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冒号课堂§5.2:数据类型

冒号课堂

第五课 语言小谈(2)

5.2 数据类型——规则与变通

郑晖

摘要

关于数据类型的讨论


操纵于规矩之中,神明于规矩之外

《俞震•古今医案按》

!预览

  • Duck类型的哲学是:名义不重要,重要的是能力

  • 将一个会叫会游的家伙放进池塘看起来不算坏主意,但如果一艘轮船趁机也轰隆隆地开了进来,事情恐怕就不那么美妙了

  • 静态类型检查类似“疑罪从有”的有罪推定制,动态类型检查类似“疑罪从无”的无罪推定制

  • 尽可能守规则,必要时求变通

  • 规则如裤带,过于宽松和过于束缚都不好

?提问

  • 动态语言与动态类型语言是一回事吗?

  • 数据类型有哪两个要素?其意义何在?

  • 什么是动态类型和静态类型?它们的区别是什么?各有什么优缺点?

  • 什么是鸭子类型(duck typing)?它有什么优缺点?

  • 什么是强类型与弱类型?什么是类型安全的?

:讲解

待教室平静下来,冒号再度开腔:“在谈论动态语言之前,最好先澄清一下它与动态类型语言之间的区别。”

叹号讶然道:“它们不是一回事吗?一直以为动态语言是动态类型语言的简称呢。”

“有亲戚之名,却无血缘之亲。名称上相似,加之动态语言绝大多数确是动态类型语言,造成混淆实属在所难免,但二者之间并无必然联系——动态语言不一定是动态类型语言[1],动态类型语言也不一定是动态语言[2]。”冒号飞跑的舌头几乎绊蒜,同时把众人的脑子搅成了一锅粥。

见势不妙,冒号改用迂回战术:“我们不妨再谈开些,大家对数据类型是如何理解的?”

逗号随口道:“数据类型不就是数据的种类吗?”

众人暗笑:说了跟没说差不多。

冒号说道:“数据类型包含两个要素:一个是允许取值的集合,一个是允许参与的运算。例如int类型在Java中既定义了介于-231和231 – 1之间的整数集合,也定义了该集合上的整数所能进行的运算。现在的问题是:数据类型的意义何在?”

句号回答:“限定一个变量的数据类型,就意味着限制了该变量的取值范围和所参与的运算,这从一定程度上保证了代码的安全性。”

冒号追问:“还有吗?”

句号略作思考后说:“用户自定义的数据类型,如C中的结构和Java中的类或接口,赋予数据以逻辑内涵,提高了代码的抽象性。”

“精辟!”冒号赞道,“数据类型既有针对机器的物理意义,又有针对人的逻辑意义。前者用于进行底层的内存分配和数值运算等,后者用于表达高层的逻辑概念。既然类型如此重要,类型检查就必不可少了[3]。所谓动态类型语言(dynamic typing language),正是指类型检查发生在运行期间(run-time)的语言。”

“那静态类型语言(static typing language)自然是类型检查发生在编译期间(compile-time)的语言咯。”引号接话道。

冒号回应:“一般的说法是这样,但我更愿意将‘编译期间’四个字改为‘运行之前’,否则容易让人误解为静态类型语言一定是编译型语言(compiled language)。”

问号问道:“是否可以这么说:静态类型语言需要变量声明,而动态类型语言则不需要?”

“这话只对了一半。”冒号评论,“动态类型语言固然不需要显式的变量声明(explicit declaration),一些静态类型语言有时也不需要。典型的如ML、Haskell之类的函数式语言,编译器可以通过上下文来进行类型推断(type inference)。另外,C#从3.0起也开始支持局部变量的类型推断。”

“如何进行类型推断?”问号有点丈二和尚摸不着头脑。

冒号打了个比方:“假设‘+’号只限于同类型的数据运算,那么从表达式a + 1中可以推出a是整型变量,从b + 1.0中推出b是浮点型变量,从c + “1”中推出c是字符串型变量。这些变量不必事先声明,但一旦类型被推断确定后,便不再更改。由于这些推断都是在程序运行之前进行的,因此仍属于静态类型。它既有动态类型的简洁性,又不失声明式静态类型的安全性,可谓裁长补短啊。”

叹号有些羡慕地说:“还是动态类型语言好,不仅不必声明变量,而且一个变量在不同地方还可以代表不同类型,多省事多方便啊!”

