現代程式語言系列1：靜態型別趨勢

靜態型別是現代語言的發展趨勢之一。近年來，不僅有很多靜態型別的現代語言興起，還有不少動態型別語言也在引入靜態型別支援。

下面我們就來看下為何靜態型別會如此受到現代語言的青睞。

靜態型別的優勢

與動態型別相比，靜態型別有如下優勢：

更佳的效能

靜態型別有利於編譯器優化，生成效率更高的程式碼。型別資訊不僅有助於編譯型靜態型別語言編譯，對於一些具有 JIT 的動態型別語言同樣有積極意義，如減少 JIT 開銷、提供更多優化資訊等。

及早發現錯誤

在動態型別程式碼中，型別不匹配的錯誤需要在執行期才能發現。而在在靜態型別程式碼中，可將這類錯誤的發現提前至編譯期，甚至在 IDE 的輔助下還可以更進一步提前至編碼期。

讓我們先看一個靜態型別語言的例子，這是一段 Kotlin 程式碼：

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

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

如果把上面程式碼貼上在普通文字編輯器中並儲存，然後編譯會得到以下錯誤：

即上述程式碼中的型別不匹配錯誤可在編譯期發現。 而如果在 IntelliJ IDEA 中手動輸入這些程式碼的話，當輸入完第二行的時候，就會得到以下錯誤提示：

也就是說，通過 IDEA 的輔助，可以在編碼期捕獲到型別不匹配的錯誤。

接下來我們再看一個動態型別語言的例子，以 Python 3 為例對比下引入靜態型別支援前後的差異：

def plus_five(num):
    return num + 5

plus_five("Hello")

在 PyCharm 中，這段程式碼可以正常鍵入沒有任何錯誤提示，只是執行時會出現以下報錯：

現在，我們加上型別標註再試一次：

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

plus_five("Hello")

當輸入完 plus_five("Hello") 就能在 PyCharm 中得到以下錯誤提示：

可以看出，即使在 Python 3 這樣的動態型別語言中，也能通過靜態型別（型別標註）與 IDE 輔助成功地將原本要在執行時才能發現的型別不匹配的錯誤，提前到編碼階段發現。

更好的工具支援

靜態型別能為 IDE 智慧補全、重構以及其他靜態分析提供良好支援。我們看個 Python 3 程式碼智慧補全的例子：

hello = "Hello world"


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

print(to_constant_name(hello))

如果順序鍵入程式碼，當寫到 return s. 時，即便是 PyCharm 這樣智慧的 IDE 也無法自動列出型別 str 的成員。但如果加上型別標註，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))

當鍵入到 s.u 的時候 PyCharm 就會彈出下圖的選單，按 Tab 即可完成補全：

之後的 .replace() 與之類似。

易於理解

程式碼中有函式引數型別、返回值型別、變數型別以及泛型約束這些型別資訊作為輔助，能讓生疏的程式碼更易於理解。這在接手新專案、閱讀開原始碼以及程式碼評審實踐中都能帶來很多便利。

小結

靜態型別能夠提升程式的效能、健壯性、程式碼質量與可維護性。因此，很多現代的動態型別語言都引入了對靜態型別的支援。

動態型別語言中的靜態型別支援

Python 的型別提示

Python 的型別標註稱為型別提示（Type hint）。在上文中我們已經看到，藉助 IDE，它能夠獲得靜態型別的幾點優勢。但是這些資訊只用於工具檢查，Python 執行時自身並不會對型別提示做校驗，是名副其實的“提示”。例如下述程式碼能夠正常執行：

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

print_int("Hello")

這段程式碼中宣告瞭一個輸出整數的函式 print_int，函式型別提示指出該函式只接受整數，但當我們傳給它一個字串的時候，它一樣能夠正常輸出。

Julia 的型別標註

Julia 是定位於科學計算、資料統計等數值計算領域的現代語言，旨在取代 Matlab、R、Python、Fortran 等在該領域的地位。 與 Python 3 不同，Julia 會針對型別標註做執行時校驗，同樣以一個只輸出整數的函式為例：

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

如果給該函式傳一個整型引數，它能夠正常輸出。而如果傳入其他型別的引數，它會報錯：

對於解釋執行也會得到類似的錯誤資訊。除此之外 Julia 還會（在 JIT 中）利用型別資訊進行效能優化以及函式過載，作為專業的數值計算語言，這兩點對 Julia 尤為重要。

