力,看得你眼花缭乱,还容易漏掉出错。显然让人做这种事情是不现实的,所以绝大部分时候,程序员都不能确信这个函数调用不会出现异常。

  在这种疑虑的情况下,你就不得不做最坏的打算,你就得把代码写成:

try {     foo (); }  catch (Exception) {     ... }

  注意到了吗,这也就是你写 Java 代码时,能写出的最糟糕的异常处理代码!因为不知道 foo 函数里面会有什么异常出现,所以你的 catch 语句里面也不知道该做什么。大部分人只能在里面放一条 log,记录异常的发生。这是一种非常糟糕的写法,不但繁复,而且可能掩盖运行时错误。有时候你发现有些语句莫名其妙没有执行,折腾好久才发现是因为某个地方抛出了异常,所以跳到了这种 catch 的地方,然后被忽略了。如果你忘了写 catch (Exception),那么你的代码可能运行了一段时间之后当掉,因为忽然出现一个测试时没出现过的异常……

  所以对于 C# 这样没有 CE 的语言,很多时候你必须莫名其妙这样写,这种做法也就是我在微软的 C# 代码里经常看到的。问原作者为什么那里要包一层 try-catch,答曰:“因为之前这地方出现了某种异常,所以加了个 try-catch,然后就忘了当时出现的是什么异常,具体是哪一条语句会出现异常,总之那一块代码会出现异常……” 如此写代码,自己心虚,看的人也糊涂,软件质量又如何保证?

  那么 Java 呢?因为 Java 有 CE,所以当你看到一个函数没有声明异常,就可以放心的省掉 try-catch。所以这个 C# 的问题,自然而然就被避免了,你不需要在很多地方疑惑是否需要写 try-catch。Java 编译器的静态类型检查会告诉你,在什么地方必须写 try-catch,或者加上 throws 声明。如果你用 IntelliJ,把光标放到 catch 语句上面,可能抛出那种异常的语句就会被加亮。C# 代码就不可能得到这样的帮助。

王垠:Kotlin和Checked Exception

  CE 看起来有点费事,似乎只是为了“让编译器开心”,然而这其实是每个程序员必须理解的事情。出错处理并不是 Java 所特有的东西,就算你用 C 语言,也会遇到本质一样的问题。使用任何语言都无法逃脱这个问题,所以必须把它想清楚。在《编程的智慧》一文中,我已经讲述了如何正确的进行出错处理。如果你滥用 CE,当然会有不好的后果,然而如果你使用得当,就会起到事半功倍,提高代码可靠性的效果。

  Java 的 CE 其实对应着一种强大的逻辑概念,一种根本性的语言特性,它叫做“union type”。这个特性只存在于 Typed Racket 等一两个不怎么流行的语言里。Union type 也存在于 PySonar 类型推导和 Yin 语言里面。你可以把 Java 的 CE 看成是对 union type 的一种不完美的,丑陋的实现。虽然实现丑陋,写法麻烦,CE 却仍然有着 union type 的基本功能。如果使用得当,union type 不但会让代码的出错处理无懈可击,还可以完美的解决 null 指针等头痛的问题。通过实际使用 Java 的 CE 和 Typed Racket 的 union type 来构建复杂项目,我很确信 CE 的可行性和它带来的好处。

  现在我来讲一下为什么 Hejlsberg 对于 CE 的批评是站不住脚的。他的第一个错误,俗话说就是“人笨怪刀钝”。他把程序员对于出错处理的无知,不谨慎和误用,怪罪在 CE 这个无辜的语言特性身上。他的话翻译过来就是:“因为大部分程序员都很傻,没有经过严格的训练,不小心又懒惰,所以没法正确使用 CE。所以这个特性不好,是没用的!”

  他的论据里面充满了这样的语言:

  • “大部分程序员不会处理这些 throws 声明的异常,所以他们就给自己的每个函数都加上 throws Exception。这使得 Java 的 CE 完全失效。”
  • “大部分程序员根本不在乎这异常是什么,所以他们在程序的最上层加上 catch (Exception),捕获所有的异常。”
  • “有些人的函数最后抛出 80 多种不同的异常,以至于使用者不知道该怎么办。”……

  注意到了吗,这种给每个函数加上 throws Exception 或者 catch (Exception) 的做法,也就是我在《编程的智慧》里面指出的经典错误做法。要让 CE 可以起到良好的作用,你必须避免这样的用法,你必须知道自己在干什么,必须知道被调用的函数抛出的 exception 是什么含义,必须思考如何正确的处理它们。

  另外 CE 就像 union type 一样,如果你不小心分析,不假思索就抛出异常,就会遇到他提到的“抛出 80 多种异常”的情况。出现这种情况往往是因为程序员没有仔细思考,没有处理本来该自己处理的异常,而只是简单的把下层的异常加到自己函数类型里面。在多层调用之后,你就会发现最上面的函数累积起很多种异常,让调用者不知所措,只好传递这些异常,造成恶性循环。终于有人烦得不行,把它改成了“throws Exception”。