冒号微微颔首:“虽然这种机制也有为人诟病之处,但不可否认,动态类型语言的确有它的优势:简明、快捷、灵活,并且天然具有泛型(generic)特征。值得一提的是,动态类型有一种被称作鸭子类型(duck typing)的形式。”

逗号感到有趣:“鸭子类型?很滑稽的名字。”

“这种类型通俗的说法是:如果一个对象既会走鸭步又会呷呷叫,何妨将其视作鸭子呢?”冒号说着投影出一段Ruby代码——

class Duck                      #会叫会游的鸭
    def shout
        puts '呷呷呷'
    end
    def swim
        puts '鸭泳'
    end
end

class Frog                      #会叫会游的蛙
    def shout
        puts '呱呱呱'
    end
    def swim
       puts '蛙泳'
    end
end

def shoutAndSwim(duck)          #让一只会叫会游的家伙边叫边游
    duck.shout
    duck.swim
end

shoutAndSwim(Duck.new)          #让一只鸭边叫边游
shoutAndSwim(Frog.new)          #让一只蛙边叫边游 

冒号继续讲解:“在Smalltalk、Python和Ruby等动态类型的OOP语言中,只要一个类型具有shout和swim的方法,它就可以为shoutAndSwim所接受。这在C++、Java、C#等静态类型语言中是不可能的[4],除非鸭和蛙在同一继承树上,或者二者均显式实现了一个包含shout和swim的公用接口。”

句号敏锐地指出:“C++是静态类型语言,但它的模板也可实现类似功能,并不需要引入继承关系。”

“说得很对!但请接着看下去。”冒号又放出一段投影——

class Cock                      #会叫不会游的鸡
    def shout
        puts '喔喔喔'
    end
end
 
class Fish                      #会游不会叫的鱼
    def swim
        puts '自由泳'
    end
end

def shoutOrSwim(duck, flag)     #让一只会叫或会游的家伙叫或游
    flag ? duck.shout : duck.swim
end

shoutOrSwim(Cock.new, true)     #让一只鸡叫
shoutOrSwim(Fish.new, false)    #让一只鱼游 

“这里鸡没有swim的方法,鱼没有shout的方法。若采用C++的模板,shoutOrSwim是无法通过编译的。但在支持Duck 类型的语言中,只要在运行期间不让鸡swim、让鱼shout——除非你突发奇想——一切平安无事。”冒号作了个OK的手势。

“动态类型语言真是越看越可爱。”叹号简直垂涎欲滴了。

“Duck类型的哲学是:名义不重要,重要的是能力,颇有些实用主义的味道。这种非继承性多态为软件重用开启了新的窗口,同时也埋下了一些陷阱。由于Duck类型的接口组合是隐性的,其使用者需要比普通interface更小心以避免误用;其维护者也需要更小心以避免破坏客户代码;另外它也可能造成滥用——将一个会叫会游的家伙放进池塘看起来不算坏主意,但如果一艘轮船趁机也轰隆隆地开了进来,事情恐怕就不那么美妙了。”

众皆莞尔。

“再来看看静态类型语言的好处:由于在运行之前进行了类型检查,一方面代码的可靠性增强,符合‘发现错误要尽早’的原则;另一方面编译器有可能藉此优化机器代码以提高运行效率,同时相比前者节省了运行期的耗费在类型检查上的时间和空间。此外,变量类型的声明彰显了编程者的意图,有辅助文档的功效。”冒号一五一十地介绍着,“两种类型的体制可以用两种法律原则来类比:静态类型检查类似‘疑罪从有’的有罪推定制——在被证明合法之前是非法的,动态类型检查类似‘疑罪从无’的无罪推定制——在被证明非法之前是合法的。至于如何取舍,套用一句话:‘Static Typing Where Possible, Dynamic Typing When Needed’。不妨理解为:尽可能守规则,必要时求变通。”

句号俏皮地说:“规则如裤带,过于宽松和过于束缚都不好。”

问号提出新问题:“动态类型语言与弱类型语言有何不同?”

