Kotlin/Native — 什么是它，原生代码编译器及特点

什么是 Kotlin/Native？

Kotlin/Native — 是由 JetBrains 公司开发的将 Kotlin 代码编译为原生机器码的技术。与 Kotlin/JVM 的主要区别在于不需要虚拟机——最终的可执行文件只包含机器码和最小的运行时环境。这使得 Kotlin 应用程序可以在不支持 JVM 的设备和系统上运行，包括 iPhone、Apple Watch 和嵌入式系统。

Kotlin/Native 的历史始于一个实验性编译器项目，该项目于 2017 年集成到 Kotlin 主分支中。2019 年在 KotlinConf 上宣布支持 iOS 作为目标平台，这成为移动开发的转折点。从 Kotlin 1.9.20 版本开始，Kotlin/Native 编译器达到了稳定状态，并默认包含在 Kotlin Multiplatform 中。

Kotlin/Native 的关键特性是使用共享中间表示 IR，该表示为每个平台单独编译为机器码。这为所有 Kotlin 后端（JVM、JS 和 Native）提供了统一的编译前端。

Kotlin/Native 编译器如何工作

编译 Kotlin/Native 经历多个转换阶段。Kotlin 源代码首先转换为内部表示，然后进行优化并传递给 LLVM 后端以生成机器码。最后阶段是与运行时库链接并创建可执行文件或动态库。

架构包括三个关键组件：前端（解析和类型检查）、IR 生成器（构建中间表示）和 LLVM 后端（生成机器码）。此方案类似于 C++ 和 Rust 的 Clang 编译器中使用的方法。

// 通过命令行编译 Kotlin/Native
kotlinc-native hello.kt -o hello -opt

// 通过 Kotlin Multiplatform 为 iOS arm64 构建
./gradlew :shared:linkDebugFrameworkIosArm64

对于内存管理，Kotlin/Native 使用自己的 Memory Manager，基于带有循环检测器的引用计数。从 Kotlin 1.7.20 开始，新的内存管理器默认工作，不需要 @ThreadLocal 或 @SharedImmutable 注释。垃圾收集器无需停止线程即可工作，这对于 iOS 至关重要，因为系统可能在主线程长时间阻塞时强制关闭应用程序。

Kotlin/Native 编译阶段

编译过程分为五个阶段：解析（分析源代码）、语义分析（类型检查和名称解析）、IR 生成（构建中间表示）、优化（简化和删除死代码）和 代码生成（通过 LLVM）。每个阶段可以针对不同的模块并行执行，从而加快大型项目的构建速度。

Kotlin/Native 支持的平台

Kotlin/Native 支持 13 个目标平台，分为不同的类别。对于移动开发，支持 iOS (arm64)、Android (arm32, arm64, x86_64) 和 watchOS。桌面平台包括 macOS (x64, arm64)、Windows (mingw x64) 和 Linux (x64, arm64, arm32)。对于服务器和嵌入式开发，支持 WebAssembly 和无操作系统的 LLVM 上的 Kotlin/Native（独立模式）。每个平台需要在输出端有单独的框架或库。

移动开发平台

对于 iOS，Kotlin/Native 生成一个可以连接到 Xcode 项目的通用框架 (.framework)。对于 Android NDK，创建可以通过 JNI 调用的原生 .so 库。watchOS 平台从 Kotlin 1.6.0 开始支持，tvOS 从 1.7.0 版本开始支持。每个架构需要单独的构建，但 Kotlin Multiplatform 通过 Gradle 插件自动化此过程。

桌面和服务器平台

macOS 和 Linux 用于使用 Compose Multiplatform 框架在 Kotlin 中开发原生桌面应用程序。Windows (MinGW) 平台从 Kotlin 1.3.70 开始支持，允许无需安装 JVM 即可创建 Windows 应用程序。对于服务器开发，Kotlin/Native 可用于 JVM 不可用的环境，例如基于 scratch 或 Alpine 的最小镜像的 Docker 容器中。

