现代语言的空安全

2024-01-25 2024-07-20 2300 words 11 minutes

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所谓空安全，也就是null safety，它是部分现代语言具有的新特性，如dart和kotlin，既然它是现代语言才具备的特性，说明之前的语言往往没有，例如java

java的空值不安全

众所周知，java只有原始类型和引用类型，而所有引用类型都是Object类的子类或Object类它自己，而java的空值不安全，也就出现在引用类型上。
java的引用类型本质上就是指针，而作为深受C++影响的语言，它的引用类型也继承了C++的指针的问题——空指针问题

在java中定义的任何一个类，都是Obecjt的子类，任何一个类的对象，都可以为空，也就是为null，也就是说，引用类型包含了null!

所谓‘包含’，这又涉及一个概念，可以把一个类型看作一个集合，而这个类型的任何一个值看作这个集合中的一个元素，例如：

int类型表示集合 $\Set{ x | x \in Z \land -2^{31} \le x \le 2^{31} - 1 } $ ，即所有int值的集合
float类型表示的集合比较复杂，首先float是离散的，能表示的值范围有限而且精度有限，而且不是等间距的，还包括了IEEE定义的inf，-inf，以及NaN
Object类型表示的集合更复杂，但可以任何是程序运行过程中可能创建的所有Obejct对象以及它的子类的对象

而null值可以作为任意引用类型的对象的值，这在数学上造成了一个漏洞，造成了以下问题

null值属于什么类型？
因为null可以作为任意引用类型的对象的值，所以null是任何引用类型的一个实例或它的子类的实例，但很明显这样的值是不能存在的
在类中定义的方法和属性，在类的实例（对象）上不一定可用
java的Object对象有一个方法toString()，然而你不能在null上调用这种方法，否则会抛出异常，严格来说，在使用toString()前应该先判断这个对象是否为null

这样的漏洞都可以使用引用类型来解释，因为引用类型的所有值都代表对某个对象的引用，所以这个值可以为空，表示没有引用任何对象

C++的空值安全？

C++的空值安全比较复杂，分为指针和引用两种类型
指针很明显空值不安全，java的空值不安全本质上还是指针的空值不安全
引用最大的优点就是，不存在空引用，也就是说，它缓解了C++的空指针问题，在合适的场合使用引用代替指针，可以减少空指针出现的情况

python的空值安全

python相比java和JS，有一个很明显的特点：一切皆对象，也就是说，python中的所有值都是对象，也就是object类的实例，自然None也是object的实例
然而，None是NoneType类的直接对象，也就是说，任何NoneType类以外的对象，都不可能为None，这么看来，python的空值设计比较合理

graph TD
    object --> NoneType --唯一实例--> None
    object --> str
    object --> int
    object --> ...

但问题在于，python是动态类型语言，也就是说变量运行时类型可以随意改变，在使用type hint之前，python并不能从空值安全的设计中受益
如果使用type hint，并引入严格的静态类型检查，python就是空值安全的。

假设你需要使用一个字符串变量，并且它可能为None，就应该写成
python
```
x : str | None = "...."
```
如果你需要使用字符串的strip方法：
python
```
x.strip()
```
这样的写法并不会通过诸如mypy这样的静态类型检查器，需要使用’type guard’保证x的类型为str而不是str | None
python
```
assert x is not None
x.strip()
# 或
assert isinstance(x, str)
x.strip()
# 或
if isinstance(x, str):
    x.strip()
```
假设你需要使用一个字符串，而且它不可能为空，应该写成
python
```
x : str = "...."
```
尝试给它赋值None，可以运行但是无法通过静态类型检查
python
```
x : str = None  # mypy报错

# 或
x : str = "...."
x = None    # mypy报错
```

dart的类型安全

dart3.0引入了一个新特性：空值安全
dart也是一切皆对象，而dart只有两类类型，一个是Null类，一个是Object类。从语言的底层设计就能看出dart对空值的态度

如果一个变量不能为空

dart

String x = "...."
// 不能为空的变量必须在声明时赋初值，如果是类的属性，则必须在构造函数中赋值

如果可能为空

dart

String? x;
// 可空的变量，默认初值为null

String?不是任何传统的类型，而是两种类型的组合，类似python的str | None，如果使用前文提及的集合的观点，这种类型属于String类型和Null类型的集合并集，只不过dart并没有提供使用class关键字定义这个类的语法能力

此外dart是静态类型的语言，还拥有强大的类型推断能力(type inference)，又提供了null相关的语法糖，能够避免写下很多琐碎的类型断言（例如python的assert x is not None） null相关语法糖使用了 !和?，并和dart其他特性配合，组合出非常多的使用方式，例如在级联操作符中使用，在pattern中使用等等，例如

null-aware
dart
```
String? notAString = null;
print(notAString?.length);
```
如果notAString为null，不报错，表达式返回null
null-aware短路
dart
```
showGizmo(Thing? thing) {
    print(thing?.doohickey.gizmo);
}
```
如果thing为null，不会评估表达式后面的部分，直接返回，避免写下thing?.doohickey?.gizmo这样繁琐的表达式
null-aware与下标运算符
dart
```
receiver?[index];
```
null-aware与级联运算符
dart
```
receiver?..method();
```

null assert

dart

String toString() {
    if (code == 200) return 'OK';
    return 'ERROR $code ${error!.toUpperCase()}';
}

一旦error的运行时类型为null，就会出现转型错误（cast error），抛出运行时异常

与pattern配合

dart

String? maybeString = 'nullable with base type String';
    switch (maybeString) {
    case var s?:
    // 's' has type non-nullable String here.
}

dart

List<String?> row = ['user', null];
    switch (row) {
    case ['user', var name!]: // ...
    // 'name' is a non-nullable string here.
}

dart

(int?, int?) position = (2, 3);

var (x!, y!) = position;

dart的null safety有一个特点：一个变量，只要编译器确定了它不为空，那么它永远不可能为null，这种特性被称为sound null safety