Kotlin/Native — co to je, překladač do nativního kódu a vlastnosti

Co je Kotlin/Native?

Kotlin/Native — je technologie kompilace kódu Kotlin do nativního strojového kódu vyvinutá společností JetBrains. Hlavní rozdíl oproti Kotlin/JVM spočívá v absenci potřeby virtuálního stroje — výsledný spustitelný soubor obsahuje pouze strojový kód a minimální běhové prostředí. To umožňuje spouštět aplikace Kotlin na zařízeních a systémech, kde JVM není podporována, včetně iPhone, Apple Watch a vestavěných systémů.

Historie Kotlin/Native začala jako experimentální překladač, který byl v roce 2017 integrován do hlavní větve Kotlin. V roce 2019 byla na KotlinConf oznámena podpora iOS jako cílové platformy, což se stalo zlomovým bodem pro mobilní vývoj. Od verze Kotlin 1.9.20 dosáhl překladač Kotlin/Native stability a je ve výchozím nastavení součástí Kotlin Multiplatform.

Klíčovou vlastností Kotlin/Native je použití společné mezilehlé reprezentace IR, která je kompilována do strojového kódu pro každou platformu zvlášť. To zajišťuje jednotné frontend kompilace pro všechny backendy Kotlin: JVM, JS a Native.

Jak funguje překladač Kotlin/Native

Kompilace Kotlin/Native prochází několika fázemi transformace. Zdrojový kód v Kotlin je nejprve převeden do interní reprezentace, poté optimalizován a předán backendu LLVM pro generování strojového kódu. Poslední fází je propojení s běhovými knihovnami a vytvoření spustitelného souboru nebo dynamické knihovny.

Architektura zahrnuje tři klíčové komponenty: frontend (parsování a kontrola typů), generátor IR (vytváření mezilehlé reprezentace) a backend LLVM (generování strojového kódu). Toto schéma je podobné přístupu používanému v překladačích Clang pro C++ a Rust.

// Kompilace Kotlin/Native přes příkazový řádek
kotlinc-native hello.kt -o hello -opt

// Sestavení pro iOS arm64 přes Kotlin Multiplatform
./gradlew :shared:linkDebugFrameworkIosArm64

Pro správu paměti používá Kotlin/Native vlastní Memory Manager založený na počítání referencí s cyklickým detektorem. Od Kotlin 1.7.20 funguje nový správce paměti ve výchozím nastavení a nevyžaduje anotace @ThreadLocal nebo @SharedImmutable. Sběrač odpadu pracuje bez zastavování vláken, což je kritické pro iOS, kde systém může při dlouhodobém blokování hlavního vlákna aplikaci násilně ukončit.

Fáze kompilace Kotlin/Native

Proces kompilace je rozdělen do pěti fází: parsování (analýza zdrojového kódu), sémantická analýza (kontrola typů a rozlišení názvů), generování IR (vytváření mezilehlé reprezentace), optimalizace (zjednodušení a odstranění mrtvého kódu) a generování kódu prostřednictvím LLVM. Každá fáze může být prováděna paralelně pro různé moduly, což urychluje sestavování velkých projektů.

Podporované platformy Kotlin/Native

Kotlin/Native podporuje 13 cílových platforem rozdělených do kategorií. Pro mobilní vývoj jsou k dispozici iOS (arm64), Android (arm32, arm64, x86_64) a watchOS. Desktopové platformy zahrnují macOS (x64, arm64), Windows (mingw x64) a Linux (x64, arm64, arm32). Pro serverový a vestavěný vývoj jsou k dispozici WebAssembly a Kotlin/Native na LLVM bez operačního systému (standalone). Každá platforma vyžaduje samostatný framework nebo knihovnu na výstupu.

Platformy pro mobilní vývoj

Pro iOS Kotlin/Native generuje univerzální framework (.framework), který lze připojit k projektu Xcode. Pro Android NDK jsou vytvářeny nativní knihovny .so, které lze volat přes JNI. Platforma watchOS je podporována od Kotlin 1.6.0 a tvOS od verze 1.7.0. Každá architektura vyžaduje samostatné sestavení, ale Kotlin Multiplatform tento proces automatizuje pomocí pluginu Gradle.

Desktopové a serverové platformy

macOS a Linux se používají pro vývoj nativních desktopových aplikací v Kotlin pomocí frameworku Compose Multiplatform. Platforma Windows (MinGW) je podporována od Kotlin 1.3.70 a umožňuje vytváření aplikací pro Windows bez instalace JVM. Pro serverový vývoj lze Kotlin/Native použít v prostředích, kde JVM není k dispozici, například v Docker kontejnerech s minimálním obrazem založeným na scratch nebo Alpine.

Kotlin/Native pro vývoj iOS

iOS je hlavní cílovou platformou Kotlin/Native v kontextu KMM. Překladač vytváří iOS framework obsahující veškerý společný kód, který je pak připojen k projektu Xcode. Framework podporuje jak statické, tak dynamické propojení. Kotlin/Native generuje Objective-C obálky pro třídy a funkce Kotlin, což zajišťuje přímou integraci s kódem v Swift a Objective-C.

