Scala的类型系统：取代复杂的通配符

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【51CTO独家特稿】上次我们讲了Scala的类型系统，讲到了它的可扩展性，它的Duck Typing类型推理功能，展示了在类型系统上它比Java更加的灵活。本文中，Martin Odersky将继续讲解Scala的类型系统。今天的内容是映射Java通配符的Existential类型，类型的可变性，以及抽象类的功能。

Existential类型

Bill Venners：最近Scala中添加了一些Existential（存在）类型。我听说添加Existential类型的理由是为了可以映射所有Java类型到Scala类型，特别是Java的通配符类型。Existential类型数量是否多于Java通配符类型？它们是否是Java通配符类型的一个扩展集？是否存在其他人们应该了解它的理由？ 

Martin Odersky：这很难说，因为人们并没有一个真正的关于什么是通配符概念。最初由Atsushi Igarashi和Mirko Viroli设计的通配符，其灵感来源于Existential类型。事实上，最初的论文中存在一个使用Existential类型的编码。但后来当实际最终设计在Java中实现时，这种联系就减少了一些。所以，现在我们真的不了解这些通配符类型的状况。

Existential类型已经出现许多年了，至今为止大约有20年左右。这种类型可以很简单地表达信息。例如你有一个类型，也许是list（列表）类型，其中一个列表项的类型你不知道，你只知道它是一些特殊元素类型的列表，但你不知道元素的类型。在Scala中，这就可以表示成一个Existential类型。语法是List[T] forSome { type T }.。这看起来有点繁琐。这种繁琐的语法实际上是故意的，因为它产生的Existential类型通常有点难以处理。现在，Scala有了更好的选择。它并不需要这么多Existential类型，因为我们可以使用包含其他类型成员的类型。 

Scala需要Existential类型有3个本质上的理由。首先，我们需要弄清一些Java通配符的意思，Existential类型就是我们所理解的意思。其次，我们需要弄清一些Java raw（原始）类型的意思，因为它们仍处于类库中，是ungenerified（非属性的）类型。如果你使用一个Java原始类型，如java.util.List，这是一个列表，你不知道列表元素的类型。在Scala中这可以被表示成一个Existential类型。最后，我们需要使用Existential类型来解释在虚拟机上发生着什么事情。Scala像Java一样，使用泛型擦除模式，所以当程序运行时，我们不再能看到类型参数。为了能与Java互用，我们需要进行擦除操作。但是，当我们做映射或想要表示时，在虚拟机上会发生什么事情？我们需要能够表达虚拟机在使用Scala中的类型时做了什么事情，Existential类型让我们做到了这一点。Existential类型可以让你在不了解类型中某些方面的情况下使用它们。

Bill Venners：您能举一个具体的例子吗？ 

Martin Odersky：以Scala lists（列表）为例。我希望能够描述方法的返回类型，head，它会返回列表第一个元素（头一个）。在VM水平，这是一个List[T] forSome { type T }。我们不知道T是什么。Existential类型理论告诉我们，这是一个适合某个类型T的T。这相当于根类型――对象。因此，我们从head方法得到这个类型。因此在Scala中，当我们知道某个类型时，我们可以消除这些Existential限制。当我们不知道某个类型时，我们就可以使用Existential，Existential类型理论就是在这里给予我们帮助。 

Bill Venners：如果您没有必要担心与Java通配符、原始类型和擦除的兼容性，还会添加Existential类型吗？如果Java拥有具体化的类型，没有原始类型和通配符，那么Scala还会有Existential类型吗？ 

Martin Odersky：如果Java拥有具体化的类型，没有原始类型和通配符，我认为Existential类型的使用量就没那么大了，那么我会考虑Scala不使用它。

可变性

Bill Venners：在Scala中，是在定义类的时候定义可变性（variance），而在Java中，是在使用通配符的地方定义它。您能否谈谈这一差异？ 

Martin Odersky：由于我们可以在Scala中使用Existential类型建模通配符，实际上如果你想，你也可以在Java中做同样的事情。但是，我们不鼓励你这么做，而是建议使用定义地点可变性（definition site variance）来代替。这是为什么？首先，什么是定义地点可变性？当你定义一个带有一个类型参数的类时，例如List[T]，这就带来了一个问题。如果你有一个苹果列表，那么它同样也是一个水果列表吗？你会说，当然是的。如果苹果是水果的一个子类型，那么List[Apple]应该是List[Fruit]的一个子类型。这种子类型关系被称为协变（covariance）。但在某些情况下，这种关系并不有效。如果我有一个变量，变量可以保存一个苹果，可以保存苹果类型的一个引用。但，这不是水果类型的一个引用，因为我不能分配任何其它水果给这个变量，它只能是一个苹果。所以，你可以看到，有些情况下我们应该有子类型，而有些情况下，子类型就不应该有。

Scala的解决方案是注释类型参数。如果List在T上是协变的，我们就可以写成List[+T]。这将意味着Lists在T上是协变的。当然这存在一些附属条件。例如，只有当没有人改变List的情况下，我们才可以这么做，否则我们将遇到使用引用时遇到的同样问题。  

在Scala中会发生什么事，这是程序员说的，我认为Lists应该是协变的，这意味着尊重子类型关系。然后，程序员将会在声明的地方，用一个加号修饰类型参数T，针对所有使用的List只修饰一次。然后编译器将去找出是否List内的所有定义都与其一致。如果存在某些与协变不符的地方，Scala编译器将会提示错误。Scala拥有一系列的技术来处理这些错误，一个有能力的Scala程序员将会很快注意到这些错误，并应用这些技术，最终生成一个错误处理类。使用者就不必再去顾虑这些错误了。他们只需知道如果我有一个List，我就可以在任何地方协变地使用它。因此，这意味着只有一个人在写list类，只有他需要考虑有点难度的问题，但这也不至于太糟糕，因为编译器会用错误提示帮助他。 