冒号喟言:“它们也常常被混为一谈,但类型的动静与强弱完全是正交的两个概念。静态类型语言中,有强类型的Java,也有弱类型的C;动态类型语言中,有强类型的Smalltalk,也有弱类型的JavaScript。前者以类型的绑定(binding)时间来划分,后者以类型的约束强度来划分。通常弱类型语言(weakly-typed language)允许一种类型的值隐性转化为另一种类型[5]。举个例子,1+”2″在VB中等于3——第二个字符串转化为整数;在JavaScript中等于”12″——第一个整数转化为字符串;在C中则等于一个不定的整数值——第二个字符串作为地址来运算。这样似乎很有趣很方便,但程序容易藏污纳垢,滋生臭虫(bug)。与此相对地,强类型语言(strongly-typed language)着意贯彻类型控制,为保障数据的完整性和代码的安全有效性,一般不允许隐性类型转换[6]。如果一定需要类型转换,必须是显性转换,一般通过我们熟知的铸型(cast)来完成。”

引号想起:“好像还有一种所谓的类型安全语言?”

逗号紧紧抱着头,仿佛害怕裂开。

“类型按安全性来划分,可分为类型安全语言(type-safe language)和类型不安全语言(type-unsafe language)。类型检查的目的就是为了避免类型错误(type error)[7],即杜绝因类型问题而产生的错误或不良代码。如果一个类型系统能完全做到这一点,它就被称为类型安全的。虽然尚存争议,但一般认为强类型语言对类型控制更严格,因而是类型安全的,弱类型语言是类型不安全的。类型安全固然对保障程序的合理性和可靠性十分重要,但若过于严苛,程序也就失去了活力,正所谓‘水至清则无鱼’啊。” 冒号有条不紊地解说着,“至此,我们已论及数据类型的三种划分方式。需要说明的是,这些划分并非泾渭分明的[8],更多的是定性而非定量的描述,甚至没有公认统一的定义。但了解它们,对我们理解编程语言和编程原则是大有裨益的。”

,插语

  1. Scala是动态语言,却是静态类型的。

  2. Visual Basic(不包括VB.NET) 支持动态类型,却是静态语言。

  3. 极少数语言没有类型检查(untyped或typeless),如大多数汇编语言、Forth语言等。

  4. C#4.0将支持duck typing。

  5. 隐式转换也称为强制转换(coercion)。有人将显式转换的铸型(cast)译为强制转换,并不准确。

  6. 但许多强类型语言对于宽转换(widening conversion)还是允许隐性的,如必要时int可自动转换为float。

  7. 典型的类型错误是:一个函数本来期待的参数类型是A,实际传入的变量a却不是A类型或其兼容类型。

  8. 比如,静态类型的OOP语言如C++、Java、C#等支持多态类型以及downcasting,能在运行期间进一步细化数据类型,从某种意义上也具有动态类型的特征。

。总结

  • 尽管动态语言大多数是动态类型语言,但二者并不是一回事。

  • 数据类型包含两个要素:允许取值的集合和允许参与的运算。

  • 数据类型既有针对机器的物理意义,又有针对人的逻辑意义,提高了代码的安全性和抽象性。

  • 动态类型的类型检查发生在运行期间,静态类型的类型检查发生在编译期间(运行之前)。

  • 动态类型的变量不需要显式声明,静态类型的变量需要通过显式声明或类型推断。

  • 鸭子类型是动态类型的一种风格,允许非继承性多态,即一个对象的类型可以由其接口集合来确定,不需要通过显式继承。它有利于代码重用,但也可能造成误用和滥用。

  • 动态类型语言的优点:代码简明灵活、易于重用,适合泛型编程和快速原型开发。

  • 静态类型语言的优点:运行之前的类型检查增强了代码的可靠性,使编译器有可能进行优化处理从而提高运行效率,节省了运行期的类型检查所占用的时间和空间,同时类型声明有辅助文档的功效。

  • 静态类型检查实行“疑罪从有”的有罪推定制,动态类型检查实行“疑罪从无”的无罪推定制。取舍的原则是:Static Typing Where Possible, Dynamic Typing When Needed。即尽可能守规则,必要时求变通。

  • 类型的动静以类型的绑定时间来划分,类型的强弱以类型的约束强度来划分,它们之间没有必然联系。弱类型语言允许类型的隐性转化,被认为是类型不安全的;而强类型语言则一般不允许这种转化,被认为是类型安全的。

“”参考

  1. Wikipedia.Type system.http://en.wikipedia.org/wiki/Type_system

  2. Erik Meijer,Peter Drayton.Static Typing Where Possible, Dynamic Typing When Needed.http://research.microsoft.com/~emeijer/Papers/RDL04Meijer.pdf

  3. Ravi Sethi.Programming Languages: Concepts & Constructs(英文版第2版).北京:机械工业出版社,2002.136-143

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