Piękno systemu typów w Kotlinie

To jest rozdział z książki Kotlin Essentials.

System typów w Kotlinie jest absolutnie niesamowicie zaprojektowany. Wiele funkcjonalności Kotlina, które wyglądają jak specjalne wsparcie dla konkretnych przypadków, jest po prostu naturalnym następstwem tego, jak zaprojektowany jest system typów. Na przykład, dzięki systemowi typów, w poniższym przykładzie typ surname to String, typ age to Int, a my możemy użyć return i throw po prawej stronie operatora Elvisa.

fun processPerson(person: Person?) { val name = person?.name ?: "unknown" val surname = person?.surname ?: return val age = person?.age ?: throw Error("Person must have age") // ... }

System typów daje nam również bardzo wygodne wsparcie dla nullowalności, smart casting typów i wiele więcej. W tym rozdziale odkryjemy wiele z tego, co mniej doświadczeni programiści uważają za magię Kotlina, a w rzeczywistości jest dość proste i przewidywalne. To jeden z moich ulubionych tematów na warsztatach, ponieważ widzę oszałamiające piękno tego, jak dobrze zaprojektowany jest system typów w Kotlinie, jak wszystkie elementy doskonale do siebie pasują i dają nam wspaniałe doświadczenie przy programowaniu. Uważam ten temat za fascynujący, ale postaram się również pokazać użyteczność tej wiedzy w praktyce. Mam nadzieję, że odkrywanie tego sprawi Ci tyle samo przyjemności, co mnie.

Czym jest typ?

Zanim zaczniemy rozmawiać o systemie typów, powinniśmy najpierw wyjaśnić, czym jest typ. Czy znasz odpowiedź? Pomyśl o tym przez chwilę.

Typy są często mylone z klasami, ale te dwa terminy reprezentują zupełnie różne koncepcje. Spójrz na poniższy przykład. Możesz zobaczyć User użyte cztery razy. Czy jesteś w stanie powiedzieć, które zastosowanie jest klasą, które typem, a które jeszcze czymś innym?

Po słowie kluczowym class definiujesz nazwę klasy. Klasa to szablon, na podstawie którego tworzone są obiekty. Gdy wywołujemy konstruktor, tworzymy obiekt. Natomiast typy są tutaj używane do określenia, jakiego rodzaju obiektów oczekujemy w zmiennych¹.

Dlaczego mamy typy?

Przeprowadźmy na chwilę eksperyment myślowy. Kotlin to język statycznie typowany, więc wszystkie zmienne i funkcje muszą określać typ. Jeśli nie określimy typów jawnie, zostaną one wywnioskowane niejawnie. Cofnijmy się jednak na chwilę i wyobraźmy sobie, że jesteś projektantem języka, który decyduje, jak powinien wyglądać Kotlin. Możliwą decyzją byłaby zupełna rezygnacja z typów. Kompilator tak naprawdę ich nie potrzebuje². Ma klasy, które definiują, jak powinny być tworzone obiekty, oraz obiekty, które są używane podczas wykonywania. Co tracimy, jeśli pozbędziemy się typów? Głównie bezpieczeństwo i wygodę dla programistów.

Warto wspomnieć, że wiele języków obsługuje klasy i obiekty, ale nie typy. Wśród nich jest JavaScript⁶ i (do niedawna) Python – dwa spośród trzech najpopularniejszych na świecie języków programowania³. Jednak typy dostarczają nam pewną dodatkową wartość, dlatego w społeczności JavaScript coraz więcej osób używa TypeScript, który do JavaScript dodaje praktycznie wyłącznie typowanie, a Python wprowadził wsparcie dla typowania.