Integrace s iOS vyžaduje konfiguraci Xcode pro připojení generovaného frameworku. Kotlin Multiplatform automatizuje tento proces pomocí úlohy embedAndSignAppleFrameworkForXcode, která se spouští z Xcode Build Phases. Pro ladění podporuje Kotlin/Native breakpointy v kódu společného modulu při spuštění aplikace na iOS simulátoru.

// Kód Kotlin zkompilovaný do iOS frameworku
package com.itsectr.shared

class GreetingProvider {
    fun createGreeting(): String {
        return "Hello from Kotlin/Native!"
    }

    fun formatVersion(major: Int, minor: Int): String {
        return "v$major.$minor"
    }
}

Objective-C a Swift Interop

Interop s iOS kódem funguje oběma směry. Kotlin/Native generuje Objective-C hlavičky pro třídy Kotlin, které jsou automaticky dostupné ze Swiftu. Zpětnou vazbu zajišťuje anotace @ObjCName pro export funkcí Kotlin pod zadaným názvem Objective-C. Kolekce Kotlin se automaticky převádějí na NSArray a NSDictionary a korutiny Kotlin jsou zabaleny do Combine publishers prostřednictvím knihovny SKIE. Pro práci s iOS frameworky z Kotlin se používá cinterop — nástroj pro generování vazeb Kotlin na Objective-C hlavičky.

Příklady kódu: konfigurace a kompilace

Pro zahájení práce s Kotlin/Native je vyžadována konfigurace build.gradle.kts s uvedením pluginu Kotlin Multiplatform a cílových platforem. Podívejme se na minimální konfiguraci pro projekt KMM s podporou iOS a Android.

plugins {
    kotlin("multiplatform") version "2.0.21"
}

kotlin {
    iosArm64()
    iosSimulatorArm64()

    sourceSets {
        commonMain.dependencies {
            implementation("org.jetbrains.kotlinx:kotlinx-coroutines-core:1.9.0")
        }
        iosMain.dependencies {
            implementation("org.jetbrains.kotlinx:kotlinx-coroutines-core:1.9.0")
        }
    }
}

Po konfiguraci sestavení lze přidat kód závislý na platformě. Kotlin/Native poskytuje přístup k funkcím iOS prostřednictvím obálek Kotlin. Například získání UUID zařízení na iOS vyžaduje volání NSUUID z Foundation.

import platform.Foundation.NSUUID

fun getDeviceId(): String {
    return NSUUID().UUIDString()
}

fun currentTimestampMillis(): Long {
    return (platform.Foundation.NSDate().timeIntervalSince1970 * 1000).toLong()
}

Sestavení iOS frameworku

Pro generování iOS frameworku se používá úloha Gradle linkDebugFrameworkIosArm64 nebo linkReleaseFrameworkIosArm64 pro produkci. Po sestavení se framework nachází v build/bin/iosArm64/debugFramework/. Připojení k projektu Xcode se provádí přes Pods Podfile nebo přidáním frameworku do sekce General → Frameworks, Libraries and Embedded Content.

// Sestavení release frameworku pro iOS arm64
./gradlew :shared:linkReleaseFrameworkIosArm64

// Sestavení univerzálního frameworku x86_64 + arm64
./gradlew :shared:linkReleaseFrameworkIosX64 \
    :shared:linkReleaseFrameworkIosArm64

// Vytvoření XCFramework pro App Store
./gradlew :shared:assembleReleaseXCFramework

Kotlin/Native vs Kotlin/JVM: srovnání

Kotlin/Native a Kotlin/JVM se liší architekturou, výkonem a oblastí použití. Kotlin/JVM kompiluje kód do bytekódu spouštěného na JVM, což poskytuje přístup k obrovskému ekosystému knihoven Java, ale vyžaduje nainstalovaný virtuální stroj. Kotlin/Native generuje spustitelný soubor bez externích závislostí, ale s omezenějším ekosystémem knihoven.

Výkon počátečního času Kotlin/Native je vyšší, protože není vyžadováno načítání JVM. Podle benchmarků JetBrains se aplikace Hello World na Kotlin/Native spouští za 0.003 sekundy, zatímco Kotlin/JVM potřebuje 0.5–1 sekundu pro načtení virtuálního stroje. Velikost spustitelného souboru Kotlin/Native však může být 2–3krát větší kvůli zahrnutému běhovému prostředí.

Volba mezi Kotlin/Native a Kotlin/JVM závisí na cílové platformě. Pokud je projekt zaměřen na iOS nebo vyžaduje minimální spotřebu zdrojů, je Kotlin/Native jedinou možností. Pro vývoj Android zůstává Kotlin/JVM standardem, i když Kotlin/Native se používá pro komponenty NDK, kde je vyžadován nativní výkon. V multi-platformních projektech Kotlin Multiplatform kombinuje oba přístupy: společný kód je kompilován přes Kotlin/Native pro iOS a přes Kotlin/JVM pro Android.