Scala的類型系統(tǒng)：取代復雜的通配符
原創(chuàng)51CTO編輯推薦：Scala編程語言專題
【51CTO獨家特稿】上次我們講了Scala的類型系統(tǒng)，講到了它的可擴展性，它的Duck Typing類型推理功能，展示了在類型系統(tǒng)上它比Java更加的靈活。本文中，Martin Odersky將繼續(xù)講解Scala的類型系統(tǒng)。今天的內容是映射Java通配符的Existential類型，類型的可變性，以及抽象類的功能。
Existential類型
Bill Venners：最近Scala中添加了一些Existential（存在）類型。我聽說添加Existential類型的理由是為了可以映射所有Java類型到Scala類型，特別是Java的通配符類型。Existential類型數(shù)量是否多于Java通配符類型？它們是否是Java通配符類型的一個擴展集？是否存在其他人們應該了解它的理由？
Martin Odersky：這很難說，因為人們并沒有一個真正的關于什么是通配符概念。最初由Atsushi Igarashi和Mirko Viroli設計的通配符，其靈感來源于Existential類型。事實上，最初的論文中存在一個使用Existential類型的編碼。但后來當實際最終設計在Java中實現(xiàn)時，這種聯(lián)系就減少了一些。所以，現(xiàn)在我們真的不了解這些通配符類型的狀況。
Existential類型已經(jīng)出現(xiàn)許多年了，至今為止大約有20年左右。這種類型可以很簡單地表達信息。例如你有一個類型，也許是list（列表）類型，其中一個列表項的類型你不知道，你只知道它是一些特殊元素類型的列表，但你不知道元素的類型。在Scala中，這就可以表示成一個Existential類型。語法是List[T] forSome { type T }.。這看起來有點繁瑣。這種繁瑣的語法實際上是故意的，因為它產(chǎn)生的Existential類型通常有點難以處理。現(xiàn)在，Scala有了更好的選擇。它并不需要這么多Existential類型，因為我們可以使用包含其他類型成員的類型。
Scala需要Existential類型有3個本質上的理由。首先，我們需要弄清一些Java通配符的意思，Existential類型就是我們所理解的意思。其次，我們需要弄清一些Java raw（原始）類型的意思，因為它們仍處于類庫中，是ungenerified（非屬性的）類型。如果你使用一個Java原始類型，如java.util.List，這是一個列表，你不知道列表元素的類型。在Scala中這可以被表示成一個Existential類型。最后，我們需要使用Existential類型來解釋在虛擬機上發(fā)生著什么事情。Scala像Java一樣，使用泛型擦除模式，所以當程序運行時，我們不再能看到類型參數(shù)。為了能與Java互用，我們需要進行擦除操作。但是，當我們做映射或想要表示時，在虛擬機上會發(fā)生什么事情？我們需要能夠表達虛擬機在使用Scala中的類型時做了什么事情，Existential類型讓我們做到了這一點。Existential類型可以讓你在不了解類型中某些方面的情況下使用它們。
Bill Venners：您能舉一個具體的例子嗎？
Martin Odersky：以Scala lists（列表）為例。我希望能夠描述方法的返回類型，head，它會返回列表第一個元素（頭一個）。在VM水平，這是一個List[T] forSome { type T }。我們不知道T是什么。Existential類型理論告訴我們，這是一個適合某個類型T的T。這相當于根類型——對象。因此，我們從head方法得到這個類型。因此在Scala中，當我們知道某個類型時，我們可以消除這些Existential限制。當我們不知道某個類型時，我們就可以使用Existential，Existential類型理論就是在這里給予我們幫助。
Bill Venners：如果您沒有必要擔心與Java通配符、原始類型和擦除的兼容性，還會添加Existential類型嗎？如果Java擁有具體化的類型，沒有原始類型和通配符，那么Scala還會有Existential類型嗎？
