iOS 编程中的 Type System

   <p>Type System 是另一项编程语言，或者说编译器所提供的便利。Pattern Matching 可以让我们少写代码，而 Type System 可以让我们少犯错误，减少 Type 相关的各种 bug。</p>    <p>一般来说，我们写代码时为了降低 bug 率，一是依赖于程序员自身的经验积累，二是靠编译器做各种静态检查，type system 则是属于静态检查这一类。Swift 较之 Objective C 的 type system 有了很大的改进，下面文章中主要是介绍 Swift 相关的一些特性。在开始之前，先聊下如何靠程序员经验来降低 bug。</p>    <h3>Bug 第六感</h3>    <p>从我自身的体验推断，我相信大部分程序员在写代码的时候，对于代码是否存在 bug 是有一定感知的。只不过有些新入行的朋友，在写代码的时候操之过急，或者由于和产品经理讨论吃了败仗心情不佳，coding 时目标变成了写能 work 的代码，而不是写高质量的代码。</p>    <p>非死book 面试有一个环节叫 whiteboard coding，要求程序员能在白板上写出几乎是 「bug free」的代码，这听起来有点耸人听闻，写代码没有 Xcode 提示就罢了，bug free 更是难上加难了。写一段几乎没有 bug 的代码到底有多难呢？说难不难，说易不易。</p>    <p>写代码时，慢一点，再慢一点。好好的想下代码有可能出错的地方在哪，想清楚了 bug 就少。一般来说，要减少 bug 量，一是靠程序员自身修养，二是靠编译器提供的静态检查。Type System 属于第二类，在深入之前，先简单聊下如何靠自身修养降低 bug 率，提升 bug 感知的第六感。</p>    <h3>少写 Bug 的简易准则</h3>    <p>要提升程序员的自身修养来降低 bug 率，是个大话题，而且多和自身的知识积累有关，需要长年累月的学习和养成。本文的目的不在于此，所以只介绍一个小技巧来养成感知 bug 的好习惯。</p>    <p>我们可以粗略的将我们所写代码分为 data 和 behavior，behavior 围绕 data 执行各种逻辑。一个函数可以看做是一个 behavior，而函数本身又由若干 data 和 behavior 所构成。很多时候，代码有 bug，是因为 data 出现了预料之外的变化。有一个简易准则可以减少这类 bug：只要遇到 data，就做 aggressive check。</p>    <p>具体到一个自定义的函数，函数会包含哪些 data 呢？细心理一理没几个。 - 函数入参 - 内部临时变量 - 依赖的外部变量 - 返回的最终结果</p>    <p>这几类 data 是我们在一个函数中最经常遇到的，只要我们对他们做好检查就可保平安。做哪些检查呢？最常见的也就那么几样，比如是否为 0，为 nil，数组元素 count 为 0，如果期待正数则是否为负数，数组是否越界，多线程是否安全等。做下总结就可以完成大部分的可靠性检查。简而言之，只要是使用 data 的时候，就围绕 data 做好应该的检查，做到这点，写一个几乎没有 bug 的函数就不怎么难了。</p>    <p>这个原则更精准的表达是： 在任何场景下，无论是定义变量还是使用变量，都对变量的各种可能性做检查和保护 。</p>    <h3>Type System</h3>    <p>回到我们的正题 Type System，Type System 是由编程语言和 type 相关的各种规则所构成。它的用处也简单，可以帮助我们减少和 type 相关的 bug。</p>    <p>编程语言大多都有自己的 Type System，Objective C 和 Swift 都有。在开始讨论 Type System 之前，要明确 Type 的定义。</p>    <p>Type 就像自然语言里的名词，动词，介词等等，可以规范我们的表达。在编程语言中，type 则是一种避免代码表达错误的约束。Type 不仅仅包括诸如 int，float，bool 这类 primitive type，对象的 class type，还包括 function，block 等不那么明显的 type。变量，常量，函数等等都（且一定）具备 type 信息，有些一眼能看出，有些要靠推断。</p>    <h3>Static vs Dynamic</h3>    <p>有些 type 信息是交由程序员去推断和维护的，有些则是留给编译器去管理的。前者的 type 约束是在 runtime 检查的，偏向「dynamic」，后者则在 compile 的时候就做了 check，偏向「static」。</p>    <p>很多技术文章都会讨论编程语言的 dynamic 和 static 属性，我们要分清楚 dynamic 和 static 其实是个宽泛的说法，他们可能包含不同的语义和场景。dynamic 和 static 既可以用来讨论 type system，又可以用来形容函数调用机制。