类型和多态基础

由 Shaodengdeng 创建， 最后一次修改 2016-08-12 类型和多态基础什么是静态类型？按 Pierce 的话讲：“类型系统是一个语法方法，它们根据程序计算的值的种类对程序短语进行分类，通过分类结果错误行为进行自动检查。”类型允许你表示函数的定义域和值域。例如，从数学角度看这个定义：f: R -> N它告诉我们函数“f”是从实数集到自然数集的映射。抽象地说，这就是具体类型的准确定义。类型系统给我们提供了一些更强大的方式来表达这些集合。鉴于这些注释，编译器可以静态地 （在编译时）验证程序是合理的。也就是说，如果值（在运行时）不符合程序规定的约束，编译将失败。一般说来，类型检查只能保证不合理的程序不能编译通过。它不能保证每一个合理的程序都可以编译通过。随着类型系统表达能力的提高，我们可以生产更可靠的代码，因为它能够在我们运行程序之前验证程序的不变性（当然是发现类型本身的模型 bug！）。学术界一直很努力地提高类型系统的表现力，包括值依赖（value-dependent）类型！需要注意的是，所有的类型信息会在编译时被删去，因为它已不再需要。这就是所谓的擦除。Scala 中的类型Scala 强大的类型系统拥有非常丰富的表现力。其主要特性有：参数化多态性 粗略地说，就是泛型编程（局部）类型推断 粗略地说，就是为什么你不需要这样写代码 val i: Int = 12: Int存在量化 粗略地说，为一些没有名称的类型进行定义视窗 我们将下周学习这些；粗略地说，就是将一种类型的值“强制转换”为另一种类型参数化多态性多态性是在不影响静态类型丰富性的前提下，用来（给不同类型的值）编写通用代码的。例如，如果没有参数化多态性，一个通用的列表数据结构总是看起来像这样（事实上，它看起来很像使用泛型前的Java）：scala> 2 :: 1 :: "bar" :: "foo" :: Nilres5: List[Any] = List(2, 1, bar, foo)现在我们无法恢复其中成员的任何类型信息。scala> res5.headres6: Any = 2所以我们的应用程序将会退化为一系列类型转换（“asInstanceOf[]”），并且会缺乏类型安全的保障（因为这些都是动态的）。多态性是通过指定 类型变量 实现的。scala> def drop1[A](l: List[A]) = l.taildrop1: [A](l: List[A])List[A]scala> drop1(List(1,2,3))res1: List[Int] = List(2, 3)Scala 有秩 1 多态性粗略地说，这意味着在 Scala 中，有一些你想表达的类型概念“过于泛化”以至于编译器无法理解。假设你有一个函数def toList[A](a: A) = List(a)你希望继续泛型地使用它：def foo[A, B](f: A => List[A], b: B) = f(b)这段代码不能编译，因为所有的类型变量只有在调用上下文中才被固定。即使你“钉住”了类型 B：def foo[A](f: A => List[A], i: Int) = f(i)…你也会得到一个类型不匹配的错误。类型推断静态类型的一个传统反对意见是，它有大量的语法开销。Scala 通过 类型推断 来缓解这个问题。在函数式编程语言中，类型推断的经典方法是 Hindley Milner 算法，它最早是实现在 ML 中的。Scala 类型推断系统的实现稍有不同，但本质类似：推断约束，并试图统一类型。例如，在 Scala 中你无法这样做：scala> { x => x }<console>:7: error: missing parameter type { x => x }而在 OCaml 中你可以：# fun x -> x;;- : 'a -> 'a = <fun>在 Scala 中所有类型推断是 局部的 。Scala 一次分析一个表达式。例如：scala> def id[T](x: T) = xid: [T](x: T)Tscala> val x = id(322)x: Int = 322scala> val x = id("hey")x: java.lang.String = heyscala> val x = id(Array(1,2,3,4))x: Array[Int] = Array(1, 2, 3, 4)类型信息都保存完好，Scala 编译器为我们进行了类型推断。请注意我们并不需要明确指定返回类型。变性 VarianceScala 的类型系统必须同时解释类层次和多态性。类层次结构可以表达子类关系。在混合 OO 和多态性时，一个核心问题是：如果 T’ 是 T 一个子类，Container[T’]应该被看做是 Container[T] 的子类吗？变性（Variance）注解允许你表达类层次结构和多态类型之间的关系：名称含义Scala 标记协变covariantC[T’]是 C[T] 的子类[+T]逆变contravariantC[T] 是 C[T’]的子类[-T]不变invariantC[T] 和 C[T’]无关[T]子类型关系的真正含义：对一个给定的类型T，如果T’是其子类型，你能替换它吗？scala> class Covariant[+A]defined class Covariantscala> val cv: Covariant[AnyRef] = new Covariant[String]cv: Covariant[AnyRef] = Covariant@4035acf6scala> val cv: Covariant[String] = new Covariant[AnyRef]<console>:6: error: type mismatch; found : Covariant[AnyRef] required: Covariant[String] val cv: Covariant[String] = new Covariant[AnyRef] ^scala> class Contravariant[-A]defined class Contravariantscala> val cv: Contravariant[String] = new Contravariant[AnyRef]cv: Contravariant[AnyRef] = Contravariant@49fa7bascala> val fail: Contravariant[AnyRef] = new Contravariant[String]<console>:6: error: type mismatch; found : Contravariant[String] required: Contravariant[AnyRef] val fail: Contravariant[AnyRef] = new Contravariant[String] ^逆变似乎很奇怪。什么时候才会用到它呢？令人惊讶的是，函数特质的定义就使用了它！trait Function1 [-T1, +R] extends AnyRef如果你仔细从替换的角度思考一下，会发现它是非常合理的。让我们先定义一个简单的类层次结构：scala> class Animal { val sound = "rustle" }defined class Animalscala> class Bird extends Animal { override val sound = "call" }defined class Birdscala> class Chicken extends Bird { override val sound = "cluck" }defined class Chicken假设你需要一个以 Bird 为参数的函数：scala> val getTweet: (Bird => String) = // TODO标准动物库有一个函数满足了你的需求，但它的参数是 Animal。在大多数情况下，如果你说“我需要一个___，我有一个___的子类”是可以的。但是，在函数参数这里是逆变的。如果你需要一个接受参数类型 Bird 的函数变量，但却将这个变量指向了接受参数类