W takim razie, dlaczego mamy typy? Są one głównie dla nas, programistów. Typ mówi nam, jakie metody lub właściwości możemy używać na obiekcie. Typ mówi nam, jaki rodzaj wartości może być użyty jako argument. Typy uniemożliwiają używanie nieprawidłowych obiektów, metod lub właściwości. Dają nam bezpieczeństwo, poprawiają jakość sugestii dostarczanych przez IDE. Kompilator również korzysta z typów w celu lepszego optymalizowania naszego kodu lub decydowania, która funkcja powinna zostać wybrana, gdy jej nazwa jest przeciążona. Mimo wszystko, to właśnie programiści są najważniejszymi beneficjentami typów.

Czym więc jest typ? Można o nim myśleć jako o zbiorze określającym funkcjonalności, jakie obiekt zapewnia. Zwykle jest to zbiór metod i właściwości.

Relacja między klasami a typami

Mówimy, że klasy generują typy. Pomyśl o klasie User. Generuje ona dwa typy. Czy możesz je oba wymienić? Jeden to User, ale drugi to nie Any (Any jest już w hierarchii typów). Drugim nowym typem generowanym przez klasę User jest User?. Tak, nullowany wariant to oddzielny typ.

Istnieją klasy, które generują znacznie więcej typów: klasy generyczne. Klasa Box<T> teoretycznie generuje nieskończoną liczbę typów.

Klasa kontra typ w praktyce

Dyskusja o różnicy między klasą a typem może się wydawać bardzo teoretyczna, ale ma praktyczne implikacje. Zauważ, że klasy nie mogą być nullowalne, ale typy już tak. Weź pod uwagę początkowy przykład, gdzie poprosiłem Cię, abyś wskazał, gdzie User jest typem. Tylko na pozycjach reprezentujących typy można użyć User? zamiast User.

Funkcje klas są zdefiniowane dla klas, więc ich odbiorca nie może być nullowalny ani określać typu generycznego⁴. Funkcje rozszerzające są zdefiniowane na typach, więc mogą być nullowalne lub zdefiniowane dla typu generycznego. Weź pod uwagę funkcję sum, która jest rozszerzeniem Iterable<Int>, lub funkcję isNullOrBlank, która jest rozszerzeniem String?.

fun Iterable<Int>.sum(): Int { var sum: Int = 0 for (element in this) { sum += element } return sum } @OptIn(ExperimentalContracts::class) inline fun CharSequence?.isNullOrBlank(): Boolean { // (pominięta definicja kontraktu) return this == null || this.isBlank() }

Relacja między typami

Przyjmijmy, że mamy klasę Dog i jej nadklasę Animal.

open class Animal class Dog : Animal()

Gdziekolwiek oczekiwany jest typ Animal, możesz użyć Dog, ale nie na odwrót.

fun petAnimal(animal: Animal) {} fun petDog(dog: Dog) {} fun main() { val dog: Dog = Dog() val dogAnimal: Animal = dog // działa petAnimal(dog) // działa val animal: Animal = Animal() val animalDog: Dog = animal // błąd kompilacji petDog(animal) // błąd kompilacji }

Dlaczego? Ponieważ istnieje konkretna relacja między tymi typami: Dog jest podtypem Animal, a więc Animal jest nadtypem Dog, a podtyp może być używany wszędzie tam, gdzie oczekiwany jest jego nadtyp. Tak więc gdy A jest podtypem B, możemy użyć A tam, gdzie oczekiwane jest B.

Istnieje również relacja między typami nullowalnymi i non-nullowalnymi. Typ nienullowalny może być używany wszędzie tam, gdzie oczekiwany jest nullowalny wariant.

fun petDogIfPresent(dog: Dog?) {} fun petDog(dog: Dog) {} fun main() { val dog: Dog = Dog() val dogNullable: Dog? = dog petDogIfPresent(dog) // działa petDogIfPresent(dogNullable) // działa petDog(dog) // działa petDog(dogNullable) // błąd kompilacji }

Dzieje się tak, ponieważ wariant nienullowalny każdego typu jest podtypem wariantu nullowalnego.