Kotlin/Native 用于 iOS 开发

iOS 是 KMM 背景下 Kotlin/Native 的主要目标平台。编译器创建一个包含所有共享代码的 iOS 框架，然后连接到 Xcode 项目。该框架支持静态和动态链接。Kotlin/Native 为 Kotlin 类和函数生成 Objective-C 包装器，确保与 Swift 和 Objective-C 代码的直接集成。

与 iOS 集成需要配置 Xcode 以连接生成的框架。Kotlin Multiplatform 通过从 Xcode Build Phases 运行的 embedAndSignAppleFrameworkForXcode 任务自动化此过程。对于调试，Kotlin/Native 支持在 iOS 模拟器上运行应用程序时在共享模块代码中设置断点。

// Kotlin 代码编译为 iOS 框架
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 和 Swift Interop

Interop 与 iOS 代码双向工作。Kotlin/Native 为 Kotlin 类生成 Objective-C 头文件，这些头文件自动从 Swift 可用。通过 @ObjCName 注释提供反馈，用于以指定的 Objective-C 名称导出 Kotlin 函数。Kotlin 集合自动转换为 NSArray 和 NSDictionary，Kotlin 协程通过 SKIE 库包装到 Combine publishers 中。为了从 Kotlin 与 iOS 框架一起工作，使用 cinterop——一个用于为 Objective-C 头文件生成 Kotlin 绑定的工具。

代码示例：配置和编译

要开始使用 Kotlin/Native，需要配置 build.gradle.kts，指定 Kotlin Multiplatform 插件和目标平台。让我们来看一个支持 iOS 和 Android 的 KMM 项目的最小配置。

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")
        }
    }
}

配置构建后，可以添加平台相关代码。Kotlin/Native 通过 Kotlin 包装器提供对 iOS 函数的访问。例如，在 iOS 上获取设备 UUID 需要调用 Foundation 中的 NSUUID。

import platform.Foundation.NSUUID

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

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

构建 iOS 框架

要生成 iOS 框架，使用 Gradle 任务 linkDebugFrameworkIosArm64 或用于生产的 linkReleaseFrameworkIosArm64。构建后，框架位于 build/bin/iosArm64/debugFramework/。连接到 Xcode 项目通过 Pods Podfile 或将框架添加到 General → Frameworks, Libraries and Embedded Content 部分来完成。

// 为 iOS arm64 构建发布框架
./gradlew :shared:linkReleaseFrameworkIosArm64

// 构建通用框架 x86_64 + arm64
./gradlew :shared:linkReleaseFrameworkIosX64 \
    :shared:linkReleaseFrameworkIosArm64

// 为 App Store 创建 XCFramework
./gradlew :shared:assembleReleaseXCFramework

Kotlin/Native 与 Kotlin/JVM：比较

Kotlin/Native 和 Kotlin/JVM 在架构、性能和应用领域上有所不同。Kotlin/JVM 将代码编译为在 JVM 上执行的字节码，提供了对庞大 Java 库生态系统的访问，但需要安装的虚拟机。Kotlin/Native 生成没有外部依赖的可执行文件，但库生态系统更为有限。

Kotlin/Native 的启动时间性能更高，因为不需要加载 JVM。根据 JetBrains 的基准测试，Kotlin/Native 上的 Hello World 应用程序在 0.003 秒内启动，而 Kotlin/JVM 需要 0.5–1 秒来加载虚拟机。但是，由于包含了运行时，Kotlin/Native 的可执行文件大小可能大 2–3 倍。

Kotlin/Native 和 Kotlin/JVM 之间的选择取决于目标平台。如果项目面向 iOS 或需要最少资源消耗，Kotlin/Native 是唯一的选择。对于 Android 开发，Kotlin/JVM 仍然是标准，尽管 Kotlin/Native 用于需要原生性能的 NDK 组件。在多平台项目中，Kotlin Multiplatform 结合了两种方法：共享代码通过 Kotlin/Native 为 iOS 编译，通过 Kotlin/JVM 为 Android 编译。