類型系統

title: 基础.
content: 定型("typing",又称型别指派)赋予一组位元某个意义。型别通常和内存中的数值或物件(如变量)相联系。因为在电脑中,任何数值都是以一组位元简单组成的,硬件无法区分内存位址、指令码、字符、整数、以及浮点数。型别可以告知程序和程序设计者,应该怎么对待那些位元。  型别系统提供的主要功能有:  程序通常对每一个值关联一个特定的型别(尽管一个型别可以有一个以上的子型别)。其它的实体,如物件、模组、通讯频道、依赖关系,或者纯粹的型别自己,可以和一个型别关联。例如:  在每一个程序语言中,都有一个特定的型别系统,保证程序的表现良好,并且排除违规的行为。作用系统对型别系统提供更多细微的控制。
title: 类型.
content: formula_1:断言变量e的类型是int。
title: 型别检查.
content: 型别检查所进行的检验处理以及实行型别的约束,可发生在编译时期(静态检查)或执行时期(动态检查)。静态型别检查是在编译器所进行语义分析中进行的。如果一个语言强制实行型别规则(即通常只允许以不遗失资讯为前提的自动型别转换)就称此处理为强型别,反之称为弱型别。
title: 静态和动态检查.
content: 如果一个程序语言的型别检查,可在不测试执行时期运算式的等价性的情况下进行,该语言即为静态型别的。一个静态型别的程序语言,是在执行时期和编译时期之间的处理阶段下重视这些区别的。如果程序的独立模组,可进行各自的型别检查(独立编译),而无须所有会在执行时出现的模组的那些资讯,该语言即具有一个编译时期阶段。如果一个程序语言支援执行时期(动态)调度已标记的资料,该语言即为动态型别的。如果一个程序语言破坏了阶段的区别,因而型别检查需要测试执行时期的运算式的等价性,该语言即为依存型别的。  在动态型别中,经常在执行时期进行型别标记的检查,因为变量所约束的值,可经由执行路径获得不同的标记。在静态型别程序语言中,型别标记使用辨识联合型别表示。  动态型别经常出现于脚本语言和RAD语言中。动态型别在解释型语言中极为普遍,编译语言则偏好无须执行时期标记的静态型别。对于型别和隐式型别语言较完整的列表参见型别和隐式型别语言。  术语推断型别(鸭子类型,duck typing)指的是动态型别在语言中的应用方式,它会「推断」一个数值的型别。  看看型别标记检查是如何运作的,考虑下列假码范例:  在这个范例中,(1)宣告x;(2)将整数值5代给x;(3)将字串值"hi"代给x。在主要的静态系统中,这个代码片断将会违反规则,因为(2)和(3)对 x所约束的型别相矛盾。  相较之下,一个纯粹的动态型别系统允许上述程序的执行,因为型别标记附到"数值"上(不是"变量")。在处理错误语句或运算式的时候,以动态型别实作的语言会捕捉程序的错误,而不是误用错误型别的数值。换句话说,动态型别捕捉在程序执行时的错误。  典型的动态型别实作,会以型别标记维持程序所有数值的「标记」,并在运算任何数值之前检查标记。例如:  在这个程序片断中,(1)将数值5约束给x;(2)将数值"hi"约束给y;以及(3)尝试将x加到y。在动态型别语言中,约束给x的值会是一对(整数, 5),且约束给y的值会是一对(字串, "hi")。当这个程序尝试执行第3行时,语言对型别标记整数和字串进行检查,如果这两个型别的+(加法)运算尚未定义,就会发出一个错误。  某些静态语言有一个「后门」,在这些程序语言中,能够编写一些不被静态型别所检查的代码。例如,Java和C-风格的语言有「转型」可用。在静态型别的程序语言中,不必然意味着缺乏动态型别机制。例如Java使用静态型别,但某些运算需要支援执行时期的型别测试,这就是动态型别的一种形式。更多静态和动态型别的讨论,请参阅程序语言。
title: 实践中的静态和动态型别检查.