Hack 的嚴格模式

Hack 是 Facebook 開源的一門動態語言，保留了對 PHP 的良好相容性的同時，引入了對靜態型別的支援。與 Python 3、Julia 類似，Hack 同樣支援型別標註。不同的是 Hack 的執行時 HHVM 對於以 <?hh 開頭 Hack 語言檔案（HHVM 也支援以 <?php 開頭的 PHP 語言檔案）會要求首先執行型別檢查工具，以便在執行前發現問題。繼續以輸出整數的程式碼為例，Hack 程式碼需要用嚴格模式才能檢測出問題。

Hack 語言的嚴格模式不允許呼叫傳統 PHP 程式碼或非嚴格 Hack 程式碼，要求所有程式碼進行型別標註，並且除了 require 語句、函式與類宣告之外不允許有其他頂層程式碼。因此輸出整數的 Hack 程式碼需要分成兩個檔案來寫：

a.hh —— 嚴格模式程式碼，以 <?hh // strict 開頭

<?hh // strict

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

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

b.hh —— 非嚴格模式，可以在頂層呼叫嚴格模式程式碼，用於執行 main 函式。

<?hh

main();

上述程式碼，在執行型別檢查工具時，會報以下錯誤：

當然，檢查過後就可以執行相應程式碼了。雖然檢查到了錯誤，仍然可以忽略之繼續任性執行。執行同樣會報執行時錯誤：

sh-4.2$ hhvm b.hh

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

Hack 的檢查工具還能做型別檢查之外一些其他靜態分析。與 Julia 類似，HHVM 也會在 JIT 中利用型別資訊來改善效能。

Groovy 的混合型別

Groovy 是同時支援動態型別與靜態型別的動態語言。如果說 Hack 相當於在動態型別語言 PHP 的基礎上引入了靜態型別，那麼 Groovy 正好相反，它相當於在靜態型別語言 Java 的基礎上引入了動態型別。

雖然 Groovy 支援動態型別、在實踐中廣泛應用並且也帶來了很多便利，不過仍然有很多場景它推薦使用靜態型別，比如類成員宣告等。另外 Groovy 程式也可以編譯後執行，並且可以在編譯期做型別檢查。同樣以輸出整數的函式為例：

import groovy.transform.TypeChecked

def print_int(int i) {
    print i
}

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

main()

無論編譯或者直接執行都會報這個錯：

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，混合型別語言還有 Dart、Perl 6 等；在動態型別語言裡基礎上引入靜態型別的還有著名的 TypeScript 語言，以及一堆帶有 Typed 字首的語言，如 Typed Racket、Typed Clojure、Type Scheme、Typed Lua 等等。可見靜態型別對於動態型別語言也是一個重要補充。

動態型別的出發點主要是省卻型別宣告讓程式碼更簡潔、編碼更便利，另外還能讓同樣的程式碼可適用於多種不同型別（鴨子型別）。相比之下傳統的 C、Java 以及傳統 C++ 等靜態型別語言卻很麻煩，需要寫不少樣板程式碼。而這些問題在現代靜態型別語言中已經有明顯改善，它們能夠提供近乎動態型別語言的簡潔便利性的同時，還能確保效能、型別安全以及良好的工具支援。接下來我們就看下靜態語言的改善之處吧。

靜態型別的便利性改善

REPL

通常靜態型別語言都是編譯型語言，編譯構建是靜態型別語言相對動態型別語言比較麻煩的問題之一，尤其是需要只寫幾行程式碼試驗效果的時候。現代靜態型別語言為這一場景提供了互動式程式設計環境，即 REPL（Read-Eval-Print Loop），這在小段程式碼測試或者實驗驅動開發中非常有用。下表列舉了一些現代靜態型別語言的 REPL，其中粗體表示官方提供。

1: 現代 C++，即 C++ 11 及其後版本（如 C++14、C++17 等）的 C++。

型別推斷

與 C 語言以及傳統的 C++/Java 不同，（包括現代 C++ 在內的）現代的靜態型別語言可以在很多地方省卻顯式型別標註，編譯器能夠從相應的上下文來推斷出變數/表示式的型別，這一機制稱為型別推斷（type inference）。靜態型別語言的這一機制讓變數宣告像動態型別語言一樣簡潔，例如：

// Kotlin 或 Scala 程式碼
val pi = 3.14159 // 推斷為 Double
val hello = "Hello" // 推斷為 String
val one = 1L // 推斷為 Long
val half = 0.5f // 推斷為 Float