Nadklasą wszystkich klas w Kotlinie jest Any, czyli koncept podobny do Object w Javie. Nadtypem wszystkich typów nie jest Any, ale Any?. Any jest nadtypem wszystkich typów nienullowalnych. Nadtypem wszystkich typów jest Any?. Mamy też coś, czego nie ma w Javie i w większości innych popularnych języków: podtyp wszystkich typów, który nazywa się Nothing. Wkrótce o nim porozmawiamy.

Any jest tylko nadtypem typów nienullowalnych. Wszędzie, gdzie oczekiwany jest Any, typy nullowalne nie będą akceptowane. Ten fakt jest również wykorzystywany do ustawienia górnego ograniczenia parametru typu, aby akceptować tylko typy nienullowalne⁵.

fun <T : Any> String.parseJson(): T = ...

Unit nie ma żadnego specjalnego miejsca w hierarchii typów. To po prostu deklaracja obiektu, która jest używana, gdy funkcja nie określa typu wyniku.

object Unit { override fun toString() = "kotlin.Unit" }

Porozmawiajmy o koncepcji, która ma szczególne miejsce w hierarchii typów: porozmawiajmy o Nothing.

Podtyp wszystkich typów: Nothing

Nothing jest podtypem wszystkich typów w Kotlinie. Gdybyśmy mieli instancję tego typu, mogłaby być użyta zamiast wszystkiego innego (jak Joker w grach karcianych). Nic dziwnego, że taka instancja nie istnieje. Nothing jest pustym typem (znanym również jako typ zerowy, niezamieszkały lub nigdy niewystępujący⁷), co oznacza, że nie ma żadnych wartości. Dosłownie niemożliwe jest stworzenie instancji typu Nothing, ale ten typ jest naprawdę bardzo użyteczny. Powiem więcej: niektóre funkcje deklarują Nothing jako typ zwracany. Prawdopodobnie używałeś takich funkcji już wiele razy. Jakie to są funkcje? Deklarują Nothing jako typ wyniku, ale nie mogą go zwrócić, ponieważ ten typ nie ma instancji. Co więc mogą zrobić te funkcje? Trzy rzeczy: mogą działać w nieskończoność, zakończyć program lub rzucić wyjątek. We wszystkich tych przypadkach, funkcja nie zwraca wyniku, więc typ Nothing nie tylko jest możliwy, ale też naprawdę użyteczny.

fun runForever(): Nothing { while (true) { // no-op } } fun endProgram(): Nothing { exitProcess(0) } fun fail(): Nothing { throw Error("Some error") }

Nigdy nie znalazłem dobrego zastosowania dla funkcji działających w nieskończoność, a zakończenie programu nie jest szczególnie częste, jednak często używamy funkcji, które rzucają wyjątki. Kto nie używał nigdy TODO()? Ta funkcja rzuca wyjątek NotImplementedError. Istnieje również znana nam już funkcja error z biblioteki standardowej, która rzuca IllegalStateException.

inline fun TODO(): Nothing = throw NotImplementedError() inline fun error(message: Any): Nothing = throw IllegalStateException(message.toString())

TODO jest używany jako symbol zastępczy w miejscu, gdzie planujemy zaimplementować jakiś kod.

fun fib(n: Int): Int = TODO()

error jest używany do sygnalizowania sytuacji niedozwolonej:

fun get(): T = when { left != null -> left right != null -> right else -> error("Must be either left or right") }

Ten typ wyniku jest istotny. Powiedzmy, że masz warunek if, który zwraca albo Int, albo Nothing. Jaki powinien być wnioskowany typ? Najbliższy nadtyp zarówno dla Int, jak i Nothing, to Int. Dlatego wywnioskowanym typem będzie Int.