Martin Odersky：如果Java擁有具體化的類型，沒有原始類型和通配符，我認為Existential類型的使用量就沒那么大了，那么我會考慮Scala不使用它。
可變性
Bill Venners：在Scala中，是在定義類的時候定義可變性（variance），而在Java中，是在使用通配符的地方定義它。您能否談談這一差異？
Martin Odersky：由于我們可以在Scala中使用Existential類型建模通配符，實際上如果你想，你也可以在Java中做同樣的事情。但是，我們不鼓勵你這么做，而是建議使用定義地點可變性（definition site variance）來代替。這是為什么？首先，什么是定義地點可變性？當你定義一個帶有一個類型參數(shù)的類時，例如List[T]，這就帶來了一個問題。如果你有一個蘋果列表，那么它同樣也是一個水果列表嗎？你會說，當然是的。如果蘋果是水果的一個子類型，那么List[Apple]應該是List[Fruit]的一個子類型。這種子類型關系被稱為協(xié)變（covariance）。但在某些情況下，這種關系并不有效。如果我有一個變量，變量可以保存一個蘋果，可以保存蘋果類型的一個引用。但，這不是水果類型的一個引用，因為我不能分配任何其它水果給這個變量，它只能是一個蘋果。所以，你可以看到，有些情況下我們應該有子類型，而有些情況下，子類型就不應該有。
Scala的解決方案是注釋類型參數(shù)。如果List在T上是協(xié)變的，我們就可以寫成List[+T]。這將意味著Lists在T上是協(xié)變的。當然這存在一些附屬條件。例如，只有當沒有人改變List的情況下，我們才可以這么做，否則我們將遇到使用引用時遇到的同樣問題。
在Scala中會發(fā)生什么事，這是程序員說的，我認為Lists應該是協(xié)變的，這意味著尊重子類型關系。然后，程序員將會在聲明的地方，用一個加號修飾類型參數(shù)T，針對所有使用的List只修飾一次。然后編譯器將去找出是否List內的所有定義都與其一致。如果存在某些與協(xié)變不符的地方，Scala編譯器將會提示錯誤。Scala擁有一系列的技術來處理這些錯誤，一個有能力的Scala程序員將會很快注意到這些錯誤，并應用這些技術，最終生成一個錯誤處理類。使用者就不必再去顧慮這些錯誤了。他們只需知道如果我有一個List，我就可以在任何地方協(xié)變地使用它。因此，這意味著只有一個人在寫list類，只有他需要考慮有點難度的問題，但這也不至于太糟糕，因為編譯器會用錯誤提示幫助他。
相比之下，Java帶有通配符的方法意味著在類中你什么都做不了。你只是寫List﹤T>。然后，如果用戶想要一個協(xié)變list，他們不寫List﹤Fruit>，而是寫List﹤? extends Fruit>。所以這是一個通配符。問題是，這是用戶代碼。這些用戶通常都沒有類庫設計人員那么專業(yè)。此外，這些注釋間一個單一的不匹配將會帶來類型錯誤。因此，難怪你會得到大量與通配符有關的非常棘手的錯誤信息，我認為這是Java泛型最重要的罪魁禍首。因為這種通配符的方法對于普通人來說確實是太復雜、太難于處理。
可變性是當你結合泛型和子類型時非常重要的東西，但它也很復雜。沒有辦法能完全讓它變成一件小事。我們做的比Java好的地方是，可以讓你只在類庫中做一次，使得用戶不需要考慮和處理它。
抽象類
Bill Venners：在Scala中，一個類型可以是另一個類型的成員，就如同方法和域可以是一個類型的成員。在Scala中，這些類型成員可以是抽象的，就如同在Java中方法可以抽象。在抽象類型成員和泛型參數(shù)之間是否存在重疊？為什么Scala兩者都包含？抽象類型具有哪些泛型所不具有的功能？
Martin Odersky：抽象類型確實具有一些泛型所不具有的功能，但首先讓我陳述一個稍微普遍的原理。一直都存在兩個抽象概念：參數(shù)和抽象成員。在Java中，兩者都有，但它取決于你在抽象什么。在Java中你可以有抽象方法，但你不能把方法作為參數(shù)傳遞。你并不擁有抽象域，但可以傳值作為參數(shù)。同樣，你沒有抽象類型成員，但你可以指定一種類型作為參數(shù)。因此，在Java中你可以有以上3種方式，但使用什么抽象原則是有區(qū)別的。你可以爭辯說，這種區(qū)別是相當武斷的。