比如我们认为 Swift 是 statically typed，但 Objective C 的 runtime 和 message 机制又显然是 dynamic 的，这两种场景下 static 和 dynamic 说的其实不是一回事。</p>    <p>回到 type system 的场景，讨论下语言是 statically typed 还是 dynamically typed。还是要进一步看场景，在 Objective C 中，type 信息既可以是 static 的，也可以是 dynamic 的，看我们如何使用了，比如下面的代码中 type 信息是 static 的： objc int i = 0; i = @“test”; //compile warning 因为 type 的上下文信息是完整的，编译器可以做类型判断。而如下代码中 type 信息则是 dynamic 的： objc id obj = [NSData new]; obj = [NSObject new]; 由于 id 可以指向任意对象类型，id 可以在不同的时间点里指向不同的类型，编译器此时无法根据类型信息作出判断，是否存在类型使用错误的。所以我们会说像 Objective C 这类编程语言在 type system 上，是同时具备 static 和 dynamic 属性的，关键还是看具体的使用场景。</p>    <p>但 Swift 却是货真价实的，纯粹的 statically typed 编程语言，不具备任何 dynamically typed 的属性。比如在 Swift 中，如下代码是无法通过编译的： swift var i 编译器会提示：Type annotation missing in pattern，也就是缺少 type 信息。要声明一个变量，我们可以通过如下两种方式来提供 type 信息： swift var i = 0 //方式一，implicit typing var i: Int //方式二，explicit typing 方式一是通过赋值来做 type inference，方式二是通过显式的提供 type 信息。Swift 在 type 的使用上非常苛刻，当之无愧为 statically typed。</p>    <p>显然，static type 比 dynamic type 更安全，编译器可以帮我们做类型检查，这也是为什么 Swift 比 Objective C 在 type safety 上更优秀的原因。当然，dynamic type 并非全无好处，初期开发起来速度会快于 static type，而且省去了编译时的 type 检查，每次编译速度更快。缺点是一旦出现 runtime 中的类型错误，要花更多的时间去调试，要写更多的 test case，准备更多的文档。这种缺陷在较大规模的项目上会更明显，Swift 选择 static type 策略应该也有这方面的考虑。</p>    <h3>Type Inference</h3>    <p>类型推断（type inference）也是 type system 当中的一个常见概念。不少编程语言比如 Swift 都有 type inference 的功能。type inference 有什么用处呢？statically typed 的编程语言决定了变量都必须具备类型信息，意味着我们每次使用变量的时候都需要显式的声明 type 信息，比如在 Objective C中，这样会显得有些繁琐和啰嗦，一旦有了 type inference，我们可以在代码中省略掉很多关于 type 累赘的表述。我们看如下代码： swift var i = 0 这行代码中，有两个实体有 type 信息，变量 i 和常量 0，0 默认的 type 信息是 int，i 的 type 信息没有显示的声明出来，但在 Swift 中，由于 0 被赋值给了 i，所以可以通过 type inference 推断出 i 的 type 信息也是 int。这种类型推断会发生在很多程序员意识不到的角落，这种具备传染特性的 type 信息可以层层叠叠，一级一级的输送到更多的其他变量实体。编译器就是通过这种传染的特性来做 type inference 的。</p>    <p>在 Swift 中，type inference 配合 static type 让代码既精炼又安全。</p>    <h3>Optional Type</h3>    <p>前面提到 type 信息本质上是一种约束，可以避免 type 的使用错误。我们在编写代码时，经常遇到的一种 bug 是对于空对象或者说对象为 nil 情况，漏写了为空的判断。Swift 通过引入 optional type 来强制开发者考虑 nil 的场景，更妙的是，当「是否为 nil 」成为 type 信息之后，编译器也可以一起来帮助检查 nil 的使用场景。看下 optional type 的定义就一清二楚了： swift public enum Optional<Wrapped> { case none case some(Wrapped) } 通过 enum type 来定义 optional type，以表达是否为 nil 的含义。