Ликбез по типизации в языках программирования

Эта статья содержит необходимый минимум тех вещей, которые просто необходимо знать о типизации, чтобы не называть динамическую типизацию злом, Lisp — бестиповым языком, а C — языком со строгой типизацией.

В полной версии находится подробное описание всех видов типизации, приправленное примерами кода, ссылками на популярные языки программирования и показательными картинками.

Рекомендую прочитать сначала краткую версию статьи, а затем при наличии желания и полную.

Краткая версия

Языки программирования по типизации принято делить на два больших лагеря — типизированные и нетипизированные (бестиповые). К первому например относятся C, Python, Scala, PHP и Lua, а ко второму — язык ассемблера, Forth и Brainfuck.

Так как «бестиповая типизация» по своей сути — проста как пробка, дальше она ни на какие другие виды не делится. А вот типизированные языки разделяются еще на несколько пересекающихся категорий:

• Статическая / динамическая типизация. Статическая определяется тем, что конечные типы переменных и функций устанавливаются на этапе компиляции. Т.е. уже компилятор на 100% уверен, какой тип где находится. В динамической типизации все типы выясняются уже во время выполнения программы.

  Примеры:
  Статическая: C, Java, C#;
  Динамическая: Python, JavaScript, Ruby.

• Сильная / слабая типизация (также иногда говорят строгая / нестрогая). Сильная типизация выделяется тем, что язык не позволяет смешивать в выражениях различные типы и не выполняет автоматические неявные преобразования, например нельзя вычесть из строки множество. Языки со слабой типизацией выполняют множество неявных преобразований автоматически, даже если может произойти потеря точности или преобразование неоднозначно.

  Примеры:
  Сильная: Java, Python, Haskell, Lisp;
  Слабая: C, JavaScript, Visual Basic, PHP.

• Явная / неявная типизация. Явно-типизированные языки отличаются тем, что тип новых переменных / функций / их аргументов нужно задавать явно. Соответственно языки с неявной типизацией перекладывают эту задачу на компилятор / интерпретатор.

  Примеры:
  Явная: C++, D, C#
  Неявная: PHP, Lua, JavaScript

Также нужно заметить, что все эти категории пересекаются, например язык C имеет статическую слабую явную типизацию, а язык Python — динамическую сильную неявную.

Тем-не менее не бывает языков со статической и динамической типизаций одновременно. Хотя забегая вперед скажу, что тут я вру — они действительно существуют, но об этом позже.

Пойдем дальше.

Подробная версия

Если краткой версии Вам показалось недостаточно, хорошо. Не зря же я писал подробную? Главное, что в краткой версии просто невозможно было уместить всю полезную и интересную информацию, а подробная будет возможно слишком длинной, чтобы каждый смог ее прочесть, не напрягаясь.

Бестиповая типизация

В бестиповых языках программирования — все сущности считаются просто последовательностями бит, различной длины.

Бестиповая типизация обычно присуща низкоуровневым (язык ассемблера, Forth) и эзотерическим (Brainfuck, HQ9, Piet) языкам. Однако и у нее, наряду с недостатками, есть некоторые преимущества.

Преимущества

• Позволяет писать на предельно низком уровне, причем компилятор / интерпретатор не будет мешать какими-либо проверками типов. Вы вольны производить любые операции над любыми видами данных.
• Получаемый код обычно более эффективен.
• Прозрачность инструкций. При знании языка обычно нет сомнений, что из себя представляет тот или иной код.

Недостатки

• Сложность. Часто возникает необходимость в представлении комплексных значений, таких как списки, строки или структуры. С этим могут возникнуть неудобства.
• Отсутствие проверок. Любые бессмысленные действия, например вычитание указателя на массив из символа будут считаться совершенно нормальными, что чревато трудноуловимыми ошибками.
• Низкий уровень абстракции. Работа с любым сложным типом данных ничем не отличается от работы с числами, что конечно будет создавать много трудностей.

Сильная безтиповая типизация?

