類型系統
维基百科，自由的百科全书
在電腦科學中，類型系統定義為如何將程式語言中的數值和表達式分類到類型、如何操作那些類型，以及如何互相作用。類型是指一組變數，其具有普遍意義上的相同排序，或具有特定的目的（雖然某些類型，如抽象類型和函式類型，在運作時的程式中，可能不表示為值）。類型系統在各種語言之間有非常大的不同，也許，最主要的差異存在於編譯時期的語法，以及執行時期的運作實踐。
編譯器可能使用值的靜態類型以最佳化所需的儲存區，並選取對值運算時的較佳演算法。例如，在許多C編譯器中，「浮點數」資料類型是以 32 位元表示，與IEEE規格一致的單精度浮點數。因此，在數值運算上，C 應用了浮點數規範（浮點數加法、乘法等等）。
類型的約束程度以及評估方法，影響了語言的類型。更進一步，程式語言可能就類型多態性部分，對每一個類型都對應了一個極度個別的演算法的運算。類型理論研究類型系統，儘管實際的程式語言類型系統，起源於電腦架構的實際問題、編譯器實作，以及語言設計。
目录 |
[编辑] 基礎
指派資料類型（typing）賦予一組位元某個意義。類型通常和記憶體中的數值或物件（如變數）相聯繫。因為在電腦中，任何數值都是以一組位元簡單組成的，硬體無法區分記憶體位址、指令碼、字元、整數、以及浮點數。類型可以告知程式和程式設計者，應該怎麼對待那些位元。
類型系統提供的主要功能有︰
- 安全性
- 使用類型可允許編譯器偵測無意義的，或者是可能無效的代碼。例如，可以識出一個無效的表達式
"Hello, World" + 3，因為不能對（在平常的直覺中）逐字字串加上一個整數。強類型提供更多的安全性，但它並不能保證絕對安全（詳情請見類型安全）。
- 最佳化
- 靜態類型檢查可提供有用的資訊給編譯器。例如，如果一個類型指明某個值必須以 4 的倍數對齊，編譯器就有可以使用更有效率的機器指令。
- 可讀性
- 在更具表現力的類型系統中，若其可以闡明程式設計者的意圖的話，類型就可以充當為一種文件形式。例如，時間戳記可以是整數的子類型；但如果程式設計者宣告一個函式為返回一個時間戳記，而不只是一個整數，這個函式就能表現出一部分文件的闡釋性。
- 抽象化（或模組化）
- 類型允許程式設計者對程式以較高層次的方式思考，而不是煩人的低層次實作。例如，程式設計者可以將字串想成一個值，以此取代僅僅是位元組的陣列。或者類型允許程式設計者表達兩個子系統之間的界面。將子系統間互動時的必要定義加以定位，防止子系統間的通訊發生衝突。
程式通常對每一個值關聯一個特定的類型（儘管一個類型可以有一個以上的子類型）。其它的實體，如物件、模組、通訊頻道、依賴關係，或者純粹的類型自己，可以和一個類型關聯。例如︰
- 一個數值的類型
- 一個物件的類型
- 種類
- 一個類型的類型
在每一個程式語言中，都有一個特定的類型系統，保證程式的表現良好，並且排除違規的行為。作用系統對類型系統提供更多細微的控制。
[编辑] 類型檢查
類型檢查所進行的檢驗處理以及實行類型的約束，可發生在編譯時期（靜態檢查）或執行時期（動態檢查）。靜態類型檢查是在編譯器所進行語義分析中進行的。如果一個語言強制實行類型規則（即通常只允許以不遺失資訊為前題的自動類型轉換）就稱此處理為強類型，反之稱為弱類型。
[编辑] 靜態和動態檢查
如果一個程式語言的類型檢查，可在不測試執行時期表達式的等價性的情況下進行，該語言即為靜態類型。一個靜態類型的程式語言，是在執行時期和編譯時期之間的處理階段下重視這些區別的。如果程式的獨立模組，可進行各自的類型檢查(獨立編譯)，而無須所有會在執行時出現的模組的那些資訊，該語言即具有一個編譯時期階段。如果一個程式語言支援執行時期（動態）調度已標記的資料，該語言即為動態類型。如果一個程式語言破壞了階段的區別，因而類型檢查需要測試執行時期的表達式的等價性，該語言即為依賴類型。[1]
在動態類型中，經常在執行時期進行類型標記的檢查，因為變數所約束的值，可經由執行路徑獲得不同的標記。在靜態類型程式語言中，類型標記使用辨識聯合類型表示。
動態類型經常出現於腳本語言和RAD語言中。動態類型在解譯語言中極為普遍，編譯語言則偏好無須執行時期標記的靜態類型。對於類型和隱式類型語言較完整的列表參見類型和隱式類型語言。
