Типизация в языках
Давайте наведем порядок в голове
Александр Майоров — FullStack CTO
Aug 4, 2016 · 3 min read
Языки программирования по типизации делятся на два больших лагеря — типизированные и не типизированные.
Типизированные языки
К типизированным языкам относятся
Не типизированные языки
Да-да, именно так. JavaScript, как и многие другие интерпретируемые языки — типизированный. Поэтому ни в коем случае не говорите, что он не типизированный. Особенно на собеседованиях!
В свою очередь, типизированные языки разделяются еще на несколько пересекающихся категорий:
Языки со статической типизацией
При статической типизации финальные типы переменных и функций устанавливаются на этапе компиляции. Компилятор еще до запуска программы исправляет (точнее ругается на них, тыкая вас лицом в) ваши ошибки при несоответствии типов.
Представители: C/C++, C#, Java.
TypeScript — язык со статической типизацией.
Языки с динамической типизацией
В ди н амической типизации все типы определяются уже во время выполнения программы. И если вы допустили ошибку, то узнаете об этом только при выполнении (или не узнаете, зависит от уровня реагирования на ошибки в конфигурации вашего компилятора/интепретатора). Поэтому при динамической типизации очень важно уделять особое внимание проверкам и перехвату ошибок.
Представители: JavaScript, PHP, Python, Ruby…
Строгая типизация (сильная)
Языки со строгой типизацией не позволяют смешивать в выражениях различные типы и не будут выполнять автоматически неявные преобразования типов. К примеру, нельзя вычесть из строки число или какой-то другой тип, не являющегося строкой.
Представители: Java, Python, Haskell, Lisp…
Кстати TypeScript добавляет строгую типизацию и не позволяет смешивать типы:
Нестрогая типизация (слабая)
Языки с нестрогой типизацией выполняют множество неявных преобразований типов автоматически. Они делают это, даже если может произойти потеря точности или преобразование неоднозначно.
Представители: JavaScript (йаху!), Lua, Visual Basic, PHP…
Явная типизация
В явно типизированных языках тип новых переменных, функций и аргументов нужно задавать явно.
Представители: C++, D, C#…
Кстати TypeScript — язык с явной и неявной строгой типизацией одновременно. Неявная типизация досталась от JS (так как TS — это JS). А вот фича и особенность TS — это его природа явно типизированного языка.
Неявная типизация
В языках с неявной типизацией задачу по указанию типов перекладывают на компилятор/интерпретатор.
Представители: JavaScript (еее!), PHP, Lua, Python ( хотя с версии 3 есть аннотации типов, которые как бы добавляют явную типизацию)…
В таких языках, как правило, у объектов существуют специальные методы, вызываемые при приведении к типу. К примеру, в PHP есть метод _toString(), а в JavaScript одноименный метод, но без подчеркивания — toString(). Эти методы вызываются при приведении объекта к строковому типу. Иногда такие методы называют магическими (любые неявные процессы — это всегда магия).
Важно заметить, что все эти категории пересекаются. Исходя из этих категорий, получаем, что JavaScript имеет динамическую неявную типизацию. При этом TypeScript имеет статическую строгую явную типизацию с возможностями неявно типизированного языка, но компилируется (транслируется/транспилируется) в рантайм код с неявной динамической типизацией.
Если говорить проще про JavaScript, то характер языка можно описать так: в любой непонятной ситуации приводи все к примитивам, преимущественно к строке (хотя это зависит от того, кто стоит в левой и правой частях выражения). На деле все немного сложнее, но если выучить несколько простых правил, то все становится очень даже просто и понятно (магия исчезает). Подробности про приведение типов в JavaScript:
Типизация языков программирования: разбираемся в основах
Авторизуйтесь
Типизация языков программирования: разбираемся в основах
Типизация языков программирования — это то, как различные языки распознают типы переменных. Она определяет, как вы будете работать с типами переменных: нужно ли их задавать изначально, можно ли изменять и так далее.
Виды типизации
Языки программирования бывают типизированными и нетипизированными (бестиповыми).
Бестиповая типизация в основном присуща старым и низкоуровневым языкам программирования, например Forth. Все данные в таких языках считаются цепочками бит произвольной длины и, как следует из названия, не делятся на типы. Работа с ними труднее, и при чтении кода не всегда ясно, о каком типе переменной идет речь. Это можно исправить, написав комментарии к коду.
При этом у нетипизированных языков немало плюсов. В них можно совершать операции с любыми данными, и код получается более эффективным.
Перейдём к типизированным языкам.
Статическая и динамическая типизация
Особенность языков программирования со статической типизацией в том, что проверка типов начинается на стадии компиляции. Компиляторы ищут ошибки ещё до запуска программы, и вам не нужно раз за разом запускать её, чтобы выяснить, что пошло не так. Благодаря этому статически типизированные языки программирования зачастую быстрее. Кроме того, тип для переменной можно назначить только один раз. Например в Java такая запись вызовет ошибку на этапе компиляции:
В свою очередь, языки с динамической типизацией ищут ошибки на стадии исполнения. В них можно задать разные типы для одной и той же переменной, и они более гибкие. Например, в Python возможна такая запись, и ошибки не будет:
Сильная и слабая типизация
В слабо типизированных языках программирования можно смешивать разные типы данных. Так код получается короче — язык «старается» сам выполнять операции преобразования с разными типами. Впрочем, в таком случае не всегда ясно, как поведёт себя программа. Например, в JavaScript возможна такая запись:
При сильной или строгой типизации, как в Python, язык не позволяет смешивать разные типы — то есть, если вы обозначили переменную как число, то добавить к ней строку уже не получится:
Языки с сильной типизацией надёжнее. Да и программист, прописывая все преобразования вручную, лучше понимает, как работает его код.
