冒號(hào)課堂
第五課 語言小談（2）
5.2數(shù)據(jù)類型——規(guī)則與變通
操縱于規(guī)矩之中，神明于規(guī)矩之外 ——《俞震·古今醫(yī)案按》
關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)類型,靜態(tài)類型,動(dòng)態(tài)類型,Duck類型,強(qiáng)類型,弱類型,類型安全
摘要： 關(guān)于數(shù)據(jù)類型的討論
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· Duck類型的哲學(xué)是：名義不重要，重要的是能力
· 將一個(gè)會(huì)叫會(huì)游的家伙放進(jìn)池塘看起來不算壞主意，但如果一艘輪船趁機(jī)也轟隆隆地開了進(jìn)來，事情恐怕就不那么美妙了
· 靜態(tài)類型檢查類似“疑罪從有”的有罪推定制，動(dòng)態(tài)類型檢查類似“疑罪從無”的無罪推定制
· 盡可能守規(guī)則，必要時(shí)求變通
· 規(guī)則如褲帶，過于寬松和過于束縛都不好
？提問
· 動(dòng)態(tài)語言與動(dòng)態(tài)類型語言是一回事嗎？
· 數(shù)據(jù)類型有哪兩個(gè)要素？其意義何在？
· 什么是動(dòng)態(tài)類型和靜態(tài)類型？它們的區(qū)別是什么？各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？
· 什么是鴨子類型（duck typing）？它有什么優(yōu)缺點(diǎn)？
· 什么是強(qiáng)類型與弱類型？什么是類型安全的？
：講解
待教室平靜下來，冒號(hào)再度開腔：“在談?wù)搫?dòng)態(tài)語言之前，最好先澄清一下它與動(dòng)態(tài)類型語言之間的區(qū)別。”
嘆號(hào)訝然道：“它們不是一回事嗎？一直以為動(dòng)態(tài)語言是動(dòng)態(tài)類型語言的簡稱呢。”
“有親戚之名，卻無血緣之親。名稱上相似，加之動(dòng)態(tài)語言絕大多數(shù)確是動(dòng)態(tài)類型語言，造成混淆實(shí)屬在所難免，但二者之間并無必然聯(lián)系——?jiǎng)討B(tài)語言不一定是動(dòng)態(tài)類型語言[1]，動(dòng)態(tài)類型語言也不一定是動(dòng)態(tài)語言[2]。”冒號(hào)飛跑的舌頭幾乎絆蒜，同時(shí)把眾人的腦子攪成了一鍋粥。
見勢(shì)不妙，冒號(hào)改用迂回戰(zhàn)術(shù)：“我們不妨再談開些，大家對(duì)數(shù)據(jù)類型是如何理解的？”
逗號(hào)隨口道：“數(shù)據(jù)類型不就是數(shù)據(jù)的種類嗎？”
眾人暗笑：說了跟沒說差不多。
冒號(hào)說道：“數(shù)據(jù)類型包含兩個(gè)要素：一個(gè)是允許取值的集合，一個(gè)是允許參與的運(yùn)算。例如int類型在Java中既定義了介于− 231 和231 − 1之間的整數(shù)集合，也定義了該集合上的整數(shù)所能進(jìn)行的運(yùn)算。現(xiàn)在的問題是：數(shù)據(jù)類型的意義何在？”
句號(hào)回答：“限定一個(gè)變量的數(shù)據(jù)類型，就意味著限制了該變量的取值范圍和所參與的運(yùn)算，這從一定程度上保證了代碼的安全性。”
冒號(hào)追問：“還有嗎？”
句號(hào)略作思考后說：“用戶自定義的數(shù)據(jù)類型，如C中的結(jié)構(gòu)和Java中的類或接口，賦予數(shù)據(jù)以邏輯內(nèi)涵，提高了代碼的抽象性。”
“精辟！”冒號(hào)贊道，“數(shù)據(jù)類型既有針對(duì)機(jī)器的物理意義，又有針對(duì)人的邏輯意義。前者用于進(jìn)行底層的內(nèi)存分配和數(shù)值運(yùn)算等，后者用于表達(dá)高層的邏輯概念。既然類型如此重要，類型檢查就必不可少了[3]。所謂動(dòng)態(tài)類型語言（dynamic typing language），正是指類型檢查發(fā)生在運(yùn)行期間（run-time）的語言。”