術語推斷類型（duck typing）指的是動態類型在語言中的應用方式，它會「推斷」一個數值的類型。
看看類型標記檢查是如何運作的，考慮下列假碼範例︰
var x; // (1) x := 5; // (2) x := "hi"; // (3)
在這個範例中，(1) 宣告 x；(2) 將整數值 5 代給 x；(3) 將字串值 "hi" 代給 x。在主要的靜態系統中，這個代碼片斷將會違反規則，因為 (2) 和 (3) 對 x 所約束的類型相矛盾。
相較之下，一個純粹的動態類型系統允許上述程式的執行，因為類型標記附到數值上（不是變數）。在處理錯誤語句或表達式的時候，以動態類型實作的語言會捕捉程式的錯誤，而不是誤用錯誤類型的數值。換句話說，動態類型捕捉在程式執行時的錯誤。
典型的動態類型實作，會以類型標記維持程式所有數值的「標記」，並在運算任何數值之前檢查標記。例如︰
var x := 5; // (1) var y := "hi"; // (2) var z := x + y; // (3)
在這個程式片斷中，(1) 將數值 5 約束給 x；(2) 將數值 "hi" 約束給 y；以及 (3) 嚐試將 x 加到 y。在動態類型語言中，約束給 x 的值會是一對 (整數, 5)，且約束給 y 的值會是一對 (字串, "hi")。當這個程式嚐試執行第 3 行時，語言對類型標記整數和字串進行檢查，如果這兩個類型的 +（加法）運算尚未定義，就會發出一個錯誤。
某些靜態語言有一個「後門」，在這些程式語言中，能夠編寫一些不被靜態類型所檢查的代碼。例如，Java 和 C-風格的語言有「轉型」可用。在靜態類型的程式語言中，不必然意味著缺乏動態類型機制。例如 Java 使用靜態類型，但某些運算需要支援執行時期的類型測試，這就是動態類型的一種形式。更多靜態和動態類型的討論，請參閱程式語言。
[编辑] 實踐中的靜態和動態類型檢查
對靜態類型和動態類型兩者之間的權衡也是必要的。
靜態類型在編譯時期時，就能可靠地發現類型錯誤。因此通常能增進最終程式的可靠性。然而，有多少的類型錯誤發生，以及有多少比例的錯誤能被靜態類型所捕捉，目前對此仍有爭論。靜態類型的擁護者認為，當程式通過類型檢查時，它才有更高的可靠性。雖然動態類型的擁護者指出，實際流通的軟體證明，兩者在可靠性上並沒有多大差別。可以認為靜態類型的價值，在於增進類型系統的強化。強類型語言（如 ML 和 Haskell）的擁護者提出，幾乎所有的臭蟲都可以看作是類型錯誤，如果編寫者以足夠恰當的方式，或者由編譯器推斷來宣告一個類型。[2]
靜態類型通常可以編譯出速度較快的代碼。當編譯器清楚知道所要使用的資料類型，就可以產生最佳化過後的機器碼。更進一步，靜態類型語言中的編譯器，可以更輕易地發現較佳捷徑。某些動態語言（如 Common Lisp）允許任意類型的宣告，以便於最佳化。以上理由使靜態類型更為普及。參閱最佳化。
相較之下，動態類型允許編譯器和解譯器更快速的運作。因為原始碼在動態類型語言中，變更為減少進行檢查，並減少解析代碼。這也可減少編輯－編譯－測試－除錯的週期。
靜態類型語言缺少類型推斷（如 Java），而需要編寫者宣告所要使用的方法或函式的類型。編譯器將不允許編寫者忽略，這可為程式起附加性說明文件的作用。但靜態類型語言也可以無須類型宣告，所以與其說是靜態類型的代價，倒不如說是類型宣告的報酬。
靜態類型允許建構函式庫，它們的使用者不太可能意外的誤用。這可作為傳達函式庫開發者意圖的額外機制。
動態類型允許建構一些靜態類型系統所做不出來的東西。例如，eval 函式，它使得執行任意資料作為代碼成為可能（不過其代碼的類型仍是靜態的）。此外，動態類型容納過渡代碼和原型設計，如允許使用字串代替資料結構。靜態類型語言最近的增強（如 Haskell 一般化代數資料類型）允許 eval 函式以類型安全的方式撰寫。
動態類型使元程式設計更為強大，且更易於使用。例如 C++ 模板的寫法，比起等價的 Ruby 或 Python 寫法要來的麻煩。更高度的執行時期構成物，如元類別(metaclass)和內觀(Introspection)，對靜態類型語言而言通常更為困難。