Да, такое существует. Например в языке ассемблера (для архитектуры х86/х86-64, других не знаю) нельзя ассемблировать программу, если вы попытаетесь загрузить в регистр cx (16 бит) данные из регистра rax (64 бита).

mov cx, eax ; ошибка времени ассемблирования

Так получается, что в ассемлере все-таки есть типизация? Я считаю, что этих проверок недостаточно. А Ваше мнение, конечно, зависит только от Вас.

Статическая и динамическая типизации

Главное, что отличает статическую (static) типизацию от динамической (dynamic) то, что все проверки типов выполняются на этапе компиляции, а не этапе выполнения.

Некоторым людям может показаться, что статическая типизация слишком ограничена (на самом деле так и есть, но от этого давно избавились с помощью некоторых методик). Некоторым же, что динамически типизированные языки — это игра с огнем, но какие же черты их выделяют? Неужели оба вида имеют шансы на существование? Если нет, то почему много как статически, так и динамически типизированных языков?

Давайте разберемся.

Преимущества статической типизации

• Проверки типов происходят только один раз — на этапе компиляции. А это значит, что нам не нужно будет постоянно выяснять, не пытаемся ли мы поделить число на строку (и либо выдать ошибку, либо осуществить преобразование).
• Скорость выполнения. Из предыдущего пункта ясно, что статически типизированные языки практически всегда быстрее динамически типизированных.
• При некоторых дополнительных условиях, позволяет обнаруживать потенциальные ошибки уже на этапе компиляции.

Преимущества динамической типизации

• Простота создания универсальных коллекций — куч всего и вся (редко возникает такая необходимость, но когда возникает динамическая типизация выручит).
• Удобство описания обобщенных алгоритмов (например сортировка массива, которая будет работать не только на списке целых чисел, но и на списке вещественных и даже на списке строк).
• Легкость в освоении — языки с динамической типизацией обычно очень хороши для того, чтобы начать программировать.

Обобщенное программирование

Хорошо, самый важный аргумент за динамическую типизацию — удобство описания обобщенных алгоритмов. Давайте представим себе проблему — нам нужна функция поиска по нескольким массивам (или спискам) — по массиву целых чисел, по массиву вещественных и массиву символов.

Как же мы будем ее решать? Решим ее на 3-ех разных языках: одном с динамической типизацией и двух со статической.

Алгоритм поиска я возьму один из простейших — перебор. Функция будет получать искомый элемент, сам массив (или список) и возвращать индекс элемента, или, если элемент не найден — (-1).

Динамическое решение (Python):

def find( required_element, list ):
    for (index, element) in enumerate(list):
        if element == required_element:
            return index

    return (-1)

Как видите, все просто и никаких проблем с тем, что список может содержать хоть числа, хоть списки, хоть другие массивы нет. Очень хорошо. Давайте пойдем дальше — решим эту-же задачу на Си!

Статическое решение (Си):

unsigned int find_int( int required_element, int array[], unsigned int size ) {
    for (unsigned int i = 0; i < size; ++i )
        if (required_element == array[i])
            return i;

    return (-1);
}

unsigned int find_float( float required_element, float array[], unsigned int size ) {
    for (unsigned int i = 0; i < size; ++i )
        if (required_element == array[i])
            return i;

    return (-1);
}

unsigned int find_char( char required_element, char array[], unsigned int size ) {
    for (unsigned int i = 0; i < size; ++i )
        if (required_element == array[i])
            return i;

    return (-1);
}

Ну, каждая функция в отдельности похожа на версию из Python, но почему их три? Неужели статическое программирование проиграло?

И да, и нет. Есть несколько методик программирования, одну из которых мы сейчас рассмотрим. Она называется обобщенное программирование и язык C++ ее неплохо поддерживает. Давайте посмотрим на новую версию:

Статическое решение (обобщенное программирование, C++):

template <class T>
unsigned int find( T required_element, std::vector<T> array ) {
    for (unsigned int i = 0; i < array.size(); ++i )
        if (required_element == array[i])
            return i;

    return (-1);
}

Хорошо! Это выглядит не сильно сложнее чем версия на Python и при этом не пришлось много писать. Вдобавок мы получили реализацию для всех массивов, а не только для 3-ех, необходимых для решения задачи!

