现代编程语言系列1：静态类型趋势

静态类型是现代语言的发展趋势之一。近年来，不仅有很多静态类型的现代语言兴起，还有不少动态类型语言也在引入静态类型支持。

下面我们就来看下为何静态类型会如此受到现代语言的青睐。

静态类型的优势

与动态类型相比，静态类型有如下优势：

更佳的性能

静态类型有利于编译器优化，生成效率更高的代码。类型信息不仅有助于编译型静态类型语言编译，对于一些具有 JIT 的动态类型语言同样有积极意义，如减少 JIT 开销、提供更多优化信息等。

及早发现错误

在动态类型代码中，类型不匹配的错误需要在运行期才能发现。而在在静态类型代码中，可将这类错误的发现提前至编译期，甚至在 IDE 的辅助下还可以更进一步提前至编码期。

让我们先看一个静态类型语言的例子，这是一段 Kotlin 代码：

val hello = "Hello world"
val result = hello / 2

fun main(args: Array<String>) {
    println(result)
}

如果把上面代码粘贴在普通文本编辑器中并保存，然后编译会得到以下错误：

即上述代码中的类型不匹配错误可在编译期发现。 而如果在 IntelliJ IDEA 中手动输入这些代码的话，当输入完第二行的时候，就会得到以下错误提示：

也就是说，通过 IDEA 的辅助，可以在编码期捕获到类型不匹配的错误。

接下来我们再看一个动态类型语言的例子，以 Python 3 为例对比下引入静态类型支持前后的差异：

def plus_five(num):
    return num + 5

plus_five("Hello")

在 PyCharm 中，这段代码可以正常键入没有任何错误提示，只是运行时会出现以下报错：

现在，我们加上类型标注再试一次：

def plus_five(num: int) -> int:
    return num + 5

plus_five("Hello")

当输入完 plus_five("Hello") 就能在 PyCharm 中得到以下错误提示：

可以看出，即使在 Python 3 这样的动态类型语言中，也能通过静态类型（类型标注）与 IDE 辅助成功地将原本要在运行时才能发现的类型不匹配的错误，提前到编码阶段发现。

更好的 工具 支持

静态类型能为 IDE 智能补全、重构以及其他静态分析提供良好支持。我们看个 Python 3 代码智能补全的例子：

hello = "Hello world"


def to_constant_name(s):
    return s.upper().replace(' ', '_')

print(to_constant_name(hello))

如果顺序键入代码，当写到 return s. 时，即便是 PyCharm 这样智能的 IDE 也无法自动列出类型 str 的成员。但如果加上类型标注，情形就完全不同了：

hello = "Hello world"


def to_constant_name(s: str) -> str:
    return s.upper().replace(' ', '_')

print(to_constant_name(hello))

当键入到 s.u 的时候 PyCharm 就会弹出下图的菜单，按 Tab 即可完成补全：

之后的 .replace() 与之类似。

易于理解

代码中有函数参数类型、返回值类型、变量类型以及泛型约束这些类型信息作为辅助，能让生疏的代码更易于理解。这在接手新项目、阅读开源代码以及代码评审实践中都能带来很多便利。

小结

静态类型能够提升程序的性能、健壮性、代码质量与可维护性。因此，很多现代的动态类型语言都引入了对静态类型的支持。

动态类型语言中的静态类型支持

Python 的类型提示

Python 的类型标注称为类型提示（Type hint）。在上文中我们已经看到，借助 IDE，它能够获得静态类型的几点优势。但是这些信息只用于工具检查，Python 运行时自身并不会对类型提示做校验，是名副其实的“提示”。例如下述代码能够正常运行：

def print_int(i: int) -> None:
    print(i)

print_int("Hello")

这段代码中声明了一个输出整数的函数 print_int ，函数类型提示指出该函数只接受整数，但当我们传给它一个字符串的时候，它一样能够正常输出。

Julia 的类型标注

Julia 是定位于科学计算、数据统计等数值计算领域的现代语言，旨在取代 Matlab、R、Python、Fortran 等在该领域的地位。 与 Python 3 不同，Julia 会针对类型标注做运行时校验，同样以一个只输出整数的函数为例：

function print_int(i::Int)::Void
    print(i)
end

如果给该函数传一个整型参数，它能够正常输出。而如果传入其他类型的参数，它会报错：

对于解释执行也会得到类似的错误信息。除此之外 Julia 还会（在 JIT 中）利用类型信息进行性能优化以及函数重载，作为专业的数值计算语言，这两点对 Julia 尤为重要。