Явная и неявная типизация
В языках программирования с явной типизацией типы переменных и возвращаемых значений функций нужно задавать. Это дольше, но так проще определять, что значат все данные, а программисту не придётся запоминать или записывать отдельно каждое значение. В языке С переменную нужно записывать так:
При неявной типизации тип переменной определяется интерпретатором или компилятором, поэтому записи в таких языках короче. Иногда они позволяют вручную указывать типы значений, как в Haskell или Python. В Python возможна такая запись, ведь язык сам определит, что это целое число:
Типизация в разных языках программирования
Разные категории могут пересекаться. Обычно языку программирования присуще одно значение из каждой группы: он может быть сильным или слабым, явным или неявным. Но есть несколько исключений. Так, Python с аннотациями может поддерживать явную типизацию, а язык D, наоборот, — неявную. С# поддерживает динамическую типизацию благодаря ключевым словам dynamic и var, Delphi — благодаря типу Variant, а С++ — с помощью библиотеки Boost и имеет одновременно черты языка с сильной и
слабой типизацией.
Что такое типизация в программировании
Объясняем, что это такое, какая бывает типизация и на что она влияет.
Если вы читали что-то о языках программирования, то наверняка не раз наткнулись на упоминание типизации. Что это такое и что об этом нужно знать, когда выбираешь язык программирования?
Типизация — это то, как язык распознаёт типы переменных. Типизация определяет, нужно ли вам писать тип, или язык «поймёт» его сам, и насколько свободно можно с типами работать: например, можно ли их менять.
В бэкграунде — программирование, французский язык, академическое рисование, капоэйра. Сейчас учит финский. Любит путешествия и Балтийское море.
А что такое типы?
В переменную можно записывать информацию, а тип переменной описывает, какая именно информация записана в переменной и что с ней можно делать.
Типы бывают разные и немного различаются в разных языках.
Зачем нужно знать о типизации?
От типизации зависит, как вам работается с языком, как он себя ведёт. Если вы знаете, какие выгоды или проблемы приносят разные виды типизации, вам легче будет выбрать язык.
Какая бывает типизация?
Слабая и сильная
Если у языка сильная типизация (её ещё называют строгой), это значит, что он требует, чтобы разработчики строго следовали правилам работы с типами: если вы обозначили что-то как целое число, будьте добры с ним работать как с целым числом.
Языки со слабой типизацией «добрее»: если вы решите прибавить число к тексту, они не будут ругаться, а попробуют сделать то, что вы просите. Правда, результат может быть не совсем таким, как вы планировали.
В JavaScript, языке со слабой типизацией, можно сложить строку с числом, например вот так:
И получить строку «21».
А в Java так сделать нельзя: появится ошибка.
Статическая и динамическая
Статическая типизация значит, что типы определяются на этапе компиляции. То есть ошибки в типах будут видны ещё до того, как программа запустится.
В языках с динамической типизацией типы определяются во время выполнения программы.
Так, в динамически типизированном языке у одной и той же переменной могут быть разные типы в разных частях программы, а в статически типизированном, если вы задали переменной тип string, у неё будет только тип string.
Например, в Python (динамическая типизация) можно сделать вот так:
И язык не будет возражать. В Java (статическая типизация) так сделать нельзя.
Явная и неявная
Ещё типизацию делят на явную и неявную. Когда типизация неявная, тип определяется сам в момент, когда вы записываете в переменную информацию.
Например, если в Python написать так:
Он прочитает, что вы записали в переменную b целое число, и определит b как integer (int).
Явная типизация значит, что тип переменной написан. Например, в С переменная записывается вот так:
Само по себе разделение типизации на явную и неявную не столь важно: в статически типизированных языках она почти всегда явная, а в динамически — неявная.
Как типизация влияет на работу с языком?
Важно учитывать, что типизация — далеко не единственный фактор, который влияет на скорость. Нельзя сказать, что все языки со статической типизацией быстрее языков с динамической.
В каких языках какая типизация
Напоследок — типизации некоторых популярных языков:
Если вы пока новичок в программировании, то приглашаем вас на наш курс «Python-разработчик». Потому что Python — один из лучших языков для начинающих, в том числе благодаря своей типизации. Он научит дисциплине в работе с переменными, но при этом не уморит долгой писаниной. В курсе расскажут подробнее о разных типах переменных и динамической типизации, научат работе с классами и объектами и познакомят с разными библиотеками.
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:
Примеры:
Статическая: C, Java, C#;
Динамическая: Python, JavaScript, Ruby.
Примеры:
Сильная: Java, Python, Haskell, Lisp;
Слабая: C, JavaScript, Visual Basic, PHP.
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.
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
Недостатки
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?
Преимущества статической типизации
Преимущества динамической типизации
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):
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):
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++):
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:
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
Преимущества слабой типизации
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.
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!
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
Преимущества неявной типизации
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:
* Спасибо int_index за нахождение ошибки.
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:
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):
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:
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”.
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.