Эта версия похоже именно то, что нужно — мы получаем одновременно плюсы статической типизации и некоторые плюсы динамической.

Здорово, что это вообще возможно, но может быть еще лучше. Во-первых обобщенное программирование может быть удобнее и красивее (например в языке Haskell). Во-вторых помимо обобщенного программирования также можно применить полиморфизм (результат будет хуже), перегрузку функций (аналогично) или макросы.

Статика в динамике

Также нужно упомянуть, что многие статические языки позволяют использовать динамическую типизацию, например:

• C# поддерживает псевдо-тип dynamic.
• F# поддерживает синтаксический сахар в виде оператора ?, на базе чего может быть реализована имитация динамической типизации.
• Haskell — динамическая типизация обеспечивается модулем Data.Dynamic.
• Delphi — посредством специального типа Variant.

Также, некоторые динамически типизированные языки позволяют воспользоваться преимуществами статической типизации:

• Common Lisp — декларации типов.
• Perl — с версии 5.6, довольно ограниченно.

Итак, идем дальше?

Сильная и слабая типизации

Языки с сильной типизацией не позволяют смешивать сущности разных типов в выражениях и не выполняют никаких автоматических преобразований. Также их называют «языки с строгой типизацией». Английский термин для этого — strong typing.

Слабо типизированные языки, наоборот всячески способствуют, чтобы программист смешивал разные типы в одном выражении, причем компилятор сам приведет все к единому типу. Также их называют «языки с нестрогой типизацией». Английский термин для этого — weak typing.

Слабую типизацию часто путают с динамической, что совершенно неверно. Динамически типизированный язык может быть и слабо и сильно типизирован.

Однако мало, кто придает значение строгости типизации. Часто заявляют, что если язык статически типизирован, то Вы сможете отловить множество потенциальных ошибок при компиляции. Они Вам врут!

Язык при этом должен иметь еще и сильную типизацию. И правда, если компилятор вместо сообщения об ошибке будет просто прибавлять строку к числу, или что еще хуже, вычтет из одного массива другой, какой нам толк, что все «проверки» типов будут на этапе компиляции? Правильно — слабая статическая типизация еще хуже, чем сильная динамическая! (Ну, это мое мнение)

Так что-же у слабой типизации вообще нет плюсов? Возможно так выглядит, однако несмотря на то, что я ярый сторонник сильной типизации, должен согласиться, что у слабой тоже есть преимущества.

Хотите узнать какие?

Преимущества сильной типизации

• Надежность — Вы получите исключение или ошибку компиляции, взамен неправильного поведения.
• Скорость — вместо скрытых преобразований, которые могут быть довольно затратными, с сильной типизацией необходимо писать их явно, что заставляет программиста как минимум знать, что этот участок кода может быть медленным.
• Понимание работы программы — опять-же, вместо неявного приведения типов, программист пишет все сам, а значит примерно понимает, что сравнение строки и числа происходит не само-собой и не по-волшебству.
• Определенность — когда вы пишете преобразования вручную вы точно знаете, что вы преобразуете и во что. Также вы всегда будете понимать, что такие преобразования могут привести к потере точности и к неверным результатам.

Преимущества слабой типизации

• Удобство использования смешанных выражений (например из целых и вещественных чисел).
• Абстрагирование от типизации и сосредоточение на задаче.
• Краткость записи.

Ладно, мы разобрались, оказывается у слабой типизации тоже есть преимущества! А есть ли способы перенести плюсы слабой типизации в сильную?

Оказывается есть и даже два.

Неявное приведение типов, в однозначных ситуациях и без потерь данных

Ух… Довольно длинный пункт. Давайте я буду дальше сокращать его до «ограниченное неявное преобразование» Так что же значит однозначная ситуация и потери данных?