[编辑] 強類型和弱類型
強類型的基本定義即為，禁止錯誤類型的參數繼續運算。C語言的類型轉換即為缺乏強類型的證例；如果編寫者用 C 語言對一個值轉換類型，不僅令編譯器允許這個代碼，而且在執行時期中也同樣允許。這使得 C 代碼可更為緊密和快速，不過也使除錯變的更為困難。
部分學者使用術語記憶體安全語言（或簡稱為安全語言）形容禁止未定義運算發生的語言。例如，某個記憶體安全語言將會檢查陣列邊界。
弱類型意指一個語言可以隱式的轉換類型（或直接轉型）。看看先前的例子︰
var x := 5; var y := "37"; x + y;
在弱類型語言中編寫上述代碼，並不清楚將會得到哪一種結果。某些語言如 Visual Basic，將會產生可以運作的代碼，它將會給出的結果是 42︰系統將字串 "37" 轉換成數字 37，以符合運算上的直覺；其它的語言，像 JavaScript 將會產生的結果是 "537"︰系統將數字 5 轉換成字串 "5" 並把兩者串接起來。在 Visual Basic 和 JavaScript 中，最終的類型是以那兩個運算元為考量的規則所決定。在部分語言中，如 AppleScript，某個值最終的類型，只以最左邊的運算元的類型所決定。
設計精巧的語言也允許語言顯現出弱類型（籍由類型推斷之類的技術）的特性以方便使用，並且保留了強類型語言所提供的類型檢查和保護。例子包括 VB.Net、C# 以及 Java。
運算子重載所帶來的簡化，像是不以算術運算中的加法來使用「+」，可以減少一些由動態類型所造成的混亂。部分語言使用「.」或「&」來串連字串，例如。
[编辑] 類型系統的安全性
程式語言的類型系統的第三種分類方法，就是類型運算和轉換的安全性。如果它不允許導致不正確的情況的運算或轉換，電腦科學就認為該語言是「類型安全」的。
再次看看這個假碼例子︰
var x := 5; var y := "37"; var z := x + y;
在一個如 Visual Basic 的語言中，例子中的變數 z 得到的值為 42。不管編寫者有沒有這個意圖，該語言定義了明確的結果，且程式不會就此崩潰，或將不明定義的值賦給 z。就這方面而言，這樣的語言就是類型安全的。
現在來看 C 的相同例子︰
int x = 5; char y[] = "37"; char* z = x + y;
在這個例子中，z 將會指向一個超過 y 位址 5 個位元組的記憶體位址，相當於指向 y 字串的指標之後的兩個空字元之處。這個位址的內容尚未定義，且有可能超出記憶體的定址界線，而且就這麼引用參考 z 會引起程式的終止。雖是一個良好類型，但卻不是記憶體安全的程式－－如果以對類型安全語言而言不該發生為先決條件的話。
[编辑] 多態性和類型
術語「多態性」指的是︰代碼（尤其是函式和類別）對各種類型的值能夠動作，或是相同資料結構的不同實體能夠控制不同類型的元素。為了提升複用代碼的潛在價值，類型系統逐漸允許多態性︰在具有多態性的語言中，程式設計者只需要實作如列表或詞典的資料結構一次，而不是對使用到它的元素的每一個類型都規劃一次。基於這個原因，電腦學家也稱使用了一定的多態性的方法為泛型程式設計。類型理論的多態性基礎與抽象化、模組化和（偶爾）子類型有相當密切的聯繫關係。
[编辑] 推斷類型
推斷類型（Duck typing）最初是由 Dave Thomas 在 Ruby 社群中提出的，推斷類型用了這個論證法「如果它像什麼，而且其它地方也像什麼，那麼它就是什麼。」
在某些程式設計環境中，兩個物件可以有相同的類型，即使它們沒有什麼交集。一個例子是 C++ 在迭代器和指標之間的雙重性。兩者皆以不甚相同的機制實作並提供一個 * 運算。
這個技術之所以常被稱作「鴨子類型」，是基於這句格言︰「如果它搖搖擺擺的走法很像鴨子，而且它的嘎嘎叫聲也像鴨子，那它就是一隻鴨子！」
- "If it waddles like a duck, and quacks like a duck, it's a duck!"
