29、领域特定程序检查与参数化类型和虚拟类的新视角-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/dapp9builder/article/details/153957256

领域特定程序检查与参数化类型和虚拟类的新视角

在软件开发中，程序检查规则和类型系统是确保代码质量和可维护性的重要工具。本文将探讨领域特定程序检查规则的优势，以及参数化类型和虚拟类在类型系统中的新发展。

领域特定程序检查规则

在程序检查方面，领域特定规则相较于通用规则具有显著优势。通过案例研究发现，针对特定问题领域的规则通常表现更好，产生的误报更少。例如，在处理特定类型的代码时，领域特定规则能够更精准地识别问题，避免了通用规则可能带来的误判。

添加新的领域特定规则也相对简单。借助 Helvetia 框架，可以声明式地指定新规则，并将其与宿主环境紧密集成。规则可以通过宿主语言的反射 API 作用于系统的特定部分。现有的重构工具基础设施有助于高效地对宿主系统的抽象语法树（AST）节点进行搜索和转换，这与标准的 lint 规则使用的底层基础设施相同。

领域特定规则需要在不同的抽象层次上应用。可以在源代码级别应用，如 Slime 的示例；也可以更侧重于模型检查，如 Magritte 的示例，其中通用规则使用元模型和系统来验证一致性。

目前，这些技术仅应用于内部领域特定语言（DSL），即与宿主语言具有相同语法的语言。未来，有望将这种方法扩展到任何嵌入式语言，即使其语法与宿主语言不同。Helvetia 使用宿主环境的 AST 作为所有可执行代码的通用表示，因此可以在该级别运行规则。不过，如何用嵌入式语言表达规则是一个挑战，这不仅对于提供自动转换很有必要，也能让规则开发者更方便地工作，无需在两个不同的抽象层次上操作。

参数化类型与虚拟类的传统观点

在类型系统中，参数化类型和虚拟类是两种重要的泛型机制。传统观点认为，参数化类型在结构导向的类型组合和分解方面表现出色。例如，对 List 对象进行 zip 操作应返回一个包含 Pair 的 List，参数化类型可以轻松表示为 List >，其中 A 和 B 是列表元素类型。许多编程语言如 Java、SCALA 和 C# 都支持参数化类型。

虚拟类则擅长指定相互递归的类族，并且在派生类族中保持类族内部的类型关系。这种机制在几十年前的 BETA 语言中以虚拟模式的概念引入，后来在 gbeta 等语言中得到了深入推广。像 CaesarJ、Object Teams 和 SCALA 等语言也包含了类似的机制。

然而，传统的虚拟类与命名类型紧密相关，难以以结构方式指定对象组合。例如，要表达类似于 List > 的类型，需要对 List 进行子类化，这不仅繁琐，而且在软件工程角度难以管理。而使用大量 F 有界类型参数来指定类族的方法复杂且脆弱，还难以支持类族多态性和深度混入组合。

类型细化增强表达能力

类型细化对于涉及虚拟类、抽象类型成员等类型的灵活性至关重要。在面向对象语言中，类型通常是精确的类或接口，或者是给定类型的所有子类型组成的类型锥。在具有名义类型等价性的语言中，通常无法表示其他类型集合。

具有结构类型等价性的语言通常没有子类型关系，但可以使用匿名类型表达式直接表达复合类型。类型系统能够根据结构判断两个类型是否相同或一个是否是另一个的泛化。类型参数将这种结构引入了面向对象的上下文，例如 List > 就是一个典型的匿名类型表达式。

传统的虚拟类或基于类或类型值对象成员的方法，要表达类似于 List > 的类型会很困难。而通过 SCALA 中的类型细化或 gbeta 中的虚拟约束，可以创建新的类型集合，抽象出一组名义类型，对应于单个结构类型。

以下是一个 SCALA 类型细化的示例：

abstract class Box {
  type T
  val e: T
}
object Test extends Application {
  val myBox1 = new Box{ type T = String; val e = "aBox" }
  val myBox2: Box{ type T <: String } = myBox1
}

在这个示例中，定义了一个抽象类 Box，包含抽象类型成员 T 和抽象值 e。创建 Box 实例时，需要匿名子类来指定实际类型 T 和具体值 e。在使用 myBox1 时，可以使用类型细化指定类型 T 的约束。

在 gbeta 中，虚拟约束不仅支持与 SCALA 类似的类型成员约束（包括协变、逆变和不变性），还支持对象相等约束。gbeta 对象可以用作一级包，其对象约束能够表达整个相互递归的类族（及其类型）是相同的，从而确保使用这些类型的变量和方法具有类型兼容性。

下面是一个 gbeta 类型细化的示例：

{
  GraphTypes: %{ Node:<object; Edge:<object };
  Graph: %{ pkg:<@GraphTypes; aNode: ˆpkg.Node };

  action: %( g: ˆGraph[pkg = ag.pkg] ){
    ag:<@Graph
    #
    ag.aNode | g.aNode
  };

  // (1)...

  pkg1,pkg2: @GraphTypes;
  grA: @Graph %{ pkg::@pkg1 };
  grB: @Graph %{ pkg::@pkg1 };
  grC: @Graph %{ pkg::@pkg2 }
  #
  grAˆ | action %{ ag:: @grB };
  //grAˆ | action %{ ag:: @grC}; // Compile-time error

  // (2)...
}

在这个示例中，定义了 GraphTypes 和 Graph 类。action 方法的参数 g 受到类型细化的约束，要求 g.pkg 与 ag.pkg 是同一个对象。编译器会静态检查对象身份约束，确保方法体中可以安全地进行赋值操作。

类型细化的应用与比较

对于支持虚拟类和类族多态性的语言如 gbeta，一个经典的挑战是在两个类族之间共享对象。例如，在图类族中，Node 和 Edge 虚拟类在 Graph 类中声明。创建两个图时，一个类族中的类型与另一个类族中的类型不兼容，因此节点和边不能在图之间移动。

为了解决这个问题，可以使用“包类” GraphTypes 来声明图类族中使用的所有类型，而 Graph 类则持有 GraphTypes 的实例 pkg。通过将多个 Graph 实例的 pkg 绑定到同一个 GraphTypes 实例，可以实现类型兼容的节点和边。

在 gbeta 中，通过类型细化可以静态和动态地检查两个包对象是否相同。例如，在上述的图示例中，action 方法使用类型细化静态检查包对象的身份；还可以使用类型细化进行动态检查，如下所示：

(1)
discovery: %(ag:ˆGraph, g: ˆGraph){
  {
    _ag: @ag;
    #
    case _g : g do {
      ? Graph[ pkg=_ag.pkg]: _g | action %{ ag::@_ag };
    };
  };
};
(2)
(grAˆ,grBˆ) | discovery; // Will execute action
(grAˆ,grCˆ) | discovery; // Will not execute action

然而，将 gbeta 示例转换为 SCALA 时会遇到问题。例如，使用类型成员和值来表示虚拟包对象 pkg 的 SCALA 版本无法编译，因为类型约束只能在类型级别检查，无法确保实际对象的值相同。

综上所述，领域特定程序检查规则和类型系统中的参数化类型与虚拟类都有其独特的优势和应用场景。领域特定规则能够提高程序检查的准确性和效率，而类型细化为虚拟类带来了更灵活的表达能力，有助于解决传统虚拟类在类型表达上的局限性。未来，随着软件开发的不断发展，这些技术有望在更多的场景中得到应用和完善。

以下是一个简单的流程图，展示领域特定规则添加的流程：

graph TD;
    A[需求分析] --> B[确定领域特定规则];
    B --> C[使用Helvetia框架声明规则];
    C --> D[集成到宿主环境];
    D --> E[应用规则到系统特定部分];

技术	优势	挑战
领域特定规则	精准识别问题，误报少，添加简单	扩展到不同语法的嵌入式语言有挑战
参数化类型	结构组合和分解灵活	-
虚拟类	保持类族内部类型关系	传统形式难以结构表达类型
类型细化	增强虚拟类表达能力	用嵌入式语言表达规则有挑战

领域特定程序检查与参数化类型和虚拟类的新视角

重新审视参数化类型的优势

虽然参数化类型在结构导向的类型组合和分解方面具有传统优势，但随着虚拟约束和类型细化的引入，情况发生了一些变化。

传统上，参数化类型能够轻松处理像 List > 这样的结构，为类型的组合和分解提供了极大的灵活性。然而，当使用 F 有界类型参数来建模类族时，会面临诸多问题。这种方法不仅复杂、容易出错，而且无法支持类族多态性和深度混入组合。

例如，在一个复杂的类族中，使用大量 F 有界类型参数来定义各个类之间的关系，代码会变得冗长且难以维护。而且，这种方式无法像虚拟类那样自然地保持类族内部的类型关系，在类型的表达和管理上存在明显的局限性。

而虚拟约束和类型细化的出现，使得虚拟类在一定程度上能够实现类似参数化类型的结构处理能力。通过在 gbeta 和 SCALA 中引入的相关机制，虚拟类型可以进行更灵活的结构处理，缩小了与参数化类型在这方面的差距。

重新审视虚拟类的优势

虚拟类在表达相互递归的类族方面具有独特的优势，能够在派生类族中保持类族内部的类型关系。随着新特性的引入，虚拟类的优势得到了进一步的扩展。

类型细化增强表达能力 ：如前文所述，类型细化使得虚拟类能够更灵活地表达类型，抽象出一组名义类型对应于单个结构类型。这解决了传统虚拟类在结构类型表达上的困难，使得虚拟类在类型表达上更加接近参数化类型的灵活性。
类族兼容性检查 ：通过一种新颖的动态类型检查机制，可以检测整个类族之间的兼容性。在 gbeta 中，利用类型细化可以静态和动态地检查两个包对象是否相同，从而确保类族之间的类型兼容性。这种机制在处理类族之间的对象共享和交互时非常有用，能够避免类型不兼容带来的错误。

以下是一个简单的表格，对比参数化类型和虚拟类在不同方面的表现：
| 特性 | 参数化类型 | 虚拟类 |
| ---- | ---- | ---- |
| 结构组合和分解 | 灵活 | 传统形式困难，类型细化后增强 |
| 表达相互递归类族 | 复杂、脆弱 | 自然、保持类型关系 |
| 类族兼容性检查 | 较难实现 | 可通过动态类型检查实现 |

新机制的实现与应用

为了进一步扩展虚拟类的能力，引入了一种类似于对象动态 instanceof 测试的新机制。这种机制在 gbeta 语言中得到了实现，并且提供了可运行的示例程序供下载。

通过这种新机制，可以在运行时检查对象是否属于某个特定的类族，从而确保类族之间的兼容性。例如，在一个复杂的系统中，不同的类族可能会有不同的类型要求和行为。通过新机制，可以在对象交互时动态地检查其所属的类族，避免因类型不兼容而导致的错误。

以下是一个简单的 mermaid 流程图，展示新机制的工作流程：

graph TD;
    A[对象交互] --> B[动态类型检查];
    B --> C{是否兼容};
    C -- 是 --> D[继续交互];
    C -- 否 --> E[抛出错误];

总结与展望

本文对领域特定程序检查规则以及参数化类型和虚拟类进行了重新审视。领域特定规则在程序检查中具有明显的优势，能够提高检查的准确性和效率，并且通过 Helvetia 框架可以方便地添加和集成新规则。

在类型系统方面，参数化类型和虚拟类都有其独特的优势和局限性。传统上，参数化类型在结构处理上表现出色，而虚拟类在表达相互递归类族方面具有优势。然而，随着虚拟约束和类型细化的引入，虚拟类在结构处理能力上得到了增强，并且通过新的动态类型检查机制，进一步扩展了其在类族兼容性检查方面的能力。

未来，随着软件开发的不断发展，这些技术有望在更多的场景中得到应用和完善。例如，在跨语言开发、复杂系统设计等领域，领域特定规则和类型系统的优化将有助于提高代码的质量和可维护性。同时，进一步研究和改进虚拟类和参数化类型的机制，将能够更好地满足不同场景下的开发需求。

总之，软件开发中的程序检查规则和类型系统是一个不断发展和完善的领域，我们需要不断探索新的方法和技术，以适应日益复杂的开发需求。