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[译] Scala 类型的类型(一)

本文由 Yison 发表在 ScalaCool 团队博客。

原文

ktoso.github.io/scala-types…

目录

1. Scala 类型的不同类型

2013 年在几场 「JavaOne 大会」之后,掀起了一些关于 「Scala 类型」方面的热议,这篇博文也应运而生。

在这些讨论声中,我发现不同的人在学习 Scala 的过程中,经常重复提出相同的问题。我想我们缺少一个详尽的清单,来指明跟 Scala 类型打交道的方法,所以我决定总结下自己已有的经验,分享在 Scala 中为什么我们需要这些类型。

2. 写作进度

尽管我写这篇文章已经有段时间了,但始终还有很多内容未完成。比如说「高阶类型」部分需要重新梳理,「Self Type」还得补充更多细节,等等等等。详情参见计划清单。

此外,如果你看到某个部分被打上了 ❌ ,则表示该部分需要修改或者是未完成。

3. Type Ascription

Scala 有「类型推导」,这意味着我们可以在源码中省略一些类型声明。在不显式声明类型的前提下,我们只要书写 valdef 就够了。

这种显式指定类型的行为,被称为 Type Ascription(有时候,也有叫作 Type Annotation,但这个名字很容易造成混淆,在 Scala 文档中并不这么使用)。

trait Thing
def getThing = new Thing { }

// without Type Ascription, the type is infered to be `Thing`
val infered = getThing

// with Type Ascription
val thing: Thing = getThing复制代码

在此类情况下,我们可以不使用 Type Ascription 。当然你也可以针对每个公有的方法显示声明返回类型(一个非常好的习惯),这能使让代码可读性更好。

你可以根据以下的提示问题,来决定是否使用 Type Ascription :

Q: 如果它是一个参数?

A: 必须使用。

Q: 如果它是一个公有方法的返回值?

A: 为了更好的代码可读性,及输出类型的可控性,需要使用。

Q: 如果它是一个递归或重载的方法?

A: 必须使用。

Q: 当你需要返回一个比隐式推导结果更通用的接口?

A: 除非你愿意暴露实现细节,否则必须使用。

除上述情况之外,则可以不必显式声明类型。

补充说明:

使用 Type Ascription 可以加快编译的速度,通常我们也很乐意看到一个方法的返回类型。

好了,我们现在明白了 Type Ascription 大概是怎么一回事。讲完这个之后,我们继续接下来的话题,类型随之也会变得越来越有趣。

4. 通用类型系统 — Any, AnyRef, AnyVal

我们之所以说 Scala 的类型系统是通用的,是因为有一个「顶类型」— Any 。这与 Java 很不一样,后者存在叫做「原始类型」 ( int , long , float , double , byte , char , short , boolean ) 的特例,它们并不继承 Java 中类似顶类型的东西 java.lang.Object


Scala's Unified Types

Scala 引入了 Any 作为所有类型共同的顶类型。AnyAnyRefAnyVal 的超类。

AnyRef 面向 Java(JVM)的对象世界,它对应 java.lang.Object ,是所有对象的超类。

AnyVal 则代表了 Java 的值世界,例如 int 以及其它 JVM 原始类型。

正是依赖这种继承设计,我们才能够使用 Any 定义方法,同时兼容 scala.int 以及 java.lang.String 的实例。

class Person

val allThings = ArrayBuffer[Any]()

val myInt = 42             // Int, kept as low-level `int` during runtime

allThings += myInt         // Int (extends AnyVal)
                           // has to be boxed (!) -> becomes java.lang.Integer in the collection (!)

allThings += new Person()  // Person (extends AnyRef), no magic here复制代码

虽然在 JVM 层一旦遭遇 ArrayBuffer[Any] ,我们的 Int 实例就会被打包成对象。对于类型系统而言,这一切还算是透明的。我们可以通过 Scala REPL 和 :javap 来调查下上述的例子,这样子可以找到我们的测试类产生的代码。

35: invokevirtual #47  // Method myInt:()I
38: invokestatic  #53  // Method scala/runtime/BoxesRunTime.boxToInteger:(I)Ljava/lang/Integer;
41: invokevirtual #57  // Method scala/collection/mutable/ArrayBuffer.$plus$eq:(Ljava/lang/Object;)Lscala/collection/mutable/ArrayBuffer;复制代码

你将注意到 myInt 起初还是携带一个原始 int 类型的值。然后,在它即将被添加到 ArrayBuffer 的时候,scalac 植入了一个方法 BoxesRunTime.boxToInteger:(I)Ljava/lang/Integer (提醒下不是经常跟「字节码」打交道的读者,这个方法就是 public Integer boxToInteger(i: int))。