// typ answer to Int val answer = if (timeHasPassed) 42 else TODO()

Ta sama zasada obowiązuje, gdy używamy operatora Elvisa, wyrażenia when itp. W poniższym przykładzie typ zarówno name, jak i fullName są typu String, ponieważ tak fail, jak i error deklarują Nothing jako swój typ zwracany. To ogromne udogodnienie.

fun processPerson(person: Person?) { // typ name to String val name = person?.name ?: fail() // typ fullName to String val fullName = when { !person.middleName.isNullOrBlank() -> "$name ${person.middleName} ${person.surname}" !person.surname.isNullOrBlank() -> "$name ${person.surname}" else -> error("Osoba musi mieć nazwisko") } // ... }

Typ zwracany return i throw

Zacznę ten podrozdział od czegoś dziwnego: czy wiedziałeś, że możesz umieścić return lub throw po prawej stronie przypisania zmiennej?

fun main() { val a = return val b = throw Error() }

To nie ma sensu, ponieważ zarówno return, jak i throw, kończą funkcję, więc nigdy nie przypiszemy niczego do takich zmiennych jak a i b w powyższym przykładzie. Powyższe przypisanie to nieosiągalny fragment kodu. W Kotlinie powoduje to tylko ostrzeżenie.

Kod powyżej jest poprawny z punktu widzenia języka Kotlin, ponieważ zarówno return, jak i throw są wyrażeniami, co oznacza, że deklarują one typ zwracany. Tym typem jest Nothing.

fun main() { val a: Nothing = return val b: Nothing = throw Error() }

To wyjaśnia, dlaczego możemy umieścić return lub throw po prawej stronie operatora Elvisa lub w wyrażeniu when.

fun processPerson(person: Person?) { val name = person?.name ?: return val fullName = when { !person.middleName.isNullOrBlank() -> "$name ${person.middleName} ${person.surname}" !person.surname.isNullOrBlank() -> "$name ${person.surname}" else -> return } // ... }

fun processPerson(person: Person?) { val name = person?.name ?: throw Error("Imię jest wymagane") val fullName = when { !person.middleName.isNullOrBlank() -> "$name ${person.middleName} ${person.surname}" !person.surname.isNullOrBlank() -> "$name ${person.surname}" else -> throw Error("Nazwisko jest wymagane") } // ... }

Zarówno return, jak i throw deklarują Nothing jako swój typ zwracany. W konsekwencji czego Kotlin wywnioskuje String jako typ zarówno name, jak i fullName, ponieważ String jest najbliższym supertypem zarówno String, jak i Nothing.

Teraz możesz powiedzieć "I know Nothing". Niczym John Snow.

Kiedy kod jest nieosiągalny?

Gdy element deklaruje Nothing jako typ zwracany, oznacza to, że wszystko po jego wywołaniu jest nieosiągalne. Jest to uzasadnione: nie ma żadnych instancji Nothing, więc nie można ich zwrócić. Oznacza to, że instrukcja, która deklaruje Nothing jako swój typ wyniku, nigdy nie zakończy się w normalny sposób, więc kolejne instrukcje są nieosiągalne. Dlatego wszystko po fail lub throw będzie nieosiągalne.

Podobnie jest z return, TODO, error, itp. Jeśli nieopcjonalne wyrażenie deklaruje Nothing jako swój typ wyniku, wszystko po tym jest nieosiągalne. To prosta zasada, ale przydatna dla kompilatora. Jest również przydatna dla nas, ponieważ daje nam więcej możliwości. Dzięki tej zasadzie możemy użyć TODO() w funkcji, zamiast zwracać wartość. Wszystko, co deklaruje Nothing jako typ wyniku, kończy działanie funkcji (lub działa w nieskończoność), co sprawia, że kompilator ma pewność, że ta funkcja nie zakończy się bez wcześniejszego zwrócenia wyniku lub rzucenia wyjątku.

fun fizzBuzz(): String { TODO() }

Chciałbym zakończyć ten temat bardziej zaawansowanym przykładem, który pochodzi z biblioteki Kotlin Coroutines. Istnieje klasa MutableStateFlow, reprezentująca zmienną wartość, której zmiany stanu można obserwować za pomocą metody collect. Chodzi o to, że collect zawiesza bieżącą korutynę, dopóki to, co obserwuje, nie zostanie zakończone, ale StateFlow nie może zostać zakończone. Dlatego ta funkcja collect deklaruje Nothing jako swój typ zwracany.

public interface SharedFlow<out T> : Flow<T> { public val replayCache: List<T> override suspend fun collect( collector: FlowCollector<T> ): Nothing }

Jest to bardzo przydatne dla programistów, którzy być może nie wiedzą, jak działa collect. Dzięki Nothing IntelliJ informuje ich, że kod, który umieszczają po collect, jest nieosiągalny.