content: 对静态型别和动态型别两者之间的权衡也是必要的。  静态型别在编译时期时,就能可靠地发现型别错误。因此通常能增进最终程序的可靠性。然而,有多少的型别错误发生,以及有多少比例的错误能被静态型别所捕捉,目前对此仍有争论。静态型别的拥护者认为,当程序通过型别检查时,它才有更高的可靠性。虽然动态型别的拥护者指出,实际流通的软件证明,两者在可靠性上并没有多大差别。可以认为静态型别的价值,在于增进型别系统的强化。强型别语言(如ML和Haskell)的拥护者提出,几乎所有的bug都可以看作是型别错误,如果编写者以足够恰当的方式,或者由编译器推断来宣告一个型别。  静态型别通常可以编译出速度较快的代码。当编译器清楚知道所要使用的资料型别,就可以产生最佳化过后的机器码。更进一步,静态型别语言中的编译器,可以更轻易地发现较佳捷径。某些动态语言(如Common Lisp)允许任意型别的宣告,以便于最佳化。以上理由使静态型别更为普及。参阅最佳化。  相较之下,动态型别允许编译器和解译器更快速的运作。因为源代码在动态型别语言中,变更为减少进行检查,并减少解析代码。这也可减少编辑-编译-测试-除错的周期。  静态型别语言缺少型别推断(如Java),而需要编写者宣告所要使用的方法或函式的型别。编译器将不允许编写者忽略,这可为程序起附加性说明文件的作用。但静态型别语言也可以无须型别宣告,所以与其说是静态型别的代价,倒不如说是型别宣告的报酬。  静态型别允许建构函式库,它们的使用者不太可能意外的误用。这可作为传达函式库开发者意图的额外机制。  动态型别允许建构一些静态型别系统所做不出来的东西。例如,"eval"函式,它使得执行任意资料作为代码成为可能(不过其代码的型别仍是静态的)。此外,动态型别容纳过渡代码和原型设计,如允许使用字串代替资料结构。静态型别语言最近的增强(如Haskell 一般化代数资料型别)允许eval函式以型别安全的方式撰写。  动态型别使元程序设计更为强大,且更易于使用。例如C++模板的写法,比起等价的Ruby或Python写法要来的麻烦。更高度的执行时期构成物,如元类别(metaclass)和内观(Introspection),对静态型别语言而言通常更为困难。
title: 强型别和弱型别.
content: 强型别的基本定义即为,禁止错误型别的参数继续运算。C语言的型别转换即为缺乏强型别的证例;如果编写者用C语言对一个值转换型别,不仅令编译器允许这个代码,而且在执行时期中也同样允许。这使得C代码可更为紧密和快速,不过也使除错变的更为困难。  部分学者使用术语内存安全语言(或简称为安全语言)形容禁止未定义运算发生的语言。例如,某个内存安全语言将会检查阵列边界。  弱型别意指一个语言可以隐式的转换型别(或直接转型)。看看先前的例子:  在弱型别语言中编写上述代码,并不清楚将会得到哪一种结果。某些语言如Visual Basic,将会产生可以运作的代码,它将会给出的结果是42:系统将字串"37"转换成数字37,以符合运算上的直觉;其它的语言,像JavaScript将会产生的结果是"537":系统将数字5转换成字串"5"并把两者串接起来。在Visual Basic和JavaScript中,最终的型别是以那两个算子为考量的规则所决定。在部分语言中,如AppleScript,某个值最终的型别,只以最左边的算子的型别所决定。  设计精巧的语言也允许语言显现出弱型别(借由类型推断之类的技术)的特性以方便使用,并且保留了强型别语言所提供的型别检查和保护。例子包括VB.Net、C#以及Java。  运算子多载所带来的简化,像是不以算术运算中的加法来使用「+」,可以减少一些由动态型别所造成的混乱。例如,部分语言使用「.」或「&」来串连字串。
title: 型别系统的安全性.
content: 程序语言的型别系统的第三种分类方法,就是型别运算和转换的安全性。如果它不允许导致不正确的情况的运算或转换,电脑科学就认为该语言是「型别安全」的。  再次看看这个假码例子:  在一个如Visual Basic的语言中,例子中的变量z得到的值为42。不管编写者有没有这个意图,该语言定义了明确的结果,且程序不会就此崩溃,或将不明定义的值赋给z。就这方面而言,这样的语言就是型别安全的。  现在来看C的相同例子:  在这个例子中,z将会指向一个超过y位址5个字节的内存位址,相当于指向y字串的指标之后的两个空字符之处。这个位址的内容尚未定义,且有可能超出内存的寻址界线,而且就这么引用参考z会引起程序的终止。虽是一个良好型别,但却不是内存安全的程序——如果以对型别安全语言而言不该发生为先决条件的话。
title: 多态性和型别.