Однозначная ситуация, это преобразование или операция в которой сущность сразу понятна. Вот например сложение двух чисел — однозначная ситуация. А преобразование числа в массив — нет (возможно создастся массив из одного элемента, возможно массив, с такой длинной, заполненный элементами по-умолчанию, а возможно число преобразуется в строку, а затем в массив символов).

Потеря данных это еще проще. Если мы преобразуем вещественное число 3.5 в целое — мы потеряем часть данных (на самом деле эта операция еще и неоднозначная — как будет производиться округление? В большую сторону? В меньшую? Отбрасывание дробной части?).

Преобразования в неоднозначных ситуациях и преобразования с потерей данных — это очень, очень плохо. Ничего хуже этого в программировании нет.

Если вы мне не верите, изучите язык PL/I или даже просто поищите его спецификацию. В нем есть правила преобразования между ВСЕМИ типами данных! Это просто ад!

Ладно, давайте вспомним про ограниченное неявное преобразование. Есть ли такие языки? Да, например в Pascal Вы можете преобразовать целое число в вещественное, но не наоборот. Также похожие механизмы есть в C#, Groovy и Common Lisp.

Ладно, я говорил, что есть еще способ получить пару плюсов слабой типизации в сильном языке. И да, он есть и называется полиморфизм конструкторов.

Я поясню его на примере замечательного языка Haskell.

Полиморфные конструкторы появились в результате наблюдения, что чаще всего безопасные неявные преобразования нужны при использовании числовых литералов.

Например в выражении pi + 1, не хочется писать pi + 1.0 или pi + float(1). Хочется написать просто pi + 1!

И это сделано в Haskell, благодаря тому, что у литерала 1 нет конкретного типа. Это ни целое, ни вещественное, ни комплексное. Это же просто число!

В итоге при написании простой функции sum x y, перемножающей все числа от x до y (с инкрементом в 1), мы получаем сразу несколько версий — sum для целых, sum для вещественных, sum для рациональных, sum для комплексных чисел и даже sum для всех тех числовых типов что Вы сами определили.

Конечно спасает этот прием только при использовании смешанных выражений с числовыми литералами, а это лишь верхушка айсберга.

Таким образом можно сказать, что лучшим выходом будет балансирование на грани, между сильной и слабой типизацией. Но пока идеальный баланс не держит ни один язык, поэтому я больше склоняюсь к сильно типизированным языкам (таким как Haskell, Java, C#, Python), а не к слабо типизированным (таким как C, JavaScript, Lua, PHP).

Ладно, пойдем дальше?

Явная и неявная типизации

Язык с явной типизацией предполагает, что программист должен указывать типы всех переменных и функций, которые объявляет. Английский термин для этого — explicit typing.

Язык с неявной типизацией, напротив, предлагает Вам забыть о типах и переложить задачу вывода типов на компилятор или интерпретатор. Английски термин для этого — implicit typing.

По-началу можно решить, что неявная типизация равносильна динамической, а явная — статической, но дальше мы увидим, что это не так.

Есть ли плюсы у каждого вида, и опять же, есть ли их комбинации и есть ли языки с поддержкой обоих методов?

Преимущества явной типизации

• Наличие у каждой функции сигнатуры (например int add(int, int)) позволяет без проблем определить, что функция делает.
• Программист сразу записывает, какого типа значения могут храниться в конкретной переменной, что снимает необходимость запоминать это.

Преимущества неявной типизации

• Сокращение записи — def add(x, y) явно короче, чем int add( int x, int y).
• Устойчивость к изменениям. Например если в функции временная переменная была того-же типа, что и входной аргумент, то в явно типизированном языке при изменении типа входного аргумента нужно будет изменить еще и тип временной переменной.

Хорошо, видно, что оба подхода имеют как плюсы так и минусы (а кто ожидал чего-го еще?), так давайте поищем способы комбинирования этих двух подходов!

