Статическая и динамическая типизация

в 8:21, , рубрики: haskell, javascript, python, Rust, динамическая типизация, Программирование, статическая типизация, тип данных, типизация, метки: ,

Эта статья рассказывает о разнице между статически типизированными и динамически типизированными языками, рассматривает понятия "сильной" и "слабой" типизации, и сравнивает мощность систем типизации в разных языках. В последнее время наблюдается четкое движение в сторону более строгих и мощных систем типизации в программировании, поэтому важно понимать о чем идет речь когда говорят о типах и типизации.

Статическая и динамическая типизация - 1

Тип — это коллекция возможных значений. Целое число может обладать значениями 0, 1, 2, 3 и так далее. Булево может быть истиной или ложью. Можно придумать свой тип, например, тип "ДайПять", в котором возможны значения "дай" и "5", и больше ничего. Это не строка и не число, это новый, отдельный тип.

Статически типизированные языки ограничивают типы переменных: язык программирования может знать, например, что x — это Integer. В этом случае программисту запрещается делать x = true, это будет некорректный код. Компилятор откажется компилировать его, так что мы не сможем даже запустить такой код. Другой статически типизированный язык может обладать другими выразительными возможностями, и никакая из популярных систем типов не способна выразить наш тип ДайПять (но многие могут выразить другие, более изощренные идеи).

Динамически типизированные языки помечают значения типами: язык знает, что 1 это integer, 2 это integer, но он не может знать, что переменная x всегда содержит integer.

Среда выполнения языка проверяет эти метки в разные моменты времени. Если мы попробуем сложить два значения, то она может проверить, являются ли они числами, строками или массивами. Потом она сложит эти значения, склеит их или выдаст ошибку, в зависимости от типа.

Статически типизированные языки

Статические языки проверяют типы в программе во время компиляции, еще до запуска программы. Любая программа, в которой типы нарушают правила языка, считается некорректной. Например, большинство статических языков отклонит выражение "a" + 1 (язык Си — это исключение из этого правила). Компилятор знает, что "a" — это строка, а 1 — это целое число, и что + работает только когда левая и правая часть относятся к одному типу. Так что ему не нужно запускать программу чтобы понять, что существует проблема. Каждое выражение в статически типизированном языке относится к определенному типу, который можно определить без запуска кода.

Многие статически типизированные языки требуют обозначать тип. Функция в Java public int add(int x, int y) принимает два целых числа и возвращает третье целое число. Другие статически типизированные языки могут определить тип автоматически. Та же самая функция сложения в Haskell выглядит так: add x y = x + y. Мы не сообщаем языку типы, но он может определить их сам, потому что знает, что + работает только на числах, так что x и y должны быть числами, значит функция add принимает два числа как аргументы.

Это не уменьшает "статичность" системы типов. Система типов в Haskell знаменита своей статичностью, строгостью и мощностью, и в по всем этим фронтам Haskell опережает Java.

Динамически типизированные языки

Динамически типизированные языки не требуют указывать тип, но и не определяют его сами. Типы переменных неизвестны до того момента, когда у них есть конкретные значения при запуске. Например, функция в Python

def f(x, y):
    return x + y

может складывать два целых числа, склеивать строки, списки и так далее, и мы не можем понять, что именно происходит, пока не запустим программу. Возможно, в какой-то момент функцию f вызовут с двумя строками, и с двумя числами в другой момент. В таком случае x и y будут содержать значения разных типов в разное время. Поэтому говорят, что значения в динамических языках обладают типом, но переменные и функции — нет. Значение 1 это определенно integer, но x и y могут быть чем угодно.

Сравнение

Большинство динамических языков выдадут ошибку, если типы используются некорректно (JavaScript — известное исключение; он пытается вернуть значение для любого выражения, даже когда оно не имеет смысла). При использовании динамически типизированных языков даже простая ошибка вида "a" + 1 может возникнуть в боевом окружении. Статические языки предотвращают такие ошибки, но, конечно, степень предотвращения зависит от мощности системы типов.

