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子類型

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參數多態
子類型

在編程語言理論中，子類型（動名詞，英語：subtyping）是一種類型多態的形式。這種形式下，子類型（名詞，英語：subtype）可以替換另一種相關的數據類型（超類型，英語：supertype）。也就是說，針對超類型元素進行操作的子程序、函數等程序元素，也可以操作相應的子類型。如果 S 是 T 的子類型，這種子類型關係通常寫作 S <: T，意思是在任何需要使用 T 類型對象的環境中，都可以安全地使用 S 類型的對象。子類型的準確語義取決於具體的編程語言中「X 環境中，可以安全地使用 Y」的意義。編程語言的類型系統定義了各自不同的子類型關係。

由於子類型關係的存在，某個對象可能同時屬於多種類型，因此，子類型（英語：subtyping）是一種類型多態的形式，也被稱作子類型多態（英語：subtype polymorphism）或者包含多態（英語：inclusion polymorphism）。在面向對象程序設計中，多態一般僅指這裡所說的「子類型多態」，而「參數多態」則一般被稱作泛型編程。

子類型與面向對象語言中（類或對象）的繼承是兩個概念。子類型反映了類型（即面向對象中的接口）之間的關係；而繼承反映了一類對象可以從另一類對象創造出來，是語言特性的實現。因此，子類型也稱接口繼承；繼承稱作實現繼承。

例子

子類型的例子：鳥

右圖中給出了子類型的一個簡單實際例子。一般性對象「鳥」（或超類型）引發了三個派生對象（或子類型）「鴨子」、「杜鵑」和「鴕鳥」。每個都以自己的方式改變了基本的「鳥」的概念，但仍繼承了很多「鳥」的特徵。一個數據對象可以被聲名為這四種類型中任何一個。這個圖中使用了 UML 符號，箭頭指示方向和超類型和它的子類型之間的聯繫。

在多數基於類的面向對象編程語言中，子類引出子類型：如果 A 是 B 的子類，則類 A 的實例可以用在期望類 B 的實例的任何上下文中；所以我們稱 A 是 B 的子類型。一個結論就是聲明有類型 B 的任何變量或形式參數在運行時間可以持有類 A 的一個值；在這種情況下很多面向對象編程者會聲稱 B 是這個變量的「靜態類型」而 A 是它的「動態類型」。這個規則的例外包括 C++語言中的私有繼承（它不建立子類型），和 Eiffel 語言中在派生類型上特定運算，在其中繼承自基類的特徵可以用違反子類型規則的方式去除或修改。

另一個例子是可以允許整數值被用在期望浮點數值的地方，或可以定義包含整數和實數二者的一個類型 number 的語言。在第一種情況下，整數類型將是浮點數類型的子類型；在第二種情況下，這兩個類型都是 number 的子類型而相互之間無子類型關係。

編程者可利用子類型來以比沒有它更抽象的方式來寫代碼。考慮下面的例子: 

function max (x as number, y as number) is
  if x < y then
    return y
  else
    return x
end

如果整數和實數都是 number 的子類型，則二者任何類型都可以傳遞給這個函數。為此，子類型經常被認為是一種形式的多態性。上述例子也可以比較於 C++ 語言的模板。

在類型論中，子類型關係經常寫為 <:，有着 A<:B 意味着 A 是 B 的子類型。在類型論中子類型可用如下事實來特徵化，如果 A<:B，類型 A 的任何表達式也可被給予類型 B；立法這個特徵化的形式類型規則叫做「包容」規則。

子類型方案

類型理論研究者區分兩類類型系統：

上面描述的基於類的面向對象子類型描述是名義的；面向對象的結構子類型規則可以聲稱，如果類型 A 的一個對象能處理類型 B 的對象能處理的所有消息（就是說，如果它們定義都同樣的方法），則 A 是 B 的子類型，不管二者任何一個是否從繼承自其他對象。不是對象類型的類型的健壯的結構子類型規則也是周知的。

帶有子類型的編程語言實現可分為兩大類:

  • 如果 A<:B，類型 A 的任何值的表示也表示類型 B 的相同值，則為「包含實現」（inclusive implementation）。
  • 類型 A 的值可自動的轉換成類型 B 的值，則為「強制實現」（ coercive implementation）。即類型強制轉換之意。

在面向對象語言中子類型所導致的子類型通常是包含的；聯繫整數和浮點數的子類型關係，它們有不同表示，通常是強制的。

在定義子類型關係的幾乎所有類型系統中，它是自反的（意味着對於任何類型 A 有 A<:A）和傳遞的（意味着如果 A<:B 並且 B<:C 則 A<:C）。這得到了在類型上的預序。

記錄類型

記錄是命名的域（field）的集合。記錄類型（types of records）的子類型化包括寬度與深度兩種方式。

  • 寬度子類型化（width subtyping）：給記錄增加更多的域。
  • 深度子類型化（depth subtyping）：把超類型（supertype）的域替換為域的子類型。這僅能用於只讀（immutable）記錄。

函數類型

對於函數類型T1 → T2，其子類型為S1 → S2，則T1 <: S1且S2 <: T2。參數類型S1 → S2為逆變，返回類型為協變。

允許副作用的語言，如大部分面向對象語言，子類型化還不足以保證安全在另一個上下文中使用。行為子類型化要求保持不變。[1]

可變引用（mutable reference）的子類型化類似於函數參數與返回值的處理。只寫引用是逆變的；只讀引用是協變的；可變引用是不變的。

類型強制

在強制子類型化系統（coercive subtyping system），子類型通過從子類型到超類型的隱式類型轉換函數得以定義。對於每個子類型關係 (S <: T)，一個強制關係coerce: S → T，使得任何對象s 為類型S，可以視作對象coerceS → T(s)具有類型T。類型強制函數可以複合：如果S <: T且T <: U，難麼s 可以看作類型u在複合強制關係(coerceT → U ∘ coerceS → T)。類型到其自身的coerceT → T是同一函數idT

參考文獻

引用

  1. ^ Barbara Liskov, Jeannette Wing, A behavioral notion of subtyping （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, ACM Transactions on Programming Languages and Systems (TOPLAS), Volume 16, Issue 6 (November 1994), pp. 1811 - 1841. An updated version appeared as CMU technical report: Liskov, Barbara; Wing, Jeannette. Behavioral Subtyping Using Invariants and Constraints (PS). July 1999 [2006-10-05]. （原始內容存檔於2012-08-30）. 

來源

外部連結

參見

  • 派生類型是給出新類型但結構上同於最初類型的類型。依賴於類型系統，它可以是也可以不是子類型。
  • 基於類的編程有混淆了子類型和子類導致的問題的一個例子。


取自「https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=子类型&oldid=64156807」