Type system
-
Типы систем в программировании
- Типы систем определяют свойства, называемые типами, для каждого термина в программе.
- Типы систем формализуют и enforce категории данных, используемые программистами.
- Типы систем помогают уменьшить количество ошибок в программах.
-
Примеры использования
- В языке C типы систем используются для проверки аргументов функций.
- Компилятор C проверяет типы аргументов при вызове функций и выдает ошибки при несоответствии типов.
- Типы систем также используются для оптимизации и документации.
-
Типы и их значение
- Типы систем придают значения последовательностям битов, таким как значения в памяти или переменные.
- Типы систем позволяют различать различные значения, такие как адреса памяти и инструкции.
- Типы систем могут быть связаны с различными уровнями абстракции, включая данные, классы и виды.
-
Преимущества и недостатки
- Программисты могут использовать типы для абстракции и документации.
- Компиляторы могут использовать типы для оптимизации и безопасности.
- Сильные типы обеспечивают большую безопасность, но могут быть недетерминированными.
-
Ошибки типов
- Ошибки типов возникают, когда операция получает данные другого типа, чем ожидалось.
- Автоматизированная проверка типов может не обнаруживать ошибки, которые проявляются на разных этапах разработки.
- Для доказательства отсутствия дефектов используются формальные методы анализа программ.
-
Типы проверки
- Проверка типов может происходить на этапе компиляции (статическая проверка) или на этапе выполнения (динамическая проверка).
- Сильная проверка типов требует строгого соблюдения правил, слабая проверка типов допускает автоматические преобразования типов.
-
Статическая проверка типов
- Статическая проверка типов проверяет безопасность типов программы на основе анализа исходного кода.
- Если программа проходит статическую проверку, она гарантированно удовлетворяет определенным свойствам безопасности типов для всех возможных входных данных.
- Статическая проверка может быть ограничена, но в безопасных языках она может быть оптимизацией.
- Статическая проверка для языков, полных по Тьюрингу, консервативна, что означает, что она может отвергать правильные программы.
- Статическая проверка быстро обнаруживает ошибки в редко используемых кодовых путях.
- Без статической проверки даже тесты с 100% покрытием могут не найти ошибки.
- Многие полезные функции языка, такие как приведение типов, не могут быть проверены статически.
-
Динамическая проверка типов и информация о типах
- Динамическая проверка типов проверяет безопасность типов программы на этапе выполнения.
- Динамическая проверка использует информацию о типах объектов (RTTI) для реализации динамического диспетчера, позднего связывания, приведения типов и рефлективного программирования.
- Динамическая проверка необходима для проверки операций, которые трудно или невозможно проверить статически, таких как приведение типов.
- Динамическая проверка может вызывать ошибки на этапе выполнения, но в некоторых языках можно предвидеть и восстанавливаться от этих ошибок.
-
Сочетание статической и динамической проверки типов
- Некоторые языки поддерживают как статическую, так и динамическую проверку типов.
- Java и другие языки поддерживают приведение типов к подтипам и другие операции, зависящие от информации о типах.
- Большинство языков включают механизмы для диспетчеризации по различным типам данных, такие как disjoint unions и runtime polymorphism.
-
Взаимодействие статической и динамической проверки типов
- Объекты в объектно-ориентированных языках обычно имеют статический целевой тип, равный либо типу объекта, либо его супертипу.
- Некоторые языки, такие как Clojure и Cython, позволяют динамическую проверку типов по умолчанию, но поддерживают статическую проверку с помощью аннотаций.
- C# 4.0 позволяет указывать, что переменная не должна быть статически проверена.
-
Практическое применение
- Выбор между статической и динамической проверкой требует компромиссов.
- Статическая проверка находит ошибки на этапе компиляции, что повышает надежность программы.
- Динамическая проверка позволяет быстрее компилировать и загружать код, что сокращает цикл редактирования-компиляции-тестирования-отладки.
- Динамическая проверка позволяет использовать конструкции, которые статическая проверка отвергает, такие как функции eval.