Статические и динамические языки построены на фундаментально разных идеях о корректности программ. В динамическом языке "a" + 1 это корректная программа: код будет запущен и появится ошибка в среде исполнения. Однако, в большинстве статически типизированных языков выражение "a" + 1 — это не программа: она не будет скомпилирована и не будет запущена. Это некорректный код, так же, как набор случайных символов !&%^@*&%^@* — это некорректный код. Это дополнительное понятие о корректности и некорректности не имеет эквивалента в динамических языках.

Сильная и слабая типизация

Понятия "сильный" и "слабый" — очень неоднозначные. Вот некоторые примеры их использования:

  • Иногда "сильный" означает "статический".
    Тут все просто, но лучше использовать термин "статический", потому что большинство используют и понимают его.

  • Иногда "сильный" означает "не делает неявное преобразование типов".
    Например, JavaScript позволяет написать "a" + 1, что можно назвать "слабой типизацией". Но почти все языки предоставляют тот или иной уровень неявного преобразования, которое позволяет автоматически переходить от целых чисел к числам с плавающей запятой вроде 1 + 1.1. В реальности, большинство людей используют слово "сильный" для определения границы между приемлемым и неприемлемым преобразованием. Нет какой-то общепринятой границы, они все неточные и зависят от мнения конкретного человека.

  • Иногда "сильный" означает, что невозможно обойти строгие правила типизации в языке.

  • Иногда "сильный" означает безопасный для памяти (memory-safe).
    Си — это пример небезопасного для памяти языка. Если xs — это массив четырех чисел, то Си с радостью выполнит код xs[5] или xs[1000], возвращая какое-то значение из памяти, которая находится сразу за xs.

Давайте остановимся. Вот как некоторые языки отвечают этим определениям. Как можно заметить, только Haskell последовательно "сильный" по всем параметрам. Большинство языков не такие четкие.

Язык Статический? Неявные преобразования? Строгие правила? Безопасный для памяти?
C Сильный Когда как Слабый Слабый
Java Сильный Когда как Сильный Сильный
Haskell Сильный Сильный Сильный Сильный
Python Слабый Когда как Слабый Сильный
JavaScript Слабый Слабый Слабый Сильный

("Когда как" в колонке "Неявные преобразования" означает, что разделение между сильным и слабым зависит от того, какие преобразования мы считаем приемлемыми).

Зачастую термины "сильный" и "слабый" относятся к неопределенной комбинации разных определений выше, и других, не показанных здесь определений. Весь этот беспорядок делает слова "сильный" и "слабый" практически бессмысленными. Когда хочется использовать эти термины, то лучше описать, что конкретно имеется ввиду. Например, можно сказать, что "JavaScript возвращает значение, когда складывается строка с числом, но Python возвращает ошибку". В таком случае мы не будем тратить свои силы на попытки прийти к соглашению о множестве значений слова "сильный". Или, еще хуже: придем к неразрешенному непониманию из-за терминологии.

В большинстве случаев термины "сильный" и "слабый" в интернете являются неясными и плохо определенными мнениями конкретных людей. Они используются, чтобы назвать язык "плохим" или "хорошим", и это мнение оборачивается в технический жаргон.

Как написал Крис Смит:

Сильная типизация: Система типов, которую я люблю и с которой мне комфортно.

Слабая типизация: Система типов, которая беспокоит меня или с которой мне не комфортно.

Постепенная типизация (gradual typing)

Можно ли добавить статические типы в динамические языки? В некоторых случаях — да. В других это сложно или невозможно. Самая очевидная проблема — это eval и другие похожие возможности динамических языков. Выполнение 1 + eval("2") в Python дает 3. Но что даст 1 + eval(read_from_the_network())? Это зависит от того, что в сети на момент выполнения. Если получим число, то выражение корректно. Если строку, то нет. Невозможно узнать до запуска, так что невозможно анализировать тип статически.

Неудовлетворительное решение на практике — это задать выражению eval() тип Any, что напоминает Object в некоторых объектно-ориентированных языках программирования или интерфейс interface {} в Go: это тип, которому удовлетворяет любое значение.