相比之下，Java带有通配符的方法意味着在类中你什么都做不了。你只是写ListT>。然后，如果用户想要一个协变list，他们不写ListFruit>，而是写List? extends Fruit>。所以这是一个通配符。问题是，这是用户代码。这些用户通常都没有类库设计人员那么专业。此外，这些注释间一个单一的不匹配将会带来类型错误。因此，难怪你会得到大量与通配符有关的非常棘手的错误信息，我认为这是Java泛型最重要的罪魁祸首。因为这种通配符的方法对于普通人来说确实是太复杂、太难于处理。 

可变性是当你结合泛型和子类型时非常重要的东西，但它也很复杂。没有办法能完全让它变成一件小事。我们做的比Java好的地方是，可以让你只在类库中做一次，使得用户不需要考虑和处理它。 

抽象类

Bill Venners：在Scala中，一个类型可以是另一个类型的成员，就如同方法和域可以是一个类型的成员。在Scala中，这些类型成员可以是抽象的，就如同在Java中方法可以抽象。在抽象类型成员和泛型参数之间是否存在重叠？为什么Scala两者都包含？抽象类型具有哪些泛型所不具有的功能？

Martin Odersky：抽象类型确实具有一些泛型所不具有的功能，但首先让我陈述一个稍微普遍的原理。一直都存在两个抽象概念：参数和抽象成员。在Java中，两者都有，但它取决于你在抽象什么。在Java中你可以有抽象方法，但你不能把方法作为参数传递。你并不拥有抽象域，但可以传值作为参数。同样，你没有抽象类型成员，但你可以指定一种类型作为参数。因此，在Java中你可以有以上3种方式，但使用什么抽象原则是有区别的。你可以争辩说，这种区别是相当武断的。 

我们在Scala中所做的是力求更全面和垂直。我们决定对以上所有3种成员都采用同样的构造原则。所以，你可以有抽象域，也可以有值参数。你可以传递方法（或“函数”）作为参数，或者也可以抽象它们。您可以指定类型作为参数，或者也可以抽象它们。我们概念性地得到的是，我们可以按照其它的建模另一个。至少在原则上，我们可以表达各种参数为一种面向对象的抽象。因此，在某种意义上可以说Scala是一种更垂直、更全面的语言。 

现在，问题仍然存在，这能给你带来什么好处？抽象类型是对以上我们谈到的问题的很好的处理，一个已经存在了很长一段时间的标准问题是动物和食物。让人不解的是，有个动物类，带有一个吃一些食物的方法。问题是，如果我们建立一个动物类的子类，如牛，那么它们将只吃草，而不是任意食物。例如，牛不会吃鱼。你真正想要的是一个牛类，带有一个只吃草而不吃其它东西的方法。实际上，在Java中你不能这样做，如像前面提到的分配一个任意的水果给苹果变量的问题。 

问题是，你怎么办？答案是，你为动物类添加一个抽象类型。你说，新的动物类中含有一个SuitableFood（适当食物）的类型，这我不知道。因此这是一个抽象类型。你并不给出类型实现。然后，你就可以有一个吃的方法，只吃适当的食物。然后在牛类中，我会说，好吧，我有一个牛类，它继承于动物类，并且对于牛类型来说，适当的食物就是草。因此，在子类中就可以实现这些抽象。 

现在，你可以说，我可以用参数完成同样的事情。事实上，你确实可以。你可以给动物类添加参数，参数为各种所吃的食物。但在实践中，当你要完成很多事情的时候，这就导致了参数爆炸，而且通常更重要的是，参数的范围。在1998年的ECOOP ，Kim Bruce, Phil Wadler和我一起发过一个文章，我们指出，随着你增加你所不知道的东西的数量，典型的程序将会以2次方程式的数量增加。因此，我们有理由尽量不用参数，而是使用抽象成员。 

适应新的语法

Bill Venners：当人们随机查看Scala代码时，我认为有两件事可以使它看上去有点神秘。一个是DSL是他们不熟悉的，就像是解析器或XML类库。另一个是类型系统的各种各样的表达式，特别是表达式的联合。Scala程序员如何能掌握这样的语法？ 

Martin Odersky：当然这里存在很多新东西，必须进行学习和吸收。因此，这将花费一些时间。我相信我们需要继续努力研究的一件事是更好的工具支持。现在，当你获得类型错误时，我们试图给你一个不错的错误信息。有时候，错误信息有很多行，能够解释得更好。我们尽力做好，但我认为如果我们能有更好的交互性，我们将可以做的更好。

试想一下，如果有一个动态类型语言，对于一个错误信息，只有3到4行的错误提示。可能不会有调试器，不会有堆栈跟踪，只有3到4行提示信息，如“空指针废弃，”也许会有发生错误的行号。在这种情况下，我不认为动态语言会是非常受欢迎的。当然，这不是真实发生的事情。实际上，你拥有一个调试器，可以让你快速找到错误根源。 

对于类型，我们还没有这些设施。我们所有的只是一些错误信息。如果你有一个非常丰富和富有表现力的类型系统，它需要更多的知识来理解这些错误信息，你想要更多帮助。因此，在未来我们要研究的一件事是，我们是否能够真正给你一个更具有互动性的环境，例如，如果类型出现问题，你可以找出错误原因。例如，如何让编译器指出这个表达式的类型应该是这个，以及它为什么不认为这个类型符合其它预期类型。你可以交互式探索这些东西。如果这样，我想，由于类型所导致的错误将能够更容易被发现。