Hack 的严格模式

Hack 是 Facebook 开源的一门动态语言，保留了对 PHP 的良好兼容性的同时，引入了对静态类型的支持。与 Python 3、Julia 类似，Hack 同样支持类型标注。不同的是 Hack 的运行时 HHVM 对于以 <?hh 开头 Hack 语言文件（HHVM 也支持以 <?php 开头的 PHP 语言文件）会要求首先运行类型检查工具，以便在运行前发现问题。继续以输出整数的代码为例，Hack 代码需要用严格模式才能检测出问题。

Hack 语言的严格模式不允许调用传统 PHP 代码或非严格 Hack 代码，要求所有代码进行类型标注，并且除了 require 语句、函数与类声明之外不允许有其他顶层代码。因此输出整数的 Hack 代码需要分成两个文件来写：

a.hh —— 严格模式代码，以 <?hh // strict 开头

<?hh // strict

function print_int(int $i): void {
    echo $i;
}

function main(): void {
    print_int(5);
    print_int("hello");
}

b.hh —— 非严格模式，可以在顶层调用严格模式代码，用于执行 main 函数。

<?hh

main();

上述代码，在运行类型检查工具时，会报以下错误：

当然，检查过后就可以运行相应代码了。虽然检查到了错误，仍然可以忽略之继续任性运行。运行同样会报运行时错误：

sh-4.2$ hhvm b.hh

Catchable fatal error: Hack type error: Invalid argument at /tmp/a.hh line 9

Hack 的检查工具还能做类型检查之外一些其他静态分析。与 Julia 类似，HHVM 也会在 JIT 中利用类型信息来改善性能。

Groovy 的混合类型

Groovy 是同时支持动态类型与静态类型的动态语言。如果说 Hack 相当于在动态类型语言 PHP 的基础上引入了静态类型，那么 Groovy 正好相反，它相当于在静态类型语言 Java 的基础上引入了动态类型。

虽然 Groovy 支持动态类型、在实践中广泛应用并且也带来了很多便利，不过仍然有很多场景它推荐使用静态类型，比如类成员声明等。另外 Groovy 程序也可以编译后运行，并且可以在编译期做类型检查。同样以输出整数的函数为例：

import groovy.transform.TypeChecked

def print_int(int i) {
    print i
}

@TypeChecked
def main() {
    print_int(5)
    print_int("hello")
}

main()

无论编译或者直接运行都会报这个错：

org.codehaus.groovy.control.MultipleCompilationErrorsException: startup failed:
demo1.groovy: 10: [Static type checking] - Cannot find matching method demo1#print_int(java.lang.String). Please check if the declared type is right and if the method exists.
 @ line 10, column 5.
       print_int("hello")
       ^

1 error

其他

除此之外，混合类型语言还有 Dart、 Perl 6 等；在动态类型语言里基础上引入静态类型的还有著名的 TypeScript 语言，以及一堆带有 Typed 前缀的语言，如 Typed Racket、Typed Clojure、Type Scheme、Typed Lua 等等。可见静态类型对于动态类型语言也是一个重要补充。

动态类型的出发点主要是省却类型声明让代码更简洁、编码更便利，另外还能让同样的代码可适用于多种不同类型（鸭子类型）。相比之下传统的 C、Java 以及传统 C++ 等静态类型语言却很麻烦，需要写不少样板代码。而这些问题在现代静态类型语言中已经有明显改善，它们能够提供近乎动态类型语言的简洁便利性的同时，还能确保性能、类型安全以及良好的工具支持。接下来我们就看下静态语言的改善之处吧。

静态类型的便利性改善

REPL

通常静态类型语言都是编译型语言，编译构建是静态类型语言相对动态类型语言比较麻烦的问题之一，尤其是需要只写几行代码试验效果的时候。现代静态类型语言为这一场景提供了交互式编程环境，即 REPL（Read-Eval-Print Loop），这在小段代码测试或者实验驱动开发中非常有用。下表列举了一些现代静态类型语言的 REPL，其中 粗体 表示官方提供。

类型推断

与 C 语言以及传统的 C++/Java 不同，（包括现代 C++ 在内的）现代的静态类型语言可以在很多地方省却显式类型标注，编译器能够从相应的上下文来推断出变量/表达式的类型，这一机制称为类型推断（type inference）。静态类型语言的这一机制让变量声明像动态类型语言一样简洁，例如：

// Kotlin 或 Scala 代码
val pi = 3.14159 // 推断为 Double
val hello = "Hello" // 推断为 String
val one = 1L // 推断为 Long
val half = 0.5f // 推断为 Float

