利用编程语言的类型系统降低复杂性

柏舟   新冠4年 04-27

初学者常常发现动态语言编码简单，其中一个原因是因为无法充分利用静态语言的类型系统，降低心智负担。

当我初学编程的时候，我喜欢使用数组存数据，大脑记忆每个字段的含义。在刚学python的时候，我被python的类型系统震惊了，只学过C的我根本不理解为什么存在dict/map这种数据结构。后来了解了json和lisp才发现使用list和dict居然可以组合出所有想要表达的数据结构。但是，随着代码越写越多，我发现单纯使用list和dict的数据结构并不适合大型项目。

这是因为大型项目对象与对象之间存在一些业务规则，其中一些从属于、继承、引用的关系可以使用类型系统进行约束检查。这时，业务的部分复杂性就转移到类型系统中。而动态语言，虽然初期使用list和dict迅速写出数据结构，但是每个字段的含义和业务规则只通过约定，使用大脑记忆推理，项目后期基本无法维护。

通用技巧：使用类型包装规则

只要数据存在规则，数据之间存在约束，请定义新的类型。

典型的例子是每个物理量单独定义类型，而不是使用double。尤其是对于一个物理量同时存在标准和非标准定义，比如定义角度Angle，就可以通过定义初始化方法区分数据的单位是Radians还是Degree，并且可以实现ToString方法提高Print的可读性。此外，Modelica语言通过检查量纲是否存在错误来辅助编码，Rust也有类似的Units库。

第二个例子是URI、URL，一般的做法是直接使用uint或者int表示ID。ID从int改成string是一个很常见的情况，尤其是用户ID引入第三方认证，你很可能想要在ID加一个标记变成URI，却发现相应的SQL语句使用了int，可能还有一些细枝末节的地方需要修改，最后根本不敢改动。其次，int或string很容易和其它类型搞混，特别是在序列化和反序列化的代码中，很容易忘了处理。使用类型系统可以减少这些错误，当你编码的时候，借助IDE，可以清晰的看到ID和其它类型是不同的。并且如果需求改变，需要增加序列化过程也可以包装到类型的相关方法中，方便维护。

通过将规则包装到类型和相应的方法中，能够让人更清晰的认识到类型的定义域/约束是与普通类型(如int, string)和其它类型不同，并且提高代码的可维护性。如果发现项目中类型太多了，连写代码的人都记不清类型和规则，那就应该思考是系统本身确实复杂还是系统设计本身是一坨屎。

不同语言的类型系统

类型系统基本决定了一个语言的主要领域，它与GC、泛型高度相关。这篇文章偏向初学者，所以有的概念不好深入。而且我有的语言(C/C++,Java)写得很少，说得不对的地方敬请指正。

这个部分主要介绍不同语言的类型系统可以实现的额外约束，从而将业务的复杂性转移。

• Rust的类型系统是我用过的最灵活的类型系统(C++和一些函数式语言可能更强)。这个灵活指的是它的泛型远比Go、Java表达能力强而且安全。它可以很方便的描述类型具有的方法，使用泛型时描述类型之间的约束关系。由于Rust语言设计时非常重视安全性，所以，可以通过定义约束关系，充分利用Rust的类型系统检查代码问题。然而缺点是代码虽然小的改动检查很方便，但是大的改动非常坐牢。再加上它的零成本抽象只针对计算机，而不是人脑，所以狗都不用Rust写业务。
• Go和Java的类型系统比较一般，尤其是泛型同样地弱。如果只是使用interface还好，一般的多态需求都可以实现，但是就是有些约束没有办法使用类型系统实现。比如，浮点数、多项式、矩阵都有加法减法，但是你很难把它们抽象成同一个interface，因为多项式和矩阵之间无法加减。如果硬写的话，可以在运行时判断interface的类型，如果类型不同就抛出异常，但是这个和动态语言没有什么区别。反而是Rust的trait可以表达这个约束。而且，Go和Java的泛型基本什么都做不了，唯一的用处就是实现一些容器和简单类型的通用算法。Go的泛型虽然使用interface作为泛型约束，但是大多数情况和直接使用interface没有什么区别。
• C#比Go和Java强，可以看出来Rust借用了C#的where关键字。但是截止目前没有办法表示类型支持+,-符号这些约束，但可以通过dynamic解决。C#赋予了程序员足够的自由，你可以放弃类型系统的约束检查，但是可以通过这些不安全的行为换取更大的自由度和表达能力。
• Modelica实现了单位的量纲检查。
• Ada可以定义类型的定义域，数组的大小和起始索引。
• smalltalk基于方法(消息)实现多态。它可以使用反射实现动态类型，比如说一个数组存在搜索方法，当数组排序后，数组类型变为有序数组，此时搜索自动使用二分搜索。如果使用Java实现类似特性，可能需要针对每个类型实现无序数组和有序数组，但基本是不可能的。

为什么需要使用类型系统？主要是因为类型系统契合面向对象设计的部分理念。程序员通过与编程语言约定，将一部分心智负担转移到类型系统中，从而实现更复杂的设计。否则很容易导致业务规则的泄漏，在各个函数内部硬编码实现一些序列化逻辑和规则，然后需求一更改，屎山就成了。

也不知道有没有人喜欢看，有没有人对面向对象的设计模式和群论感兴趣。