Явная типизация по-выбору

Есть языки, с неявной типизацией по-умолчанию и возможностью указать тип значений при необходимости. Настоящий тип выражения транслятор выведет автоматически. Один из таких языков — Haskell, давайте я приведу простой пример, для наглядности:

-- Без явного указания типа
add (x, y) = x + y

-- Явное указание типа
add :: (Integer, Integer) -> Integer
add (x, y) = x + y

Примечание: я намерено использовал некаррированную функцию, а также намерено записал частную сигнатуру вместо более общей add :: (Num a) -> a -> a -> a, т.к. хотел показать идею, без объяснения синтаксиса Haskell'а.

Хм. Как мы видим, это очень красиво и коротко. Запись функции занимает всего 18 символов на одной строчке, включая пробелы!

Однако автоматический вывод типов довольно сложная вещь, и даже в таком крутом языке как Haskell, он иногда не справляется. (как пример можно привести ограничение мономорфизма)

Есть ли языки с явной типизацией по-умолчанию и неявной по-необходимости? Кон
ечно.

Неявная типизация по-выбору

В новом стандарте языка C++, названном C++11 (ранее назывался C++0x), было введено ключевое слово auto, благодаря которому можно заставить компилятор вывести тип, исходя из контекста:

Давайте сравним:
// Ручное указание типа
unsigned int a = 5;
unsigned int b = a + 3;

// Автоматический вывод типа
unsigned int a = 5;
auto b = a + 3;

Неплохо. Но запись сократилась не сильно. Давайте посмотрим пример с итераторами (если не понимаете, не бойтесь, главное заметьте, что запись благодаря автоматическому выводу очень сильно сокращается):

// Ручное указание типа
std::vector<int> vec = randomVector( 30 );
for ( std::vector::const_iterator it = vec.cbegin(); ... ) { 
    ...
}

// Автоматический вывод типа
auto vec = randomVector<int>( 30 );
for ( auto it = vec.cbegin(); ... ) { 
    ...
}

Ух ты! Вот это сокращение. Ладно, но можно ли сделать что-нибудь в духе Haskell, где тип возвращаемого значения будет зависеть от типов аргументов?

И опять ответ да, благодаря ключевому слову decltype в комбинации с auto:

// Ручное указание типа
int divide( int x, int y ) {
    ...
}

// Автоматический вывод типа
auto divide( int x, int y ) -> decltype(x / y) {
    ...
}

Может показаться, что эта форма записи не сильно хороша, но в комбинации с обобщенным программированием (templates / generics) неявная типизация или автоматический вывод типов творят чудеса.

Некоторые языки программирования по данной классификации

Я приведу небольшой список из популярных языков и напишу как они подразделяются по каждой категории “типизаций”.

JavaScript  - Динамическая | Слабая      | Неявная
Ruby        - Динамическая | Сильная     | Неявная
Python      - Динамическая | Сильная     | Неявная
Java        - Статическая  | Сильная     | Явная
PHP         - Динамическая | Слабая      | Неявная
C           - Статическая  | Слабая      | Явная
C++         - Статическая  | Полусильная | Явная
Perl        - Динамическая | Слабая      | Неявная
Objective-C - Статическая  | Слабая      | Явная
C#          - Статическая  | Сильная     | Явная
Haskell     - Статическая  | Сильная     | Неявная
Common Lisp - Динамическая | Сильная     | Неявная

Возможно я где-то ошибся, особенно с CL, PHP и Obj-C, если по какому-то языку у Вас другое мнение — напишите в комментариях.

Заключение

Окей. Уже скоро будет светло и я чувствую, что про типизацию больше нечего сказать. Ой как? Тема бездонная? Очень много осталось недосказано? Прошу в комментарии, поделитесь полезной информацией.

И удачи!

Полезные ссылки

Прогопедия: типизации
Википедия: типизация
Квадранты типизации в языках программирования

Автор: Fai

Источник