- Динамическая проверка лучше подходит для переходного кода и прототипирования, позволяя использовать фиктивные объекты вместо полных структур данных.
-
Статическая и динамическая типизация
- Статическая типизация упрощает повторное использование кода, но усложняет метапрограммирование.
- Динамическая типизация упрощает метапрограммирование, но усложняет повторное использование кода.
-
Системы типов
- Системы типов могут быть сильными или слабыми, но это не общепринятые термины.
- Системы типов могут быть типобезопасными или безопасными для памяти.
-
Безопасность типов и памяти
- Типобезопасные языки не допускают операций, нарушающих правила системы типов.
- Безопасные для памяти языки не позволяют программам получать доступ к памяти, не предназначенной для их использования.
-
Различные уровни проверки типов
- Некоторые языки допускают различные уровни проверки типов.
- Примеры включают директивы use strict и параметры declare в различных языках.
-
Системы дополнительного типа
- Системы типов могут быть подключены к языку по мере необходимости.
- Они не обеспечивают безопасность типов во время выполнения.
-
Полиморфизм и его типы
- Полиморфизм позволяет коду обрабатывать значения разных типов.
- Полиморфизм повышает вероятность повторного использования кода.
-
Специализированные системы типа
- Существуют специализированные системы типов для определенных сред и типов данных.
- Они часто основаны на идеях теории формальных типов.
-
Зависимые типы
- Зависимые типы используют скаляры для описания типов других значений.
- Проверка типов для обычных зависимых типов неразрешима.
-
Линейные типы
- Линейные типы присваиваются значениям с одной и только одной ссылкой.
- Они полезны для описания больших неизменяемых значений.
-
Типы пересечений
- Типы пересечений описывают значения, принадлежащие обоим заданным типам.
- Они полезны для описания перегруженных типов функций.
-
Типы и их пересечения
- Типы могут быть переданы в другие функции, ожидающие безопасные типы.
- Пересечение типа и типа-предка является наиболее производным типом.
- Поле пересечения родственных типов пусто.
- Язык Форсайта включает общую реализацию типов пересечений.
-
Типы объединений
- Типы объединений описывают значения, принадлежащие к любому из двух типов.
- Объединение типов имеет общий «виртуальный» диапазон.
- Функции, обрабатывающие тип объединения, должны работать с целыми числами в полном диапазоне.
- Объединение родственных типов является подтипом их общего предка.
-
Экзистенциальные типы
- Экзистенциальные типы используются для представления модулей и абстрактных типов данных.
- Экзистенциальные типы позволяют отделять реализацию от интерфейса.
- Экзистенциальные типы могут быть реализованы различными способами.
- Средство проверки типов не может определить конкретный экзистенциальный тип.
-
Постепенный ввод текста
- В системе типов с постепенной типизацией переменные могут быть типизированы во время компиляции или выполнения.
- Постепенная типизация использует динамический тип для представления статически неизвестных типов.
- Отношение непротиворечивости является симметричным, но не транзитивным.
-
Явное или неявное объявление и вывод
- Многие системы статических типов требуют явного объявления типов.
- Другие, такие как Haskell, выполняют вывод типов.
- Вывод типа возможен, если он поддается вычислению в рассматриваемой системе типов.
-
Проблемы с решением
- Система типов связана с проблемами проверки типов, типизируемости и адаптации к типу.
- Проблемы включают определение, может ли термин быть присвоен тип, и существование среды типа и типа, таких что термин может быть присвоен тип.
-
Единая система типов
- Некоторые языки, такие как C# и Scala, имеют единую систему типов.
- В других языках, таких как Java и Raku, есть корневой тип, но также и примитивные типы.
-
Совместимость: эквивалентность и выделение подтипов
- Средство проверки типов должно убедиться, что тип выражения соответствует ожидаемому контексту.
- Совместимость типов специфична для каждого языка программирования.
- В языках с подтипированием значение типа B может использоваться в контексте, где ожидается значение типа A.