通过这么一个智能的编译器,以及在这套公共继承体系中将所有东西都当成一个对象来处理,我们就能够摆脱「原始类型」这种边缘情况的纠缠,至少在我们的 Scala 源码中,编译器会为我们处理它。

当然在 JVM 层面,这种差异依旧存在。由于「原始类型」的操作更安全,同时占用更少的内存(对象明显要占用更多),scalac 会在尽可能的情况下使用原始类型。

另一方面,我们也可以限制一个方法只能采用轻量级的值类型:

def check(in: AnyVal) = ()

check(42)    // Int -> AnyVal
check(13.37) // Double -> AnyVal

check(new Object) // -> AnyRef = fails to compile复制代码

在上述例子中,我们使用了一个 TypeClass Checker[T] 与类型边界 (type bound)(后续会详谈)。总体思路就是这个方法只能采用 Value Classes ,如 Int 或我们自己的值类型。虽然这不是惯用的方法,但这展示了 Scala 的类型系统如何拥抱 Java 的原始类型,把它们引入到 “真正的” 类型系统里面,而不是像 Java 一样,仅仅将它们作为一个分离的情况存在。

5. 底类型 - Nothing 与 Null

在 Scala 中,一切皆有类型…… 但你是否想过,当遇到一些非正常的情况,比如抛出异常的时候,类型推导是如何保持正常运转,推断出合理的类型。

让我们通过以下的 if/else throw 的例子来一探究竟:

val thing: Int =
  if (test)
    42                             // : Int
  else
    throw new Exception("Whoops!") // : Nothing复制代码

正如你在注释里所看到的,if 块的返回类型是 Int(很明显),else 代码块的类型是 Nothing(有点意思)。推导器之所以能够推断 thing 的类型将永远是 Int,主要是 Nothing 类型的「底类型」性质在起作用。

一个关于「底类型」如何运作的准确直觉是:Nothing 继承了所有类型。

类型推导总是会寻找 if 语句两个逻辑分支的「共同类型」。因此如果 else 分支这里是一个继承所有类型的子类型,那么最终推断出来的结果自然会是第一个分支的类型。

Types visualized:

           [Int] -> ... -> AnyVal -> Any
Nothing -> [Int] -> ... -> AnyVal -> Any复制代码

同样的道理也适用于 Scala 中的第二个底类型 - Null

val thing: String =
  if (test)
    "Yay!"  // : String
  else
      null    // : Null复制代码

thing 的类型是预期的 StringNull 遵循着跟 Nothing 几乎一样的规则。我将通过这个例子先探讨下 — 类型推导中 AnyValAnyRef 之间的区别。

Types visualized:

        [String] -> AnyRef -> Any
Null -> [String] -> AnyRef -> Any

infered type: String复制代码

让我们考虑下 Int 及其它不能兼容 Null 值的原始类型。我们在 REPL 中使用 :type 命令来调查这个情况(这样可以返回一个表达式的类型)。

scala> :type if (false) 23 else null
Any复制代码

这跟上面一个分支对象为 String 类型的例子不同。因为 Null 不像 Nothing 一样继承任何类型,我们来详细研究一下这里的类型。让我们再次使用 :type 命令来看看 Int 到底继承了什么:

scala> :type -v 12
// Type signature
Int

// Internal Type structure
TypeRef(TypeSymbol(final abstract class Int extends AnyVal))复制代码

verbose 参数在这里新增了一些信息,现在我们知道了 Int 是 一个 AnyVal,后者是个特殊的用于表示值类型的 class,它不能兼容 Null。如果我们看 AnyVal 的源码,我们将发现:

abstract class AnyVal extends Any with NotNull复制代码

我之所以要讲是这里,是因为 AnyVal 的核心功能在这里通过类型很好地表示出来了。注意那个 NotNull 特质(trait)

回到主题,为什么上面 if 语句(两个逻辑分支的类型分别是 AnyValnull)的公共类型是 Any,而不是其它。

用一句话来总结就是:

Null 继承所有的 AnyRefs,而 Nothing 继承了一切。

由于 AnyVals (例如数字)跟 AnyRefs 并不在一个继承树中,一个数字与一个 null 值唯一的公共类型就是 Any ,这就解释了我们的例子。

Types visualized:

Int  -> NotNull -> AnyVal -> [Any]
Null            -> AnyRef -> [Any]

infered type: Any an object复制代码
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