Значения типа Any не ограничены ничем, так что исчезает возможность системы типов помогать нам в коде с eval. Языки, в которых есть и eval и система типов, должны отказываться от безопасности типов при каждом использовании eval.

В некоторых языках есть опциональная или постепенная типизация (gradual typing): они динамические по-умолчанию, но позволяют добавлять некоторые статические аннотации. В Python недавно добавили опциональные типы; TypeScript — это надстройка над JavaScript, в котором есть опциональные типы; Flow производит статический анализ старого доброго кода на JavaScript.

Эти языки предоставляют некоторые преимущества статической типизации, но они никогда не дадут абсолютной гарантии, как по-настоящему статические языки. Некоторые функции будут статически типизированными, а некоторые будут динамически типизированными. Программисту всегда нужно знать и опасаться разницы.

Компиляция статически типизированного кода

Когда происходит компиляция статически типизированного кода, сначала проверяется синтаксис, как в любом компиляторе. Потом проверяются типы. Это означает, что статический язык сначала может пожаловаться на одну синтаксическую ошибку, а после ее исправления пожаловаться на 100 ошибок типизации. Исправление синтаксической ошибки не создало эти 100 ошибок типизации. Компилятор просто не имел возможности обнаружить ошибки типов, пока не был исправлен синтаксис.

Компиляторы статических языков обычно могут генерировать более быстрый код, чем компиляторы динамических. Например, если компилятор знает, что функция add принимает целые числа, то он может использовать нативную инструкцию ADD центрального процессора. Динамический язык будет проверять тип при выполнении, выбирая один из множества функций add в зависимости от типов (складываем integers или floats или склеиваем строки или, может быть, списки?) Или нужно решить, что возникла ошибка и типы не соответствуют друг другу. Все эти проверки занимают время. В динамических языках используются разные трюки для оптимизации, например JIT-компиляция (just-in-time), где код перекомпилируется при выполнении после получения всей необходимой о типах информации. Однако, никакой динамический язык не может сравниться по скоростью с аккуратно написанным статическим кодом на языке вроде Rust.

Аргументы в пользу статических и динамических типов

Сторонники статической системы типов указывают на то, что без системы типов простые ошибки могут привести к проблемам в продакшене. Это, конечно же, правда. Любой, кто использовал динамический язык, испытал это на себе.

Сторонники динамических языков указывают на то, что на таких языках, кажется, легче писать код. Это определенно справедливо для некоторых видов кода, который мы время от времени пишем, как, например, тот код с eval. Это спорное решение для регулярной работы, и здесь имеет смысл вспомнить неопределенное слово "легко". Рич Хики отлично рассказал про слово "легко", и его связь со словом "просто". Посмотрев этот доклад вы поймете, что не легко правильно использовать слово "легко". Опасайтесь "легкости".

Плюсы и минусы статических и динамических систем типизации все еще плохо изучены, но они определенно зависят от языка и конкретной решаемой задачи.

JavaScript пытается продолжить работу, даже если это означает бессмысленную конвертацию (вроде "a" + 1, дающее "a1"). Python в свою очередь старается быть консервативным и часто возвращает ошибки, как в случае с "a" + 1.

Существуют разные подходы с разными уровнями безопасности, но Python и JavaScript оба являются динамически типизированными языками.

Си с радостью позволит программисту считать данные из любого места в памяти, или представить, что значение одного типа обладает другим типом, даже если это не имеет никакого смысла и приведет к падению программы.

Haskell же не позволит сложить integer и float без явного преобразования перед этим. Си и Haskell оба являются статически типизированными, не смотря на такие большие отличия.

Есть множество вариаций динамических и статических языков. Любое безоговорочное высказывание вида "статические языки лучше, чем динамические, когда дело касается Х" — это почти гарантированно ерунда. Это может быть правдой в случае конкретных языков, но тогда лучше сказать "Haskell лучше, чем Python когда дело касается Х".