这也是 Swift 为什么要引入 optional type 的根本原因，让编译器以类型检查的方式，来帮助开发者分析是否存在漏判 nil 的场景。</p>    <h3>Generic Type</h3>    <p>再次强调下，type 本质上是一种约束。当我们定义 int i 时，int 就成为了变量 i 的一种约束。我们可以把这种约束进一步强化，比如引入 generic type（泛型）。generic type 有两个主要特性，其一是允许开发者在后期再指定 type 的值，其二是可以把 type 约束施加到指定的代码范围里。理解这两个特性，是我们掌握 generic type 各种表现形式的基础。</p>    <p>generic type 可以让我们写出更加符合 type safety 的代码，Objective C 和 Swift 都支持定义 generic type，只不过 Swift 中 generic 的概念更加广泛，应用面也大很多，在一些显式的和隐式的地方都存在 generic 的身影。比如前面提到的 optional，其实也是个 generic type。</p>    <p>generic 可以作用于很多其他的复杂 type，比如 optional 就是 generic 作用于 enum 的结果，除了 enum 之外，还有 struct，class，function 等都可以和 generic 搭配使用。我们再看一个 Swift 自带的例子，Array： swift public struct Array<Element> : RandomAccessCollection, MutableCollection { ... public mutating func popLast() -> Element? ... } 只需要在 struct 名字后面以 的形式，就可以在 struct 的作用域内部声明一个新的 xxx type（xxx 在 Array 的 extension 中也是可见的），xxx 可以在使用时再确定具体指代什么 type。使用 Array 的时候，我们也不必显示的指明 xxx 代表什么，可以依赖前面提到的 type inference： ```swift var arr = [Date()] arr.append(UILabel()) //compile error ``` 上面第二行会报错，这是 Swift 和 Objective C 的差异之处，在 Objective C 中，我们可以在 Array 中放入不同类型的对象，而在 Swift 中，一旦 Array 中的元素类型被 type inference 确定，就不能放入其他类型的对象了。generic type 和 type inference 配合的场景在 Swift 当中经常出现。</p>    <h3>Named Type vs Compound Type</h3>    <p>named type 指的是我们传统意义上所理解的 data type，例如 int，float，string，自定义的 class 等等。在 Swift 中，设计者引入了 compound type 的概念，可以把 compound type 理解成 named type 的某种集合，比如 function 和 tuple，他们往往都包含多个 named type。</p>    <p>我们知道在 Swift 中，function 是一等公民，可以作为变量声明，参数，返回值等等，要理解并运用这一点，需要在思维上做转换，把 function 也看做一种 data type（compound type），在原先使用 named type 的位置，我们几乎都可以使用 compound type。</p>    <p>compound type 增强了语言的表达力，但其灵活性在一些场景下，也会一定程度的降低代码的可阅读性。compound type 可以包其他 compound type，可以一层层的套嵌，这种 nested compound type 有时候会让代码看上去没那么直观，比如下面一段 Swift 代码： ```swift func someFunc(f: (Int)->(Int, ()->(Int))) {</p>    <p>} ``` 上面的函数里，function 和 tuple 作为 compound type 存在套嵌，代码本身虽然不长，要一眼把其中包含的 type 都识别出来不那么容易。compound type 的使用可能是不少从 Objective C 转向 Swift 的同学初期感觉难以适应的原因之一。</p>    <h3>总结</h3>    <p>上述所提到的概念都是和 type system 相关的基础知识，虽然基础，却十分重要。对 type system 建立完整全面的认识，多利用语言本身的 type 制约来避免 bug，可以让我们对自己代码的安全性有更好的把握，对于代码质量的提升也有极大的帮助。</p>    <p> </p>    <p> </p>    <p>来自：http://mrpeak.cn/blog/type-system/</p>    <p> </p>