Ktorm - 让你的数据库操作更具 Kotlin 风味

在上篇文章中，我们介绍了 Ktorm 的基本使用方法。Ktorm 是一个专注于 Kotlin 的 ORM 框架，它提供的 SQL DSL 和序列 API 可以让我们方便地进行数据库操作。在这篇文章中，我们将学习到更多细节，了解 Ktorm 如何让我们的数据库操作更具 Kotlin 风味。

前文地址：你还在用 MyBatis 吗，Ktorm 了解一下？
Ktorm 官网：https://www.ktorm.org

在开始之前，我们先回顾一下上篇文章中的员工-部门表的例子，这次我们的示例也是基于这两个表。下面是使用 Ktorm 定义的这两个表的结构：

object Departments : Table<Nothing>("t_department") {
    val id = int("id").primaryKey()    // Column<Int>
    val name = varchar("name")         // Column<String>
    val location = varchar("location") // Column<String>
}

object Employees : Table<Nothing>("t_employee") {
    val id = int("id").primaryKey()
    val name = varchar("name")
    val job = varchar("job")
    val managerId = int("manager_id")
    val hireDate = date("hire_date")
    val salary = long("salary")
    val departmentId = int("department_id")
}

在上面的表定义中，我们可以看到，Ktorm 一般使用 Kotlin 中的 object 关键字定义一个继承 Table 类的对象来描述表结构。这里的 Departments 和 Employees 都继承了 Table，并且在构造函数中指定了表名。表中的列使用 val 关键字定义为表对象中的成员属性，列的类型通过 int、long、varchar、date 等函数定义，它们分别对应了 SQL 中的相应类型。

在 Ktorm 中，int、long、varchar、date 这类函数称为列定义函数，它们的功能是在当前表中增加一条指定名称和类型的列。Ktorm 内置了许多列定义函数，它们基本涵盖了关系数据库所支持的大部分数据类型。但是，在某些情况下，我们需要在数据库中保存一些原生 JDBC 所不支持的特殊类型的数据（比如 json），这就要求框架能给我们提供扩展数据类型的方式。

使用扩展函数支持更多数据类型

SqlType 是 Ktorm 中的一个抽象类，它为 SQL 中的数据类型提供了统一的抽象，要扩展自己的数据类型，我们首先需要提供一个自己的 SqlType 实现类。下面的 JsonSqlType 使用 Jackson 框架进行 json 与对象之间的转换，提供了 json 数据类型的支持：

class JsonSqlType<T : Any>(
    val objectMapper: ObjectMapper,
    val javaType: JavaType
) : SqlType<T>(Types.VARCHAR, "json") {

    override fun doSetParameter(ps: PreparedStatement, index: Int, parameter: T) {
        ps.setString(index, objectMapper.writeValueAsString(parameter))
    }

    override fun doGetResult(rs: ResultSet, index: Int): T? {
        val json = rs.getString(index)
        if (json.isNullOrBlank()) {
            return null
        } else {
            return objectMapper.readValue(json, javaType)
        }
    }
}

有了 JsonSqlType 之后，接下来的问题就是如何在表对象中添加一条 json 类型的列。我们已经知道，int、varchar 等内置列定义函数的功能正是在当前表对象中注册一条相应类型的列，那么我们能不能自己写一个列定义函数呢？

如果我们用的是 Java，这时恐怕只能遗憾地放弃了，但是 Kotlin 不一样，它支持扩展函数！Kotlin 的扩展函数可以让我们方便地扩展一个已经存在的类，为它添加额外的函数。

inline fun <reified C : Any> BaseTable<*>.json(
    name: String,
    mapper: ObjectMapper = sharedObjectMapper
): Column<C> {
    return registerColumn(name, JsonSqlType(mapper, mapper.constructType(typeOf<C>())))
}

使用上面这个扩展函数，我们可以很方便地在当前表对象中添加一条 json 类型的列，它的用法和 Ktorm 内置的列定义函数没有任何区别。

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object Employees : Table<Nothing>("t_employee") {
    val hobbies = json<List<String>>("hobbies")
}

扩展函数是 Kotlin 的一项重要特性，可以让我们在不修改一个类的情况下，为它添加额外的属性和函数，这极大地提高了我们编程的灵活性。Ktorm 对扩展函数有许多的应用，它的绝大部分 API 都是通过扩展函数的方式来提供的。实际上，前面提到的 int、varchar 等内置列定义函数也都是通过扩展函数实现的。

使用 DSL 编写 SQL

DSL（Domain Specific Language，领域特定语言）是专为解决某一特定问题而设计的语言。与通用编程语言相比，DSL 更趋向于声明式，能够更加简洁地表达特定领域的操作。Kotlin 为我们提供了构建内部 DSL 的强大能力，所谓内部 DSL，即使用 Kotlin 语言开发的，解决特定领域问题，具备独特代码结构的 API。