Разнообразие статических систем типизации

Давайте взглянем на два знаменитых примера статически типизированных языков: Go и Haskell. В системе типизации Go нет обобщенных типов, типов с "параметрами" от других типов. Например, можно создать свой тип для списков MyList, который может хранить любые нужные нам данные. Мы хотим иметь возможность создавать MyList целых чисел, MyList строк и так далее, не меняя исходный код MyList. Компилятор должен следить за типизацией: если есть MyList целых чисел, и мы случайно добавляем туда строку, то компилятор должен отклонить программу.

Go специально был спроектирован таким образом, чтобы невозможно было задавать типы вроде MyList. Лучшее, что возможно сделать, это создать MyList "пустых интерфейсов": MyList может содержать объекты, но компилятор просто не знает их тип. Когда мы достаем объекты из MyList, нам нужно сообщить компилятору их тип. Если мы говорим "Я достаю строку", но в реальности значение — это число, то будет ошибка исполнения, как в случае с динамическими языками.

В Go также нет множества других возможностей, которые присутствуют в современных статически типизированных языках (или даже в некоторых системах 1970-х годов). У создателей Go были свои причины для этих решений, но мнение людей со стороны по этому поводу иногда может звучать резко.

Теперь давайте сравним с Haskell, который обладает очень мощной системой типов. Если задать тип MyList, то тип "списка чисел" это просто MyList Integer. Haskell не даст нам случайно добавить строку в список, и удостоверится, что мы не положим элемент из списка в строковую переменную.

Haskell может выражать намного более сложные идеи напрямую типами. Например, Num a => MyList a означает "MyList значений, которые относятся к одному типу чисел". Это может быть список integer'ов, float'ов или десятичных чисел с фиксированной точностью, но это определенно никогда не будет списком строк, что проверяется при компиляции.

Можно написать функцию add, которая работает с любыми численными типами. У этой функции будет тип Num a => (a -> a -> a). Это означает:

  • a может быть любым численным типом (Num a =>).
  • Функция принимает два аргумента типа a и возвращает тип a (a -> a -> a).

Последний пример. Если тип функции это String -> String, то она принимает строку и возвращает строку. Но если это String -> IO String, то она также совершает какой-то ввод/вывод. Это может быть обращение к диску, к сети, чтение из терминала и так далее.

Если у функции в типе нет IO, то мы знаем, что она не совершает никаких операций ввода/вывода. В веб-приложении, к примеру, можно понять, изменяет ли функция базу данных, просто взглянув на ее тип. Никакие динамические и почти никакие статические языки не способы на такое. Это особенность языков с самой мощной системой типизации.

В большинстве языков нам пришлось бы разбираться с функцией и всеми функциями, которые оттуда вызываются, и так далее, в попытках найти что-то, изменяющее базу данных. Это утомительный процесс, в котором легко допустить ошибку. А система типов Haskell может ответить на этот вопрос просто и гарантированно.

Сравните эту мощность с Go, который не способен выразить простую идею MyList, не говоря уже о "функции, которая принимает два аргумента, и они оба численные и одного типа, и которая делает ввод/вывод".

Подход Go упрощает написание инструментов для программирования на Go (в частности, реализация компилятора может быть простой). К тому же, требуется изучить меньше концепций. Как эти преимущества сравнимы со значительными ограничениями — субъективный вопрос. Однако, нельзя поспорить, что Haskell сложнее изучить, чем Go, и что система типов в Haskell намного мощнее, и что Haskell может предотвратить намного больше типов багов при компиляции.

Go и Haskell настолько разные языки, что их группировка в один класс "статических языков" может вводить в заблуждение, не смотря на то, что термин используется корректно. Если сравнивать практические преимущества безопасности, то Go ближе к динамических языкам, нежели к Haskell'у.

С другой стороны, некоторые динамические языки безопаснее, чем некоторые статические языки. (Python в целом считается намного безопаснее, чем Си). Когда хочется делать обобщения о статических или динамических языках как группах, то не забывайте об огромном количестве отличий между языками.

