Система типов в Scala

Что такое тип?

Scala:


                            val x: Int = 1

Java:


                            Integer x = 1;

C#:


                            int i = 1;

Типы в языках

Тип это некоторое ограничение, накладываемое на какое-то значение и на то как это значение может использоваться.


val a: Int = 1

a > 1 // Ок

a == false // ??

val b: Boolean = false

b || true // Ок

b > 1 //??

b.someMethod() //??

Система типов

Система типов в языке - это набор базовых типов, правила и механизмы по описанию новых типов и по применению различных типов.

Виды систем типов

Время проверки правил
- Статические
- Динамические
Строгость правил
- Сильные
- Слабые
Необходимость явного указания типа
- Явные
- Неявные

Виды систем типов

Статическая/динамическая типизация

Статические - те которые осуществляют проверку типов во время компиляции.
Примеры: Java, C#, TypeScript, C/C++, Rust, Scala и др.
Динамические - те которые проверяют непосредственно при работе программы.
Примеры: JavaScript, Python, PHP, Ruby, Perl, Clojure и др.

Виды систем типов

Статическая/динамическая типизация

Деление довольно условно

Статические языки зачастую имеют возможность использовать динамическую типизацию

(scala.Dynamic)

Динамические - прикручивают поверх себя инструменты проводящие статическую проверку кода, в том числе типов

(JavaScript - Flow/TypeScript, Python - PEP 484 introduced type hints)

Отличие в том что закладывалось изначально в язык

Виды систем типов

Слабая/сильная типизация

Еще более условное деление

Определяется тем насколько язык склонен делать допущения при проверке типов

На слабо типизированных языках проще писать (не надо бороться с системой типов)

Однако сложнее писать корректные и безопасные программы

Виды систем типов

Слабая/сильная типизация

Языки использующие сильную типизацию

Java, C#, C++, Scala, Python и др.

Языки использующие слабую типизацию

JavaScript, PHP и др.

Виды систем типов

Явная/неявная типизация

И еще одно условное деление

Определяется тем, что тип новых переменных, функций и аргументов функций нужно задавать явно

Виды систем типов

Явная/неявная типизация

Языки использующие явную типизацию
Java, C#, C++, Scala и др.
Языки использующие неявную типизацию
JavaScrip, PHP и др.

Виды систем типов

Что лучше..?

Виды систем типов

Что лучше?

Большинство программистов считают что в большинстве случаев лучше язык со статической и строгой типизацией при разработке программ

Ниша динамических и/или слабо типизированных языков - небольших и простые приложения (скрипты, примитивные приложения, обучение)

Виды систем типов

Статическая строгая типизация

Проблемы для языка:

Сложный компилятор (дорого, багоемко, неповоротливо)

Долгая компиляция

Проблемы для разработчика:

Нужно описывать типы

Сложнее использовать

Виды систем типов

Статическая строгая типизация

Решение проблем разработчиков в Scala:

Вывод типов чтобы их писать по минимуму

Мощная система типов позволяющая использовать типы легко

(однако создателям библиотек приходиться попотеть)

((также как и создателям языка))

Система типов в Scala

Вывод типов

По простому - там где типы могут быть однозначно просчитаны компилятором - их можно не писать

Система типов в Scala

Вывод типов

Пример:


val x = "Hello world" // val x: String

def someFunction() = 42 // def someFunction(): Int

val y = {
    if(randomBoolean) {
        Cat // наследует Animal
    } else {
        Dog // наследует Animal
    }
}
// val y: Animal

Система типов в Scala

Гибко и удобно использовать систему типов позволяет полиморфизм

Что такое полиморфизм..?

Система типов в Scala

Полиморфизм

Принципиальная возможность для одного и того же кода обрабатывать данные разных типов

Зачастую ставятся определенные условия, которым должны соответствовать типы

В каждом конкретном языке - набор отдельных фич которые дают ту или иную степерь полиморфизма

Полиморфизм

Виды

полиморфизм подтипов

(subtyping | наследование)

параметрический полиморфизм

(generics)

ad-hoc полиморфизм

(перегрузка функций/операторов, авто приведение типов Int -> Long, в scala - implicit conversion, pattern typeclass)

Полиморфизм подтипов

Полифморфизм подтипов - наиболее простой и распространенный

Определены базовые правила работы подтипов

Новые типы задаются через определение новых class/trait

Отношения задаются в основном через наследование

Полиморфизм подтипов

Буква L в SOLID

Liskov Substitution Principle (Принцип подстановки Барбары Лисков)

Полиморфизм подтипов

Liskov Substitution Principle

Формально:

если для некоторого типа A выполняется какое-то правило

foo(A.value) == OK

то тогда для любого типа B, являющегося подтипом типа A

B <: A

также должно выполняться это правило

foo(B.value) == OK

Полиморфизм подтипов

Liskov Substitution Principle



// для обозначения подтипа в Scala используется "<:"
// Subtype <: Supertype

class Animal

class Cat extends Animal
// Cat <: Animal

class Dog extends Animal
// Dog <: Animal

def foo(x: Animal) = ???

foo(new Cat()) // OK if Cat <: Animal

foo(new Dog()) // OK if Dog <: Animal

foo("Hello world") // compile error

Полиморфизм подтипов

Иерархия

Полиморфизм подтипов

Any - надтип (supertype) всех типов в Scala

Использование:


def foo(x: Any) = ???

val a = if (randomBoolean) {
            "Hello world"
        } else {
            42
        }

// val a: Any - Почему..?