[编辑] 顯示宣告和隱式暗示
許多靜態類型系統，如 C 和 Java，要求要宣告類型︰編寫者必須以指定類型明確地關聯到每一個變數上。其它的，如 Haskell，則進行類型推斷︰編譯器根據編寫者如何運用這些變數，以草擬出關於這個變數的類型的結論。例如，給定一個函式 f(x,y)，它將 x 和 y 加起來，編譯器可以推斷出 x 和 y 必須是數字－－因為加法僅定義給數字。因此，任何在其它地方以非數值類型（如字串或鏈表）作為參數來呼叫 f 的話，將會發出一個錯誤。
在代碼中數值、字串常數以及表達式，經常可以在詳細的前後文中暗示類型。例如，一個表達式 3.14 可暗示浮點數類型；而 [1, 2, 3] 則可暗示一個整數的鏈表；通常是一個陣列。
[编辑] 類型的類型
類型的類型是一種種類。在類型程式設計中有明確的種類，如 Haskell 程式語言的類型建構子，在申請比較簡單的類型之後，其返回一個簡單的類型。例如，類型建構子 二選一 有這些種類 * -> * -> *（* 代表種類），而且它的申請 二選一 字串 整數 是一個簡單的類型。然而，大多數程式語言的類型，是由編寫者來暗示或寫死，這就並未將種類的概念用作為首選層。
類型可分為幾個大類︰
- 全部是數字的類型，例如︰整數和自然數
- 以浮點數表示數字的類型
- 子類型
- 衍生類型
- 物件類型
- 例如︰變數類型
- 例如︰二進制函式
- 全稱量化類型
- 如參數類型
- 存在量化類型
- 如模組
- 精煉類型
- 識別其它類型的子集的類型
- 依賴類型
- 取決於執行時期的數值的類型
- 所有權類型
- 描述或約束物件導向系統結構的類型
[编辑] 相容性︰等價性和子類型
對於靜態類型語言的類型檢查器，必須檢驗所有表達式的類型，是否與前後文所期望的類型一致。例如賦值語句 x := e，推斷表達式 e 的類型，必定與宣告或推斷的變數類型 x 一致。這個一致性的概念，就稱為相容性，是每一個程式語言所特有的。
很明顯，如果 e 和 x 的類型相同，就允許賦值，然後這是一個有效的表達式。因此在最簡單的類型系統中，問題從兩個類型是否相容，簡化為兩個類型是否相等（或等價）。然而不同的語言對於兩個類型表達式是否理解為表示了相同類型，有著不同的標準。類型的相等理論的差異相當巨大，兩個極端的例子是結構類型系統（Structural type system），任兩個以相同結構所描述的值的類型都是等價的，且在標明類型系統（Nominative type system）上，沒有兩個獨特的語法構成的類型表達式表示同一類型，（即類型若要相等，就必須具有相同的「名字」）。
在子類型的語言中，相容關係更加複雜。特別是如果 A 是 B 的子類型，那麼類型 A 的值可用於類型 B 也屬意料之中，但反過來就不是這樣。如同等價性，對每一個程式語言而言，子類型的關係的定義是不同的，可能存在各種變化。在語言中出現的參數或者特定的多態性，也可能意味著具有對類型的相容性。
[编辑] 爭議
在強類型、靜態類型語言的支持者，和動態類型、自由形式的支持者之間，經常發生爭執。前者主張，在編譯的時候就可以較早發現錯誤，而且還可增進執行時期的效能。後者主張，使用更加動態的類型系統，分析程式碼更為簡單，減少出錯機會，才能更加輕鬆快速的編寫程式。[3]與此相關的是，考慮到在類型推斷的程式語言中，通常不需要手動宣告類型，這部分的額外開銷也就自動降低了。
[编辑] 參考資料
- ↑ Harper, Robert & Benjamin C. Pierce (2005), "Design Considerations for ML-Style Module Systems", in Pierce, Benjamin C., Advanced Topics in Types and Programming Languages, Cambridge, MA: MIT Press, ISBN 0262162288
- ↑ http://citeseer.ist.psu.edu/xi98dependent.html
- ↑ Meijer, Erik and Peter Drayton - Static Typing Where Possible, Dynamic Typing When Needed: The End of the Cold War Between Programming Languages Microsoft Corporation
[编辑] 參閱