“那靜態(tài)類型語言（static typing language）自然是類型檢查發(fā)生在編譯期間（compile-time）的語言咯。”引號(hào)接話道。
冒號(hào)回應(yīng)：“一般的說法是這樣，但我更愿意將‘編譯期間’四個(gè)字改為‘運(yùn)行之前’，否則容易讓人誤解為靜態(tài)類型語言一定是編譯型語言（compiled language）。”
問號(hào)問道：“是否可以這么說：靜態(tài)類型語言需要變量聲明，而動(dòng)態(tài)類型語言則不需要？”
“這話只對(duì)了一半。”冒號(hào)評(píng)論，“動(dòng)態(tài)類型語言固然不需要顯式的變量聲明（explicit declaration），一些靜態(tài)類型語言有時(shí)也不需要。典型的如ML、Haskell之類的函數(shù)式語言，編譯器可以通過上下文來進(jìn)行類型推斷（type inference）。”
“如何進(jìn)行類型推斷？”問號(hào)有點(diǎn)丈二和尚摸不著頭腦。
冒號(hào)打了個(gè)比方：“假設(shè)‘+’號(hào)只限于同類型的數(shù)據(jù)運(yùn)算，那么從表達(dá)式a + 1中可以推出a是整型變量，從b + 1.0中推出b是浮點(diǎn)型變量，從c + “1”中推出c是字符串型變量。這些變量不必事先聲明，但一旦類型被推斷確定后，便不再更改。由于這些推斷都是在程序運(yùn)行之前進(jìn)行的，因此仍屬于靜態(tài)類型。它既有動(dòng)態(tài)類型的簡潔性，又不失聲明式靜態(tài)類型的安全性，可謂裁長補(bǔ)短啊。”
嘆號(hào)有些羨慕地說：“還是動(dòng)態(tài)類型語言好，不僅不必聲明變量，而且一個(gè)變量在不同地方還可以代表不同類型，多省事多方便啊！”
冒號(hào)微微頷首：“雖然這種機(jī)制也有為人詬病之處，但不可否認(rèn)，動(dòng)態(tài)類型語言的確有它的優(yōu)勢(shì)：簡明、快捷、靈活，并且天然具有泛型（generic）特征。值得一提的是，動(dòng)態(tài)類型有一種被稱作鴨子類型（duck typing）的形式。”
逗號(hào)感到有趣：“鴨子類型？很滑稽的名字。”
“這種類型通俗的說法是：如果一個(gè)對(duì)象既會(huì)走鴨步又會(huì)呷呷叫，何妨將其視作鴨子呢？”冒號(hào)說著投影出一段Ruby代碼——
class Duck #會(huì)叫會(huì)游的鴨
def shout
puts '呷呷呷'
end
def swim
puts '鴨泳'
end
end
class Frog #會(huì)叫會(huì)游的蛙
def shout
puts '呱呱呱'
end
def swim
puts '蛙泳'
end
end
def shoutAndSwim(duck) #讓一只會(huì)叫會(huì)游的家伙邊叫邊游
duck.shout
duck.swim
end
shoutAndSwim(Duck.new) #讓一只鴨邊叫邊游
shoutAndSwim(Frog.new) #讓一只蛙邊叫邊游
冒號(hào)繼續(xù)講解：“在Smalltalk、Python和Ruby等動(dòng)態(tài)類型的OOP語言中，只要一個(gè)類型具有shout和swim的方法，它就可以為shoutAndSwim所接受。這在C++、Java、C#等靜態(tài)類型語言中是不可能的[4]，除非鴨和蛙在同一繼承樹上，或者二者均顯式實(shí)現(xiàn)了一個(gè)包含shout和swim的公用接口。”
句號(hào)敏銳地指出：“C++是靜態(tài)類型語言，但它的模板也可實(shí)現(xiàn)類似功能，并不需要引入繼承關(guān)系。”
“說得很對(duì)！但請(qǐng)接著看下去。”冒號(hào)又放出一段投影——
class Cock #會(huì)叫不會(huì)游的雞
def shout
puts '喔喔喔'
end
end
class Fish #會(huì)游不會(huì)叫的魚
def swim
puts '自由泳'
end
end
def shoutOrSwim(duck, flag) #讓一只會(huì)叫或會(huì)游的家伙叫或游
flag ? duck.shout : duck.swim
end
shoutOrSwim(Cock.new, true) #讓一只雞叫