Конкретные примеры отличия в возможностях систем типизации

В более мощных системах типизации можно указать ограничения на более мелких уровнях. Вот несколько примеров, но не зацикливайтесь на них, если синтаксис непонятный.

В Go можно сказать "функция add принимает два integer'а и возвращает integer":

func add(x int, y int) int {
    return x + y
}

В Haskell можно сказать "функция принимает любой численный тип и возвращает число того же типа":

f :: Num a => a -> a -> a
add x y = x + y

В Idris можно сказать "функция принимает два integer'а и возвращает integer, но первый аргумент должен быть меньше второго аргумента":

add : (x : Nat) -> (y : Nat) -> {auto smaller : LT x y} -> Nat
add x y = x + y

Если попытаться вызвать функцию add 2 1, где первый аргумент больше второго, то компилятор отклонит программу во время компиляции. Невозможно написать программу, где первый аргумент больше второго. Редкий язык обладает такой возможностью. В большинстве языков такая проверка происходит при выполнении: мы бы написали что-то вроде if x >= y: raise SomeError().

В Haskell нет эквивалента такому типу как в примере с Idris выше, а в Go нет эквивалента ни примеру с Haskell, ни примеру с Idris. В итоге, Idris может предотвратить множество багов, которые не сможет предотвратить Haskell, а Haskell сможет предотвратить множество багов, которые не заметит Go. В обоих случаях необходимы дополнительные возможности системы типизации, которые сделают язык более сложным.

Системы типизации некоторых статических языков

Вот грубый список систем типизации некоторых языков в порядке возрастания мощности. Этот список даст вам общее представление о мощности систем, не нужно относиться к нему как к абсолютной правде. Собранные в одну группу языки могут сильно отличаться друг от друга. В каждой системе типизации есть свои заморочки, и большинство из них очень сложны.

  • C (1972), Go (2009): Эти системы совсем не мощные, без поддержки обобщенных типов. Невозможно задать тип MyList, который бы означал "список целых чисел", "список строк" и т.д. Вместо этого придется делать "список необозначенных значений". Программист должен вручную сообщать "это список строк" каждый раз, когда строка извлекается из списка, и это может привести к ошибке при исполнении.
  • Java (1995), C# (2000): Оба языка поддерживают обобщенные типы, так что можно сказать MyList<String> и получить список строк, о котором компилятор знает и может следить за соблюдением правил типов. Элементы из списка будут обладать типом String, компилятор будет форсировать правила при компиляции как обычно, так что ошибки при исполнении менее вероятны.
  • Haskell (1990), Rust (2010), Swift (2014): Все эти языки обладают несколькими продвинутыми возможностями, в том числе обобщенными типами, алгебраическими типами данных (ADTs), и классами типов или чем-то похожим (типы классов, признаки (traits) и протоколы, соответственно). Rust и Swift более популярны, чем Haskell, и их продвигают крупные организации (Mozilla и Apple, соответственно).
  • Agda (2007), Idris (2011): Эти языки поддерживают зависимые типы, позволяя создавать типы вроде "функция, которая принимает два целых числа х и y, где y больше, чем x". Даже ограничение "y больше, чем x" форсируется при компиляции. При выполнении y никогда не будет меньше или равно x, что бы ни случилось. Очень тонкие, но важные свойства системы могут быть проверены статически в этих языках. Их изучает очень мало программистов, но эти языки вызывают у них огромный энтузиазм.

Наблюдается явное движение в сторону более мощных систем типизации, особенно если судить по популярности языков, а не по простому факту существования языков. Известное исключение — это Go, который объясняет, почему многие сторонники статических языков считают его шагом назад.

Группа два (Java и C#) — это мэйнстримовые языки, зрелые и широко используемые.

Группа три находится на пороге входа в мэйнстрим, с большой поддержкой со стороны Mozilla (Rust) и Apple (Swift).

Группа четыре (Idris and Agda) далеки от мэйнстрима, но это может измениться со временем. Языки группы три были далеко от мэйнстрима еще десять лет назад.

Автор: freetonik

Источник

Поделиться новостью

* - обязательные к заполнению поля