在代码中拼接 SQL 字符串一直是各位程序员心中的痛，Ktorm 提供了强类型的 DSL，让我们可以使用更安全和简便的方式编写 SQL。下面是一个使用 DSL 的例子，它查询每个部门的员工数量，并把部门按人数从高到低排序：

database
    .from(Departments)
    .innerJoin(Employees, on = Departments.id eq Employees.departmentId)
    .select(Departments.name, count(Employees.id))
    .groupBy(Departments.name)
    .orderBy(count(Employees.id).desc())
    .forEach { row ->
        println("Dept Name: ${row.getString(1)}, Emp Count: ${row.getInt(2)}")
    }

当你运行这段代码，Ktorm 会自动执行一条 SQL，生成的 SQL 如下：

select t_department.name as t_department_name, count(t_employee.id) 
from t_department 
inner join t_employee on t_department.id = t_employee.department_id 
group by t_department.name 
order by count(t_employee.id) desc

这就是 Kotlin 的魔法，使用 Ktorm 写查询十分地简单和自然，所生成的 SQL 几乎和 Kotlin 代码一一对应。并且，Ktorm 是强类型的，编译器会在你的代码运行之前对它进行检查，IDE 也能对你的代码进行智能提示和自动补全。

除了查询以外，Ktorm 的 DSL 还支持插入和修改数据，比如向表中插入一名新员工：

database.insert(Employees) {
    set(it.name, "marry")
    set(it.job, "trainee")
    set(it.managerId, 1)
    set(it.hireDate, LocalDate.now())
    set(it.salary, 50)
    set(it.departmentId, 1)
}

生成 SQL：

1 2	insert into t_employee (name, job, manager_id, hire_date, salary, department_id) values (?, ?, ?, ?, ?, ?)

给名为 vince 的员工加一个小目标的薪水：

database.update(Employees) {
    set(it.salary, it.salary + 100000000)
    where {
        it.name eq "vince"
    }
}

生成 SQL：

1	update t_employee set salary = salary + ? where name = ?

运算符重载

在前面给 vince 加薪的过程中，细心的同学可能会发现我们很自然地使用了一个加号：it.salary + 100000000。然而，Employees.salary 的类型是 Column<Long>，我们怎么能把它和一个数字相加呢。这是因为 Kotlin 允许我们对运算符进行重载，使用 operator 关键字修饰的名为 plus 的函数定义了一个加号运算符。当我们对一个 Column 使用加号时，Kotlin 实际上调用了 Ktorm 中的这个 plus 函数：

operator fun <T : Number> Column<T>.plus(argument: T): BinaryExpression<T> {
    return BinaryExpression(
        type = BinaryExpressionType.PLUS, 
        left = this.asExpression(), 
        right = this.wrapArgument(argument), 
        sqlType = this.sqlType
    )
}

上面的函数重载了加号运算符，但它并没有真正执行加法运算，它只是返回了一个 SQL 表达式，这个表达式最终会被 SqlFormatter 翻译为 SQL 中的加号。通过这种方式，Ktorm 得以将 Kotlin 中的四则运算符翻译为 SQL 中的相应符号。

除了加号以外，Ktorm 还重载了许多常用的运算符，它们包括加号、减号、一元加号、一元减号、乘号、除号、取余、取反等。下面的例子使用取余符号 % 查询数据库中 ID 为奇数的员工：

1	val query = database.from(Employees).select().where { Employees.id % 2 eq 1 }

生成 SQL：

1	select * from t_employee where (t_employee.id % ?) = ?

通过 infix 定义自己的运算符

通过运算符重载，Ktorm 能够将 Kotlin 中四则运算符翻译为 SQL 中的相应符号。但是 Kotlin 的运算符重载还有许多的限制，比如：

判等运算符（equals 方法）的返回值类型必须是 Boolean。然而，为了将 Kotlin 中的运算符翻译到 SQL，Ktorm 要求运算符函数必须返回一个 SqlExpression，以记录我们的表达式的语法结构（比如上文中的 plus 函数）。
支持的运算符有限，无法支持 SQL 中的特殊运算符，比如 like。

天无绝人之路，Kotlin 提供了 infix 修饰符，使用 infix 修饰的函数，在调用时可以省略点和括号，这为我们开启了另一个思路。比如，使用 infix 关键字修饰 eq 函数，用来支持判等操作，这个 eq 函数我们再前面已经用过许多次：

infix fun <T : Any> Column<T>.eq(expr: Column<T>): BinaryExpression<Boolean> {
    return BinaryExpression(
        type = BinaryExpressionType.EQUAL, 
        left = this.asExpression(), 
        right = expr.asExpression(), 
        sqlType = BooleanSqlType
    )
}