  我在使用 Typed Racket 的 union type 时也遇到了类似的问题,但只要你严格检查被调用函数的异常,尽量不让它们传播,严格限制自己抛出的异常数目,缩小可能出现的异常范围,这种情况是可以避免的。CE 和 union type 强迫你仔细的思考,理顺这些东西之后,你就会发现代码变得非常缜密而优雅。其实就算你写 C 代码或者 JavaScript,这些问题是同样存在的,只不过这些语言没有强迫你去思考,所以很多时候问题被稀里糊涂掩盖了起来,直到很长时间之后才暴露出来,不可救药。

  所以可以说,这些问题来自于程序员自己,而不是 CE 本身。CE 只提供了一种机制,至于程序员怎么使用它,是他们自己的职责。再好的特性被滥用,也会产生糟糕的结果。Hejlsberg 对这些问题使用了站不住脚的理论。如果你假设程序员都是糊里糊涂写代码,那么你可以得出无比惊人的结论:所有用于防止错误的语言特性都是没用的!因为总有人可以懒到不理解这些特性的用法,所以他总是可以滥用它们,绕过它们,写出错误百出的代码,所以静态类型没用,CE 没用,…… 有这些特性的语言都是垃圾,大家都写 PHP 就行了 ;)

  Hejlsberg 把这些不理解 CE 用法,懒惰,滥用它的人作为依据,以至于得出 CE 是没用的特性,以至于不把它放到 C# 里面。由于某些人会误用 CE,结果就让真正理解它的人也不能用它。最后所有人都退化到最笨的情况,大家都只好写 catch (Exception)。在 Java 里,至少有少数人知道应该怎么做,在 C# 里,所有人都被迫退化成最差的 Java 程序员 ;)

  另外,Hejlsberg 还指出 C# 代码里没有被 catch 的异常,应该可以用“静态分析”检查出来。可以看出来,他并不理解这种静态检查是什么规模的问题。要能用静态分析发现 C# 代码里被忽略的异常,你必须进行“全局分析”,也就是说为了知道一个函数是否会抛出异常,你不能只看这个函数。你必须分析这个函数的代码,它调用的代码,它调用的代码调用的代码…… 所以你需要分析超乎想象的代码量,而且很多时候你没有源代码。所以对于大型的项目,这显然是不现实的。

  相比之下,Java 要求你对异常进行 throws 显式声明,实质上把这个全局分析问题分解成了一个个模块化(modular)的小问题。每个函数作者完成其中的一部分,调用它的人完成另外一部分。大家合力帮助编译器,高效的完成静态检查,防止漏掉异常处理,避免不必要的 try-catch。实际上,像 Exceptional 一类的 C# 静态检查工具,会要求你在注释里写出可能抛出的异常,这样它才能发现被忽略的异常。所以 Exceptional 其实重新发明了 Java 的 CE,只不过 throws 声明被写成了一个注释而已。

  说到 C#,其实它还有另外一个特别讨厌的设计错误,引起了很多不必要的麻烦。感兴趣的人可以看看我这篇文章:《可恶的 C# IDisposable 接口》。这个问题浪费了整个团队两个月之久的时间。所以我觉得作为 C# 的设计者,Hejlsberg 的思维局限性相当大。我们应该小心的分析和论证这些人的言论,不应该把他们作为权威而盲目接受,以至于让一个优秀的语言特性被误解,不能进入到新的语言里。

  结论?

  所以我对 Kotlin 是什么“结论”呢?我没有结论,这篇文章就像我所有的看法一样,仅供参考。显然 Kotlin 有的地方做得比 Java 好,所以它不会因为没有 CE 而完全失去意义。我不想打击人们对新事物的兴趣,我甚至鼓励有时间的人去试试看。

  我知道很多人希望我给他们一个结论,到底是用一个语言,还是不用它,这样他们就不用纠结了,然而我并不想给出一个结论。一来是因为我不想让人感觉我在“控制”他们,如何看待一个东西是他们的自由,是否采用一个东西是他们自己的决定。二来是因为我还没有时间和机会,去用 Kotlin 来做实际的项目。另外,我早就厌倦了试用新的语言,如果一个大众化的语言没有特别讨厌,不可原谅的设计失误,我是不会轻易换用新语言的。我宁愿让其他人做我的小白鼠,去试用这些新语言。到后来我有空了,再去看看他们的成功或者失败经历 :P

  所以对我个人而言,我至少现在不会去用 Kotlin,但我并不想让其他人也跟我一样。因为 Java,C++ 和 C 已经能满足我的需求,它们相当稳定,而且我对它们已经很熟悉,所以我为什么要花精力去学一个新的语言,去折腾不成熟的工具,放下我真正感兴趣的算法和数据结构等问题呢?实际上不管我用什么语言写代码,我的头脑里都在用同一个语言构造程序。我写代码的过程,只不过是在为我脑子里的“万能语言”找到对应的表达方式而已。

PS:如果您想和业内技术大牛交流的话,请加qq群(527933790)或者关注微信公众 号(AskHarries),谢谢!

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