在 Scala REPL 中執行的截圖如下：

上述變數都是直接以字面值為初值，因此字面值的型別即是變數型別。當然變數的初值還可以是表示式：

// Kotlin 或 Scala 程式碼
val a = "Hello".length + 1.5 // 推斷為 Double

當型別推斷結果與預期不符時可以顯式標註：

// Kotlin 或 Scala 程式碼
val a = 97 // 推斷為 Int
val b: Byte = 97
val c: Short = 97

上述簡單字面值以及表示式的型別推斷結果在 Kotlin、Scala、Swift、Rust、F# 以及現代 C++ 中都是具體型別。不過在 Haskell 中會與它們有所不同，我們在 GHCi 中看兩個示例：

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

上述 one 的型別為 Num t => t，這不是一個具體型別，而是泛型。在 Haskell 中 Num 不是具體型別，而是型別類。Haskell 型別類相當於 Rust 的 Trait 或者 Swift 的協議，也可以近似理解為 Scala 的特質或者 Java 的介面。one 的型別如果要在 Java 中表示，大約是這樣的 <t: Num>。在 Haskell 中整數和小數都是 Num 的例項（繼續與 Java 類比，可以理解為實現了 Num 介面），而數字字面值 1 在 Haskell 中既可以做整數也可以做小數，因此推斷為泛型的數字型別實際上更準確、更智慧。

half 與 one 類似，它被推斷為一個泛型型別 t，t 是 Fractional 的一個例項。即它被推斷為一個小數，在 Haskell 中有理數和浮點數都是小數的例項，而 0.5 即可以作為有理數也可以作為浮點數。

Haskell 不僅對字面值的推斷會更智慧，對複雜表示式的推斷也能更智慧一些。例如以下這個除以 5 的函式定義：

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

Haskell 能夠根據運算子 / 將引數 x 和 divBy5 的返回值都推斷為小數，因為 / 接受的引數和返回值都是小數。

Scala 對一些表示式的型別推斷也能夠更智慧一些，例如：

trait I
class A extends I
class B extends I

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

上面的變數 v 會被推斷為型別 I，這是因為 if 表示式兩個分支分別返回型別 A 和型別 B，因此 v 必須既能接受 A 型別也能接受 B 型別，於是 Scala 將其推斷為二者的公共超型別 I。

泛型

與動態型別語言相比，靜態型別語言通常缺少對鴨子型別的支援。靜態型別語言通過泛型來解決這一問題，因此現代靜態型別語言都支援泛型。 例如實現一個交換兩個可變變數值的通用函式，以 Swift 為例：

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

其中 T 為泛型引數，代表任意型別，但 a 與 b 需要是相同型別。這樣 swap 就能用於交換任何型別的兩個可變變數的值了。

我們再看一個例子，實現一個函式，它接受兩個同樣型別的引數，返回二者中的最大值（也就是說返回值型別與兩個引數型別均相同），以 Rust 為例，程式碼如下：

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

對於任何實現了 Ord 的型別（這樣才能比大小）T 都可用使用這個泛型函式 max2 來求兩個值中的最大值。Swift、Kotlin 的泛型語法與之相近，只是在 Kotlin 中可以更簡潔一些：

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

而在 F# 或者 Haskell 中只需這樣寫即可：

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

與 Rust、Kotlin 等顯著不同的是，F#/Haskell 的這段程式碼並沒有顯式標註泛型。因為 F#/Haskell 能夠通過 < 自動推斷出 a、b 以及返回值具有可比較的泛型約束（comparison/Ord）。F#/Haskell 強大的型別推斷能力讓這段程式碼看起來如同動態語言一樣簡潔。

在 F# 中還可以用成員函式/屬性作為泛型約束，可以說是型別安全的鴨子型別：

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;;

只是其語法上有些囉嗦。

綜述

靜態型別具有很多優勢，對於動態型別語言同樣有積極意義。 現代靜態型別語言在不斷改進其簡潔性與便利性，與動態型別語言的差距在縮小，因此更加親民，近年來有很多現代靜態型別語言興起與流行。 另外由於靜態型別的優勢，很多動態型別語言也在引入靜態型別支援。可見靜態型別是現代語言發展的一個趨勢。

本文也發在我的個人部落格上：https://hltj.me/lang/2017/08/01/morden-lang-static-type.html。