除了 eq 函数外，Ktorm 还提供了许多常用的运算符函数，它们包括 and、or、gt、lt、like 等。不仅如此，我们还能通过 infix 关键字定义自己特殊的运算符，比如 PostgreSQL 中的 ilike 运算符就可以定义为这样的一个 infix 函数：

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infix fun Column<*>.ilike(argument: String): ILikeExpression {
    return ILikeExpression(asExpression(), ArgumentExpression(argument, VarcharSqlType)
}

有了这个 ilike 函数，接下来就只需要在 SqlFormatter 中把这个 ILikeExpression 翻译为合适的 SQL 就可以了，Ktorm 给我们提供了足够的灵活性，具体可以参考自定义运算符相关的文档。

Sequence API 像集合一样操作数据库

除了 SQL DSL 以外，Ktorm 还提供了一套名为“实体序列”的 API，用来从数据库中获取实体对象。正如其名字所示，它的风格和使用方式与 Kotlin 标准库中的序列 API 及其类似，它提供了许多同名的扩展函数，比如 filter、map、reduce 等。

要使用实体序列 API，我们首先要定义实体类，并把表对象与实体类进行绑定：

interface Employee : Entity<Employee> {
    val id: Int?
    var name: String
    var job: String
    var manager: Employee?
    var hireDate: LocalDate
    var salary: Long
    var department: Department
}

object Employees : Table<Employee>("t_employee") {
    val id = int("id").primaryKey().bindTo { it.id }
    val name = varchar("name").bindTo { it.name }
    val job = varchar("job").bindTo { it.job }
    val managerId = int("manager_id").bindTo { it.manager.id }
    val hireDate = date("hire_date").bindTo { it.hireDate }
    val salary = long("salary").bindTo { it.salary }
    val departmentId = int("department_id").references(Departments) { it.department }
}

val Database.employees get() = this.sequenceOf(Employees)

完成 ORM 绑定后，我们就可以使用实体序列的各种方便的扩展函数。比如获取部门 1 中工资超过一千的所有员工对象：

val employees = database.employees
    .filter { it.departmentId eq 1 }
    .filter { it.salary gt 1000 }
    .toList()

可以看到，实体序列的用法几乎与 kotlin.sequences.Sequence 完全一样，不同的仅仅是在 lambda 表达式中的等号 == 和大于号 > 被这里的 eq 和 gt 函数代替了而已。

我们还能使用 mapColumns 函数筛选需要的列，而不必把所有的列都查询出来，以及使用 sortedBy 函数把记录按指定的列进行排序。下面的代码获取部门 1 中工资超过一千的所有员工的名字，并按其工资的高低从大到小排序：

val names = database.employees
    .filter { it.departmentId eq 1 }
    .filter { it.salary gt 1000L }
    .sortedBy { it.salary }
    .mapColumns { it.name }

生成的 SQL 正如我们所料：

select t_employee.name 
from t_employee 
left join t_department _ref0 on t_employee.department_id = _ref0.id 
where (t_employee.department_id = ?) and (t_employee.salary > ?) 
order by t_employee.salary

不仅如此，我们还能使用聚合功能，获取每个部门的平均工资：

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val averageSalaries = database.employees
    .groupingBy { it.departmentId }
    .eachAverageBy { it.salary }

生成 SQL：

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select t_employee.department_id, avg(t_employee.salary) 
from t_employee 
group by t_employee.department_id

使用 Ktorm 的实体序列 API，可以让我们的数据库操作看起来就像在使用 Kotlin 中的集合一样。值得注意的是，实体序列 API 并没有真正实现 Kotlin 中的 Sequence 接口，Ktorm 只不过是设计了一套与其命名相似函数，以降低用户学习的成本，同时提供与 Kotlin 集合操作体验一致的编码风格。

小结

在本文中，我们结合 Kotlin 的一些语法特性，探索了 Ktorm 框架中的许多设计细节。我们学习了如何使用扩展函数为 Ktorm 增加更多数据类型的支持、如何使用强类型的 DSL 编写 SQL、如何使用运算符重载和 infix 关键字为 Ktorm 扩展更多的运算符、以及如何使用实体序列 API 像集合一样操作数据库等。通过对这些细节的探讨，我们看到了 Ktorm 是如何充分利用 Kotlin 的优秀语法特性，帮助我们写出更优雅的、更具 Kotlin 风味的数据库操作代码。

Enjoy Ktorm, enjoy Kotlin!