content: 术语「多态性」指的是:代码(尤其是函式和类别)对各种型别的值能够动作,或是相同资料结构的不同实体能够控制不同型别的元素。为了提升复用代码的潜在价值,型别系统逐渐允许多态性:在具有多态性的语言中,程序设计者只需要实作如列表或词典的资料结构一次,而不是对使用到它的元素的每一个型别都规划一次。基于这个原因,电脑学家也称使用了一定的多态性的方法为泛型程序设计。型别理论的多态性基础与抽象化、模组化和(偶尔)子型别有相当密切的联系关系。
title: 推断型别.
content: 推断型别(鸭子类型,Duck typing)最初是由Dave Thomas在Ruby社群中提出的,推断型别用了这个论证法「如果它像什么,而且其它地方也像什么,那么它就是什么。」  在某些程序设计环境中,两个物件可以有相同的型别,即使它们没有什么交集。一个例子是C++在迭代器和指标之间的双重性。两者皆以不甚相同的机制实作并提供一个* 运算。  这个技术之所以常被称作「鸭子型别」,是基于这句格言:「如果它摇摇摆摆的走法很像鸭子,而且它的嘎嘎叫声也像鸭子,那它就是一只鸭子!」
title: 显示宣告和隐式暗示.
content: 许多静态型别系统,如C和Java,要求要宣告型别:编写者必须以指定型别明确地关联到每一个变量上。其它的,如Haskell,则进行型别推断:编译器根据编写者如何运用这些变量,以草拟出关于这个变量的型别的结论。例如,给定一个函式"f(x,y)",它将"x"和"y"加起来,编译器可以推断出"x"和"y"必须是数字——因为加法仅定义给数字。因此,任何在其它地方以非数值型别(如字串或链表)作为参数来呼叫"f"的话,将会发出一个错误。  在代码中数值、字串常数以及运算式,经常可以在详细的前后文中暗示型别。例如,一个运算式codice_2可暗示浮点数型别;而codice_3则可暗示一个整数的链表;通常是一个阵列。
title: 型别的型别.
content: "型别的型别"是一种种类。在型别程序设计中有明确的种类,如Haskell程序语言的"型别建构子",在申请比较简单的型别之后,其返回一个简单的型别。例如,型别建构子"二选一"有这些种类"* -> * -> *"("*"代表种类),而且它的申请"二选一字串整数"是一个简单的型别。然而,大多数程序语言的型别,是由编写者来暗示或"写死",这就并未将"种类"的概念用作为首选层。  型别可分为几个大类:
title: 相容性:等价性和子型别.
content: 对于静态型别语言的型别检查器,必须检验所有运算式的型别,是否与前后文所期望的型别一致。例如指派语句codice_4,推断运算式"e"的型别,必定与宣告或推断的变量型别codice_5一致。这个一致性的概念,就称为"相容性",是每一个程序语言所特有的。  很明显,如果"e"和codice_5的型别相同,就允许指派,然后这是一个有效的运算式。因此在最简单的型别系统中,问题从两个型别是否相容,简化为两个型别是否"相等"(或"等价")。然而不同的语言对于两个型别运算式是否理解为表示了相同型别,有着不同的标准。型别的"相等理论"的差异相当巨大,两个极端的例子是"结构型别系统"(Structural type system),任两个以相同结构所描述的值的型别都是等价的,且在"标明型别系统"(Nominative type system)上,没有两个独特的语法构成的型别运算式表示同一型别,("即"型别若要相等,就必须具有相同的「名字」)。  在子型别的语言中,相容关系更加复杂。特别是如果"A"是"B"的子型别,那么型别"A"的值可用于型别"B"也属意料之中,但反过来就不是这样。如同等价性,对每一个程序语言而言,子型别的关系的定义是不同的,可能存在各种变化。在语言中出现的参数或者特定的多态性,也可能意味着具有对型别的相容性。
title: 争议.
content: 在强型别、静态型别语言的支持者,和动态型别、自由形式的支持者之间,经常发生争执。前者主张,在编译的时候就可以较早发现错误,而且还可增进执行时期的效能。后者主张,使用更加动态的型别系统,分析程序码更为简单,减少出错机会,才能更加轻松快速的编写程序。与此相关的是,考虑到在型别推断的程序语言中,通常不需要手动宣告型别,这部分的额外开销也就自动降低了。

Summary: 在计算机科学中,型别系统(英语:type system)用于定义如何将程序语言中的数值和运算式归类为许多不同的型别,如何操作这些型别,这些型别如何互相作用。型别可以确认一个值或者一组值具有特定的意义和目的(虽然某些型别,如抽象型别和函式型别,在程序执行中,可能不表示为值)。型别系统在各种语言之间有非常大的不同,也许,最主要的差异存在于编译时期的语法,以及执行时期的操作实现方式。