类型系统简介

作者：oasis

为什么存在类型系统

在底层的硬件和机器代码级别，程序逻辑及其操作的数据是用位来表示的。例如在汇编程序中数据的定义如下：

; 内存中的数据只是字节序列
var1   db   65      ; 一个字节: 0x41
var2   dw   0x4241  ; 两个字: 'A'(0x41), 'B'(0x42)
var3   dd   123     ; 四个字节: 0x7B 00 00 00

从上述代码中很难看出实际定义的类型是什么，例如 65 可以表示整数 65，或者表示字符 ‘A’。当对数据进行处理时，需要将 65 实际表示的含义记住。稍不留意，可能导致严重的 Bug。

而且在汇编语言编译后，代码块和数据块对于硬件来说没有区别，所以当系统将代码当成数据，或将数据当成代码时，就会出现异常，甚至导致系统崩溃。

所以我们需要在更高的层次上对数据进行抽象，赋予数据实际的意义。类型可以告诉软件在给定上下文中如何解释给定的位序列，这样对于 65，在字符类型时便可按照字符解析。除了对数据进行有效准确的解析外，类型还起到了约束有效值的范围，可以通过集合进行表达。

关于程序语言的类型，实际包含两个主要概念：

类型：对数据进行分类，定义数据的有效范围。
类型系统：对数据进行类型分配和实现类型解析（约束）。类型系统包括两种类型分配方式：1. 程序员显式指定类型，2. 类型系统根据上下文隐式推断出某个元素的类型。类型解析提供边界校验、类型转换、类型兼容性校验、泛型实例化、重载解析等功能。

类型系统的优点

类型的主要优点有：正确性、不可变性、封装、可组合性、可读性。如何理解类型带来的这些优势呢？

正确性是指代码的行为符合预期，能够产生期望的结果，不会导致运行时错误或崩溃。通过类型对代码进行严格的限制，从而确保代码具有正确的行为。

function scriptAt(s: string):number {
    return s.indexOf("Script")
}
scriptAt('typeScript')
scriptAt(36)

编译器会提示上述代码是错误的，scriptAt 的参数要求是 string 类型，scriptAt(36) 传入了 number 类型。

类型系统通过 const、final、readonly 等修饰符，在编译时强制执行不可变性约束，防止对不可变数据的意外修改，这增强了程序的线程安全性和可预测性。

类型系统通过访问控制修饰符（public/private/protected/internal）实现封装，将数据和行为捆绑在类型内部，只暴露安全的接口，隐藏实现细节，从而减少模块间的耦合。

类型系统通过泛型实现了类型的组合关系，泛型的本质是将类型作为一等公民，允许编写与类型无关的通用代码、通过参数化创建复杂的类型表达式、一次编写，类型可以多处使用，在编译时计算和验证类型关系。

类型系统通过类型签名可以实现代码文档化，不必单独撰写相关文档，例如 JSDoc 就可以根据类型注释生成代码文档。

类型系统可以消除魔法数字，在 TypeScript 中 const Normal = 1，Normal 的类型是字面量类型 1，而不是普通的 number 类型。

类型让我们更容易看出复杂的数据结构和控制流：

type authenticate = (user: User, password: string) => Result<Session, AuthError>

类型驱动的思维过程

在代码编写阶段，可以先想类型：这个函数应该接受什么？返回什么？再想实现：如何实现这个类型签名？类型约束会提示可能的实现方式。

类型系统的类型

类型系统分为两种：1. 静态类型系统，在编译期间进行类型校验，能更早地发现错误。2. 动态类型系统，将类型校验推迟到运行时，当类型不匹配时会出现运行时错误。

类型系统有强弱之分，JavaScript 是弱类型系统，提供了大量的隐式类型转换，而强类型系统则要求显式类型转换。

function add(a, b) {
    return a + b
}
add(1, '1')  // JavaScript 会自动将数字 1 转换为字符串 '1'，结果为 '11'

function add(a:number, b:number): number {
    return a + b
}
add(1, Number('1'))

静态类型和动态类型都有类型推断，静态类型中编译器可以推断出某个变量或函数的类型。例如当给一个变量赋值 36，TypeScript 可以推断出变量类型为 number。

在动态类型系统中，add(1, '1') JavaScript 解析器会在运行时自动进行类型推断和转换。

总结

类型系统是对低层次数据的分类和约束，它从底层硬件抽象而来，为数据赋予了明确的语义。类型系统包含两个核心概念：类型负责对数据进行分类并定义有效范围，类型系统则负责类型分配和类型解析，既支持程序员显式指定类型，也支持根据上下文隐式推断类型。

类型系统带来了诸多优势。通过类型约束可以在编译时发现错误，避免运行时崩溃，提高代码的正确性。通过 const、final、readonly 等修饰符可以保证数据不被意外修改，增强程序安全性。通过访问控制修饰符可以实现封装，减少模块间的耦合。通过泛型可以实现类型的组合和复用，编写通用代码。类型签名本身就可以作为文档，提高代码的可读性和维护性。

类型系统有静态和动态之分，静态类型在编译时校验，能更早地发现错误，而动态类型将校验推迟到运行时。类型系统还有强弱之分，强类型要求显式转换，弱类型允许隐式转换。无论是静态还是动态类型系统，都具备类型推断能力，只是工作时机和方式不同。

在编写代码时，可以先思考类型签名，想清楚函数应该接受什么、返回什么，再思考具体实现。这种类型驱动的思维方式能够引导我们写出更健壮的代码。而且类型系统通过类型推导机制，在保证类型安全的同时，减少了显式类型注解的负担，让程序员能够专注于业务逻辑的实现。