我們在Scala中所做的是力求更全面和垂直。我們決定對以上所有3種成員都采用同樣的構造原則。所以，你可以有抽象域，也可以有值參數(shù)。你可以傳遞方法（或“函數(shù)”）作為參數(shù)，或者也可以抽象它們。您可以指定類型作為參數(shù)，或者也可以抽象它們。我們概念性地得到的是，我們可以按照其它的建模另一個。至少在原則上，我們可以表達各種參數(shù)為一種面向對象的抽象。因此，在某種意義上可以說Scala是一種更垂直、更全面的語言。
現(xiàn)在，問題仍然存在，這能給你帶來什么好處？抽象類型是對以上我們談到的問題的很好的處理，一個已經(jīng)存在了很長一段時間的標準問題是動物和食物。讓人不解的是，有個動物類，帶有一個吃一些食物的方法。問題是，如果我們建立一個動物類的子類，如牛，那么它們將只吃草，而不是任意食物。例如，牛不會吃魚。你真正想要的是一個牛類，帶有一個只吃草而不吃其它東西的方法。實際上，在Java中你不能這樣做，如像前面提到的分配一個任意的水果給蘋果變量的問題。
問題是，你怎么辦？答案是，你為動物類添加一個抽象類型。你說，新的動物類中含有一個SuitableFood（適當食物）的類型，這我不知道。因此這是一個抽象類型。你并不給出類型實現(xiàn)。然后，你就可以有一個吃的方法，只吃適當?shù)氖澄铩Ｈ缓笤谂ｎ愔校視f，好吧，我有一個牛類，它繼承于動物類，并且對于牛類型來說，適當?shù)氖澄锞褪遣荨Ｒ虼耍谧宇愔芯涂梢詫崿F(xiàn)這些抽象。
現(xiàn)在，你可以說，我可以用參數(shù)完成同樣的事情。事實上，你確實可以。你可以給動物類添加參數(shù)，參數(shù)為各種所吃的食物。但在實踐中，當你要完成很多事情的時候，這就導致了參數(shù)爆炸，而且通常更重要的是，參數(shù)的范圍。在1998年的ECOOP ，Kim Bruce, Phil Wadler和我一起發(fā)過一個文章，我們指出，隨著你增加你所不知道的東西的數(shù)量，典型的程序將會以2次方程式的數(shù)量增加。因此，我們有理由盡量不用參數(shù)，而是使用抽象成員。
適應新的語法
Bill Venners：當人們隨機查看Scala代碼時，我認為有兩件事可以使它看上去有點神秘。一個是DSL是他們不熟悉的，就像是解析器或XML類庫。另一個是類型系統(tǒng)的各種各樣的表達式，特別是表達式的聯(lián)合。Scala程序員如何能掌握這樣的語法？
Martin Odersky：當然這里存在很多新東西，必須進行學習和吸收。因此，這將花費一些時間。我相信我們需要繼續(xù)努力研究的一件事是更好的工具支持。現(xiàn)在，當你獲得類型錯誤時，我們試圖給你一個不錯的錯誤信息。有時候，錯誤信息有很多行，能夠解釋得更好。我們盡力做好，但我認為如果我們能有更好的交互性，我們將可以做的更好。
試想一下，如果有一個動態(tài)類型語言，對于一個錯誤信息，只有3到4行的錯誤提示。可能不會有調試器，不會有堆棧跟蹤，只有3到4行提示信息，如“空指針廢棄，”也許會有發(fā)生錯誤的行號。在這種情況下，我不認為動態(tài)語言會是非常受歡迎的。當然，這不是真實發(fā)生的事情。實際上，你擁有一個調試器，可以讓你快速找到錯誤根源。
對于類型，我們還沒有這些設施。我們所有的只是一些錯誤信息。如果你有一個非常豐富和富有表現(xiàn)力的類型系統(tǒng)，它需要更多的知識來理解這些錯誤信息，你想要更多幫助。因此，在未來我們要研究的一件事是，我們是否能夠真正給你一個更具有互動性的環(huán)境，例如，如果類型出現(xiàn)問題，你可以找出錯誤原因。例如，如何讓編譯器指出這個表達式的類型應該是這個，以及它為什么不認為這個類型符合其它預期類型。你可以交互式探索這些東西。如果這樣，我想，由于類型所導致的錯誤將能夠更容易被發(fā)現(xiàn)。
另一方面，一些語法很新，需要一段時間的適應。這也許是我們無法避免的。我們只希望在今后兩三年內，人們將能夠完全熟悉這些類型。其他的一些主流語言在剛推出時也遇到過類似問題。我非常清楚地記得，當異常捕獲語句剛出現(xiàn)時，人們就覺得它很奇怪，花了很長時間來適應。當然，現(xiàn)在每個人都認為這是很自然的。Scala也面臨這樣的問題，尤其是在類型方面，還需要人們漸漸去適應。
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