开发者分享在Copper语言中实验联合类型与选项类型的进展

2025-03-16

过去几年里，我在一门底层语言（Copper）和一门高层语言中试验过联合类型。我得到了非常有趣的结果，但目前我正在试验一个精简版本：只保留可选类型。

联合类型是一个包含两个或多个备选类型的列表，值可以属于其中任意一个类型。例如：

func f(x: Int | String) ... end

参数 x 既可以是字符串，也可以是整数。

有些语言允许直接对联合类型中所有类型共有的操作进行调用，例如，如果 Int 和 String 类型都有一个 print 方法，你可以直接写 x.print。但在基本情况下，你必须先判别值的实际类型，然后才能使用它：

func f(x: Int | String) match x case Int -> i // 把 i 当作整数处理 case String -> s // 把 s 当作字符串处理 end end

为 Copper 添加联合类型

在 Copper——我自己那门“更好的 C”语言——中，我试验了联合类型。我希望用 tag 来处理一般情况 T1|T2|...|Tn，同时也要处理 Pointer|Nothing 这种特殊情况，不加任何额外的 tag，而是用 NULL 指针值来判别，以便速度快并能轻松与外部库集成。

这个特性定义得不是很完善，为了高效编译，我加了很多限制。

(T1|T2)|T3 是不允许的。这简化了编译器的实现，因为联合类型的值是一个对

其中值部分不能递归地包含 tag。

T1|T2 与 T2|T1 是不同的。这个限制为常见模式提供了一个非常有用的捷径：

var file = match File.open(filename) case Error -> err return err else -> f f end

可以用语法糖重写为：

var file = File.open(filename)...

而不需要把 Error 类型内建到语言中：它只是取联合类型的第一个类型，在上面的例子中就是 Error|File。

否则就需要给每个类型分配一个全局唯一的 tag，或者在将表达式提升为兼容的联合类型时实现 tag 的重映射。

有了这样的限制，就可以很容易地为每个部分分配一个 tag：

这个特性确实很有用，但对于 Copper 这样一门极简的底层语言来说，编译器中的复杂度实在太高了。最烦人的部分是处理 Pointer|Nothing 这个特殊的优化情况。

所以，也许只处理 T|Nothing 就足够了，而对于错误，我就回到返回一个错误和一个值的方式。

可选类型只是联合类型的一个特殊情况：T|Nothing。它表示一个可能没有值的表达式。

可选类型 T? 可以拥有 T 的任意值，再加上特殊的 nil 值。

实现方式是在原始类型中保留一个值。每个类型可以定义自己的 nil 值。

对于指针，选择是显而易见的，nil 值就是地址 0，但它在语言中并不是硬编码的，任何其他地址也可以使用。

对于其他类型，则取决于具体情况。一个 32 位整数中的 24 位 RGB 颜色可以保留 0x8000_0000 作为 nil 值。一个有符号整数索引数据类型可以使用 -1，因为它通常表示无效或未找到的值。

这种实现有很多优点：

可选类型的核心思想是，如果不先确保它不是 nil 值，你就不能把它精化为它的主类型。

expr as id

这是一个布尔表达式，用于测试类型为 T? 的 expr 是否为 nil。如果表达式不是 nil，值会被复制到一个类型为 T 的局部不可变变量 id 中。

窍门在于这个变量不是直接可用的，它是在一个隐藏的作用域中创建的，在 3 种特殊情况下可以访问：

if expr as x // 这里可以使用 x end

while expr as x // 这里可以使用 x end

var isSingleton = list.head as first and first.next == nil

if list.head as first and first.next == nil // first 在 'and' 之后可用 // 这里也可以使用 first end

允许提前返回

as 操作符已经足够了，但它可能导致箭头反模式：

if expr1 as v1 if expr2 as v2 if expr3 as v3 // 做点什么 else return err3 end else return err2 end else return err1 end

可以用提前返回来解决，但如果没有新的构造，这是不可能的，或者用 else，在表达式为 nil 时求值一个块：

var v1 = expr1 or else return err1 end

var v2 = expr2 or else return err2 end

var v3 = expr3 or else return err3 end

// 做点什么

该块必须以 return、break 或 pass 结束。

理论上这很优美：不先检查指针的值，你就不能解引用它，否则编译器会报错。不幸的是，在实际代码中，有很多情况你知道某个值是存在的，但编译器无法知道。例如：

当然，这些可以用不同的方式解决：

但要么效率低下并且可能使代码混乱（为什么这里要测试值，它不是应该在这个点就已经定义了吗？），要么通过添加新的类和代码使代码更复杂。

更简单和更容易的做法是直接强制类型精化，并给读者留一条注释，说明为什么在代码的某个特定点可以安全地假设该值已定义。

为此我没有给 Copper 添加任何东西，该语言已经有 cast 操作符，可以在没有任何验证的情况下改变表达式的类型。不过我在标准库中添加了一个方便的 notNil 方法，在 debug 模式下执行运行时检查：

var value = maybeValue.notNil // 我知道我在做什么

扩展可选类型

可选类型默认只有很少的方法：

但有时你想在类型上编写方法，即使它可以是 nil。下面是一个常见的例子：

if obj as x x.delete end

defopt 命令允许在可选类型上定义方法：

defopt delete // delete 适用于 T? if self as x // 'self' 的类型是 T? // 'x' 的类型是 T // 调用实际的 delete x.delete end end

现在你只需这样做：

obj.delete

带 Nil 检查器的可选类型

问题是

（原文较长，此处译出前 6000 字，完整内容请点「打开原文」。）