SharedFlow nie może być zamknięty, więc jego funkcja collect nigdy nie zwróci wartości, dlatego deklaruje Nothing jako swój typ wyniku.

Typ wartości null

Przyjrzyjmy się kolejnej osobliwości. Czy wiedziałeś, że możesz przypisać wartość null do zmiennej bez ustawiania jawnego typu? Co więcej, taką zmienną można użyć wszędzie tam, gdzie akceptowalny jest null.

fun main() { val n = null val i: Int? = n val d: Double? = n val str: String? = n }

Oznacza to, że null ma swój typ, który jest podtypem wszystkich typów nullowanych. Spójrz na hierarchię typów i zgadnij, jaki to typ.

Mam nadzieję, że odgadłeś, że typem null jest Nothing?. Teraz zastanów się nad wywnioskowanym typem a i b w poniższym przykładzie.

val a = if (predicate) "A" else null val b = when { predicate2 -> "B" predicate3 -> "C" else -> null }

W wyrażeniu if szukamy najbliższego nadtypu typów z obu gałęzi. Najbliższym nadtypem String i Nothing? jest String?. To samo dotyczy wyrażenia when: najbliższym nadtypem String, String i Nothing? jest String?. Wszystko ma sens.

Z tego samego powodu, kiedy wymagamy String?, możemy przekazać zarówno String, jak i null, którego typem jest Nothing?. Jest to jasne, gdy spojrzysz na hierarchię typów. String i Nothing? są jedynymi niepustymi podtypami String?.

Podsumowanie

W tym rozdziale nauczyliśmy się, że:

Klasa jest szablonem do tworzenia obiektów. Typ definiuje oczekiwania wobec wartości i jej funkcjonalności.

Każda klasa generuje typ nullowany i typ nienullowalny.

Dla każdej klasy i interfejsu typ nullowalny jest nadtypem jego typu nienullowalnego.

Nadtypem wszystkich typów jest Any?.

Nadtypem typów nienullowalnych jest Any.

Podtypem wszystkich typów jest Nothing.

Gdy funkcja deklaruje Nothing jako typ zwracany, oznacza to, że zgłosi błąd, przerwie program lub będzie działać w nieskończoność.

Zarówno throw, jak i return deklarują Nothing jako swój typ wyniku.

Kompilator Kotlin rozumie, że gdy wyrażenie deklaruje Nothing jako typ zwracany, wszystko dalej jest nieosiągalne.

Typem null jest Nothing?, który jest podtypem wszystkich typów nullowalnych.

W następnym rozdziale omówimy typy generyczne i zobaczymy, jak ważne są dla naszego systemu typów.

Parametry są również zmiennymi.

Z wyjątkiem ustalania, którą z przeciążonych funkcji wybrać.

Wszystko zależy od tego, co mierzymy, ale Python, Java i JavaScript zajmują pierwsze trzy miejsca w większości rankingów. W niektórych są wyprzedzane przez język C, który jest szeroko stosowany w programach pisanych niskopoziomowo.

Argumenty typów i parametry typów będą lepiej wyjaśnione w rozdziale Typy generyczne.

Wyjaśnię górne granice parametrów typów w rozdziale Typy generyczne.

Formalnie JavaScript obsługuje słabe typowanie, ale w tym rozdziale omawiamy statyczne typowanie, którego JavaScript nie obsługuje.

A także Wielka Stopa, Sasquatch, Yeti itp.

Piękno systemu typów w Kotlinie

Autor: