Scala3中的代数数据类型(ADTs)深度解析

Scala3中的代数数据类型(ADTs)深度解析

痛点：类型安全与模式匹配的完美结合

你是否曾在开发过程中遇到过这样的困境：需要处理多种可能的数据结构，但又担心类型安全问题？或者希望在模式匹配时获得编译器的智能类型推断？Scala3的代数数据类型（Algebraic Data Types，ADTs）正是解决这些痛点的利器。

读完本文，你将掌握：

• ADTs的核心概念与数学基础
• Scala3中enum语法的革命性改进
• GADTs（广义代数数据类型）的高级用法
• 模式匹配与类型推断的完美结合
• 实际项目中的最佳实践案例

代数数据类型基础

什么是代数数据类型？

代数数据类型是函数式编程中的核心概念，通过两种基本操作构建复杂类型：

1. 积类型（Product Types）：类似元组或case class，表示"且"的关系
2. 和类型（Sum Types）：类似枚举或sealed trait，表示"或"的关系

// 积类型示例：Case Class
case class Person(name: String, age: Int)

// 和类型示例：Sealed Trait + Case Classes
sealed trait Shape
case class Circle(radius: Double) extends Shape
case class Rectangle(width: Double, height: Double) extends Shape

Scala3的enum语法糖

Scala3引入了全新的enum语法，极大简化了ADTs的定义：

// 传统Scala2方式
sealed trait Color
case object Red extends Color
case object Green extends Color
case object Blue extends Color

// Scala3 enum方式
enum Color:
  case Red, Green, Blue

深入enum语法

基本枚举定义

// 简单枚举
enum DayOfWeek:
  case Monday, Tuesday, Wednesday, Thursday, Friday, Saturday, Sunday

// 带参数的枚举
enum Color(val rgb: Int):
  case Red   extends Color(0xFF0000)
  case Green extends Color(0x00FF00) 
  case Blue  extends Color(0x0000FF)

// 方法定义
enum Planet(mass: Double, radius: Double):
  case Mercury extends Planet(3.303e+23, 2.4397e6)
  case Venus   extends Planet(4.869e+24, 6.0518e6)
  
  def surfaceGravity: Double = 
    Planet.G * mass / (radius * radius)
  
  def surfaceWeight(otherMass: Double): Double = 
    otherMass * surfaceGravity
  
  object Planet:
    val G: Double = 6.67300E-11

代数运算视角

从代数角度看，ADTs支持丰富的类型运算：

广义代数数据类型（GADTs）

GADTs核心概念

GADTs允许我们在类型参数中编码更多信息，实现更精确的类型约束：

// 基本GADT示例
enum Expr[T]:
  case IntLit(value: Int) extends Expr[Int]
  case StrLit(value: String) extends Expr[String]
  case BoolLit(value: Boolean) extends Expr[Boolean]
  case Add(left: Expr[Int], right: Expr[Int]) extends Expr[Int]
  case Concat(left: Expr[String], right: Expr[String]) extends Expr[String]

GADTs的类型安全魔法

def eval[T](expr: Expr[T]): T = expr match
  case Expr.IntLit(i)    => i
  case Expr.StrLit(s)    => s
  case Expr.BoolLit(b)   => b
  case Expr.Add(l, r)    => eval(l) + eval(r)
  case Expr.Concat(l, r) => eval(l) + eval(r)

// 编译器知道每个分支返回的确切类型
val result1: Int = eval(Expr.Add(Expr.IntLit(1), Expr.IntLit(2)))
val result2: String = eval(Expr.Concat(Expr.StrLit("Hello"), Expr.StrLit("World")))

复杂GADTs模式

// 类型级自然数
enum Nat:
  case Zero
  case Succ(prev: Nat)

// 长度索引列表
enum Vec[N <: Nat, +A]:
  case Nil extends Vec[Nat.Zero, Nothing]