shoutOrSwim(Fish.new, false) #讓一只魚游
“這里雞沒有swim的方法，魚沒有shout的方法。若采用C++的模板，shoutOrSwim是無法通過編譯的。但在支持Duck 類型的語言中，只要在運(yùn)行期間不讓雞swim、讓魚shout——除非你突發(fā)奇想——一切平安無事。”冒號(hào)作了個(gè)OK的手勢(shì)。
“動(dòng)態(tài)類型語言真是越看越可愛。”嘆號(hào)簡直垂涎欲滴了。
“Duck類型的哲學(xué)是：名義不重要，重要的是能力，頗有些實(shí)用主義的味道。這種非繼承性多態(tài)為軟件重用開啟了新的窗口，同時(shí)也埋下了一些陷阱。由于Duck類型的接口組合是隱性的，其使用者需要比普通interface更小心以避免誤用；其維護(hù)者也需要更小心以避免破壞客戶代碼；另外它也可能造成濫用——將一個(gè)會(huì)叫會(huì)游的家伙放進(jìn)池塘看起來不算壞主意，但如果一艘輪船趁機(jī)也轟隆隆地開了進(jìn)來，事情恐怕就不那么美妙了。”
眾皆莞爾。
“再來看看靜態(tài)類型語言的好處：由于在運(yùn)行之前進(jìn)行了類型檢查，一方面代碼的可靠性增強(qiáng)，符合發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤要盡早的原則；另一方面編譯器有可能藉此優(yōu)化機(jī)器代碼以提高運(yùn)行效率，同時(shí)相比前者節(jié)省了運(yùn)行期的耗費(fèi)在類型檢查上的時(shí)間和空間。此外，變量類型的聲明彰顯了編程者的意圖，有輔助文檔的功效。”冒號(hào)有條有理地解釋著，“兩種類型的體制可以用兩種法律原則來類比：靜態(tài)類型檢查類似‘疑罪從有’的有罪推定制——在被證明合法之前是非法的，動(dòng)態(tài)類型檢查類似‘疑罪從無’的無罪推定制——在被證明非法之前是合法的。至于如何取舍，套用一句話：‘Static Typing Where Possible, Dynamic Typing When Needed’。不妨理解為：盡可能守規(guī)則，必要時(shí)求變通。”
句號(hào)俏皮地說：“規(guī)則如褲帶，過于寬松和過于束縛都不好。”
問號(hào)提出新問題：“動(dòng)態(tài)類型語言與弱類型語言有何不同？”
冒號(hào)喟言：“它們也常常被混為一談，但類型的動(dòng)靜與強(qiáng)弱完全是正交的兩個(gè)概念。靜態(tài)類型語言中，有強(qiáng)類型的Java，也有弱類型的C；動(dòng)態(tài)類型語言中，有強(qiáng)類型的Smalltalk，也有弱類型的JavaScript。前者以類型的綁定（binding）時(shí)間來劃分，后者以類型的約束強(qiáng)度來劃分。通常弱類型語言（weakly-typing language）允許一種類型的值隱性轉(zhuǎn)化為另一種類型[5]。舉個(gè)例子，1＋"2"在VB中等于3——第二個(gè)字符串轉(zhuǎn)化為整數(shù)；在JavaScript中等于"12"——第一個(gè)整數(shù)轉(zhuǎn)化為字符串；在C中則等于一個(gè)不定的整數(shù)值——第二個(gè)字符串作為地址來運(yùn)算。這樣似乎很有趣很方便，但程序容易藏污納垢，滋生臭蟲（bug）。與此相對(duì)地，強(qiáng)類型語言（strongly-typed language）著意貫徹類型控制，為保障數(shù)據(jù)的完整性和代碼的安全有效性，一般不允許隱性類型轉(zhuǎn)換[6]。如果一定需要類型轉(zhuǎn)換，必須是顯性轉(zhuǎn)換，一般通過我們熟知的鑄型（cast）來完成。”
引號(hào)想起：“好像還有一種所謂的類型安全語言？”
逗號(hào)緊緊抱著頭，仿佛害怕裂開。