在 Scala REPL 中运行的截图如下：

上述变量都是直接以字面值为初值，因此字面值的类型即是变量类型。当然变量的初值还可以是表达式：

// Kotlin 或 Scala 代码
val a = "Hello".length + 1.5 // 推断为 Double

当类型推断结果与预期不符时可以显式标注：

// Kotlin 或 Scala 代码
val a = 97 // 推断为 Int
val b: Byte = 97
val c: Short = 97

上述简单字面值以及表达式的类型推断结果在 Kotlin、Scala、Swift、Rust、F# 以及现代 C++ 中都是具体类型。不过在 Haskell 中会与它们有所不同，我们在 GHCi 中看两个示例：

GHCi, version 8.0.2: http://www.haskell.org/ghc/  :? for help
Prelude> :set +t
Prelude> one = 1
one :: Num t => t
Prelude> half = 0.5
half :: Fractional t => t
Prelude>

上述 one 的类型为 Num t => t ，这不是一个具体类型，而是泛型。在 Haskell 中 Num 不是具体类型，而是类型类。Haskell 类型类相当于 Rust 的 Trait 或者 Swift 的协议，也可以近似理解为 Scala 的特质或者 Java 的接口。 one 的类型如果要在 Java 中表示，大约是这样的 <t: Num> 。在 Haskell 中整数和小数都是 Num 的实例（继续与 Java 类比，可以理解为实现了 Num 接口），而数字字面值 1 在 Haskell 中既可以做整数也可以做小数，因此推断为泛型的数字类型实际上更准确、更智能。

half 与 one 类似，它被推断为一个泛型类型 t ， t 是 Fractional 的一个实例。即它被推断为一个小数，在 Haskell 中有理数和浮点数都是小数的实例，而 0.5 即可以作为有理数也可以作为浮点数。

Haskell 不仅对字面值的推断会更智能，对复杂表达式的推断也能更智能一些。例如以下这个除以 5 的函数定义：

Prelude> divBy5 x = x / 5
divBy5 :: Fractional a => a -> a

Haskell 能够根据运算符 / 将参数 x 和 divBy5 的返回值都推断为小数，因为 / 接受的参数和返回值都是小数。

Scala 对一些表达式的类型推断也能够更智能一些，例如：

trait I
class A extends I
class B extends I

val a = true
val v = if (a) new A else new B

上面的变量 v 会被推断为类型 I ，这是因为 if 表达式两个分支分别返回类型 A 和类型 B ，因此 v 必须既能接受 A 类型也能接受 B 类型，于是 Scala 将其推断为二者的公共超类型 I 。

泛型

与动态类型语言相比，静态类型语言通常缺少对鸭子类型的支持。静态类型语言通过泛型来解决这一问题，因此现代静态类型语言都支持泛型。 例如实现一个交换两个可变变量值的通用函数，以 Swift 为例：

func swap<T>(a: inout T, b: inout T) {
    let tmp = a
    a = b
    b = tmp
}

其中 T 为泛型参数，代表任意类型，但 a 与 b 需要是相同类型。这样 swap 就能用于交换任何类型的两个可变变量的值了。

我们再看一个例子，实现一个函数，它接受两个同样类型的参数，返回二者中的最大值（也就是说返回值类型与两个参数类型均相同），以 Rust 为例，代码如下：

fn max2<T: Ord>(a: T, b: T) -> T {
    if a < b {
        b
    } else {
        a
    }
}

对于任何实现了 Ord 的类型（这样才能比大小） T 都可用使用这个泛型函数 max2 来求两个值中的最大值。Swift、Kotlin 的泛型语法与之相近，只是在 Kotlin 中可以更简洁一些：

fun <T: Comparable<T>> max(a: T, b: T) = if (a > b) a else b

而在 F# 或者 Haskell 中只需这样写即可：

let max' a b = if (a < b) then b else a

与 Rust、Kotlin 等显著不同的是，F#/Haskell 的这段代码并没有显式标注泛型。因为 F#/Haskell 能够通过 < 自动推断出 a 、 b 以及返回值具有可比较的泛型约束（ comparison / Ord ）。F#/Haskell 强大的类型推断能力让这段代码看起来如同动态语言一样简洁。

在 F# 中还可以用成员函数/属性作为泛型约束，可以说是类型安全的鸭子类型：

type A() =
    member this.info = "I'm A.";;

type B() =
    member this.info = "I'm B.";;

let inline printInfo (x: ^T when ^T: (member info: string)) =
  (^T: (member info: string) (x));;

A() |> printInfo;;
B() |> printInfo;;

只是其语法上有些啰嗦。

综述

静态类型是现代语言发展趋势之一，它对于动态类型语言同样很有意义。现代静态类型语言也在改进使用上的便利性与简洁性，缩小与动态类型语言差距。