Полиморфизм подтипов

AnyVal - тип оберток над значениями

Компилятор с такими типами обходится по особенному - стремится оптимизировать так, чтобы обертка не создавала реальный объект в памяти

Использование:

примитивы - Int, Long, Double, и т.д.

Обертки добавляющие методы или дополнительный тип

Unit

Полиморфизм подтипов AnyVal

Пример создания типа от AnyVal


class Wrapper(val underlying: Int) extends AnyVal {
    def foo: Wrapper = new Wrapper(underlying * 19)
}

Полиморфизм подтипов

Unit

Тип с единственным значением "()"

Используется в местах где в C#/Java стоял бы "void"

Т.е. тогда, когда нам не интересно значение выполнения функции, но нужно какое-то пустое значение

Обычно связано с сайд-эффектами (печать в консоль, запись в базу, мутацию какого-то внешнего объекта, и т.д.)

Значения "()" не существует во время исполнения (абстракция на уровне компилятора)

Полиморфизм подтипов

Переходим к AnyRef

Полиморфизм подтипов

AnyRef - надтип для всех остальных типов данных, т.е. для всех ссылочных типов.

В jvm - соответствует java.lang.Object, т.е. объектам в heap

Использование:

В практике особо не используется

Но для полноты системы типов нужен

Полиморфизм подтипов

Null - подтип для всех подтипов AnyRef.

Т.е. для любого X <: AnyRef справедливо Null <: X

Это делается автоматически на уровне компилятора

литерал null имеет этот тип

из-за того что Null это подтип любого подтипа AnyRef - мы можем в любое место которое принимает любой ссылочный тип - поставить null

также это позволяет работать системе вывода типов при проставлении null

Полиморфизм подтипов

Null


val a = if (randomBoolean) {
    "Hello world" // String
} else {
    null // Null
}

// val a: String - потому что Null <: String

Полиморфизм подтипов

Nothing - подтип всех типов, также называемый bottom type.

Т.е. для любого X справедливо Nothing <: X

Тип у которого нет значениний

Нужен для полноты системы типов

Выражение в результате которого выбрасывается exception имеет тип Nothing

Полиморфизм подтипов

Nothing


val a = if (randomBoolean) {
    42 // Int
} else {
    ??? // Nothing
}

// val a: Int - потому что Nothing <: Int

Полиморфизм подтипов

Подведем итоги

Полиморфизм подтипов

Полиморфизм подтипов (subtyping) - имеет пересечения и взаимодействие с другими видами полиморфизма.

Точнее ряд фич системы типов Scala, которые относятся к полиморфизмам другого типа, учитывают правила, которые справедливы для подтипов.

Парам. полиморфизм

Второй по распространенности и используемости вид полиморфизма

Generics и параметры типов


def someMethod[T](x: T) = ???

class List[A] {
    def add(a: A) = ???
}

Парам. полиморфизм

является ли List[A] - типом?

Парам. полиморфизм

является ли List[A] типом? - Нет

Нельзя задать переменную с типом List[A]:


        val x: List[A] // compile error

Можно задать переменную с типом, сконструированным с помощью дженерика:


        val x: List[Int] // OK - тип списка интов

Парам. полиморфизм

List[A] - множество типов различных типов

Конструктор типа

Тип Х -> Конструктор List[_] -> конструируем тип List[X]

Парам. полиморфизм

List[A] в иерархии подтипов

Парам. полиморфизм

Вариантность

Инвариантный (invariant) дженерик - по умолчанию Shape[T]

Ковариантный (covariance) - List[+A]

Контравариантный (contravariance) - Consumer[-A]

Парам. полиморфизм

Ковариантный (covariance) - List[+A]

Парам. полиморфизм

Ковариантный (covariance) - List[+A]


trait Animal {
  def makeSound: String
}
class Cat extends Animal {
  def makeSound = "meow"
}
class Dog extends Animal {
  def makeSound = "bark"
}


def fooWithCovarianceParam(items: List[Animal]): Unit = {
  //some side effect
}

def fooWithInvariantParam(items: Array[Animal]): Unit = {
  //some side effect
}

fooWithCovarianceParam(List(new Dog())) // OK, так как List[+A] ковариантен

fooWithInvariantParam(Array(new Dog()))// ERROR, так как тип Array[A] инвариантен

Парам. полиморфизм

Проблема ковариантности


//допустим, MutableList - ковариантен. Помимо этого MutableList - мутабелен
trait Animal {
  def makeSound: String
}
class Cat extends Animal {
  def makeSound = "meow"
  def jump = "jump"
}
class Dog extends Animal {
  def makeSound = "bark"
}

def addDog(xs: MutableList[Animal]) = {
  xs += new Dog()
}

val cats = MutableList[Cat](new Cat(), new Cat())
val horror = addDog(cats)

cats.forEach(cat => cat.jump) //error

Парам. полиморфизм

Контравариантность (contravariance) - Vet[-A]

Парам. полиморфизм

Контрвариантность (contravariance)


trait Animal {
    def makeSound: String
}
class Cat extends Animal {
    def makeSound = "meow"
}
class Dog extends Animal {
    def makeSound = "bark"
}

class Vet[-A]

def treatDogs(vet: Vet[Dog]) {}

val commonVet = new Vet[Animal]()

treatDogs(commonVet) // OK, ошибки не будет, так как Vet Контрвариантный