“類型按安全性來劃分，可分為類型安全語言（type-safe language）和類型不安全語言（type-unsafe language）。類型檢查的目的就是為了避免類型錯(cuò)誤（type error）[7]，即杜絕因類型問題而產(chǎn)生的錯(cuò)誤或不良代碼。如果一個(gè)類型系統(tǒng)能完全做到這一點(diǎn)，它就被稱為類型安全的。雖然尚存爭議，但一般認(rèn)為強(qiáng)類型語言對(duì)類型控制更嚴(yán)格，因而是類型安全的，弱類型語言是類型不安全的。類型安全固然對(duì)保障程序的合理性和可靠性十分重要，但若過于嚴(yán)苛，程序也就失去了活力，正所謂‘水至清則無魚’啊。” 冒號(hào)有條不紊地解說著，“至此，我們已論及數(shù)據(jù)類型的三種劃分方式。需要說明的是，這些劃分并非涇渭分明的[8]，更多的是定性而非定量的描述，甚至沒有公認(rèn)統(tǒng)一的定義。但了解它們，對(duì)我們理解編程語言和編程原則是大有裨益的。”
，插語
[1] Scala是動(dòng)態(tài)語言，卻是靜態(tài)類型的。
[2] Visual Basic(不包括VB.NET) 支持動(dòng)態(tài)類型，卻是靜態(tài)語言。
[3] 極少數(shù)語言沒有類型檢查（untyped或typeless），如大多數(shù)匯編語言、Forth語言等。
[4] C#4.0將支持duck typing。
[5] 隱式轉(zhuǎn)換也稱為強(qiáng)制轉(zhuǎn)換（coercion）。有人將顯式轉(zhuǎn)換的鑄型（cast）譯為強(qiáng)制轉(zhuǎn)換，并不準(zhǔn)確。
[6] 但許多強(qiáng)類型語言對(duì)于寬轉(zhuǎn)換（widening conversion）還是允許隱性的，如必要時(shí)int可自動(dòng)轉(zhuǎn)換為float。
[7] 典型的類型錯(cuò)誤是：一個(gè)函數(shù)本來期待的參數(shù)類型是A，實(shí)際傳入的變量a卻不是A類型。
[8] 比如，靜態(tài)類型的OOP語言如C++、Java支持downcasting，能在運(yùn)行期間進(jìn)一步細(xì)化數(shù)據(jù)類型，從某種意義上也具有動(dòng)態(tài)類型的特征。
。總結(jié)
- 盡管動(dòng)態(tài)語言大多數(shù)是動(dòng)態(tài)類型語言，但二者并不是一回事。
- 數(shù)據(jù)類型包含兩個(gè)要素：允許取值的集合和允許參與的運(yùn)算。
- 數(shù)據(jù)類型既有針對(duì)機(jī)器的物理意義，又有針對(duì)人的邏輯意義，提高了代碼的安全性和抽象性。
- 動(dòng)態(tài)類型的類型檢查發(fā)生在運(yùn)行期間，靜態(tài)類型的類型檢查發(fā)生在編譯期間（運(yùn)行之前）。
- 動(dòng)態(tài)類型的變量不需要顯式聲明，靜態(tài)類型的變量需要通過顯式聲明或類型推斷。
- 鴨子類型是動(dòng)態(tài)類型的一種風(fēng)格，允許非繼承性多態(tài)，即一個(gè)對(duì)象的類型可以由其接口集合來確定，不需要通過顯式繼承。它有利于代碼重用，但也可能造成誤用和濫用。
- 動(dòng)態(tài)類型語言的優(yōu)點(diǎn)：代碼簡明靈活、易于重用，適合泛型編程和快速原型開發(fā)。
- 靜態(tài)類型語言的優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)行之前的類型檢查增強(qiáng)了代碼的可靠性，使編譯器有可能進(jìn)行優(yōu)化處理從而提高運(yùn)行效率，節(jié)省了運(yùn)行期的類型檢查所占用的時(shí)間和空間，同時(shí)類型聲明有輔助文檔的功效。
- 靜態(tài)類型檢查實(shí)行“疑罪從有”的有罪推定制，動(dòng)態(tài)類型檢查實(shí)行“疑罪從無”的無罪推定制。取舍的原則是：Static Typing Where Possible， Dynamic Typing When Needed。即盡可能守規(guī)則，必要時(shí)求變通。
- 類型的動(dòng)靜以類型的綁定時(shí)間來劃分，類型的強(qiáng)弱以類型的約束強(qiáng)度來劃分，它們之間沒有必然聯(lián)系。弱類型語言允許類型的隱性轉(zhuǎn)化，被認(rèn)為是類型不安全的；而強(qiáng)類型語言則一般不允許這種轉(zhuǎn)化，被認(rèn)為是類型安全的。
“”參考
[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：機(jī)械工業(yè)出版社，2002．136-143