برندهای اسمی در تایپ‌اسکریپت: تعاریف نوعی مات برای افزایش ایمنی نوع

تایپ‌اسکریپت، با وجود ارائه تایپینگ استاتیک، عمدتاً از تایپینگ ساختاری استفاده می‌کند. این بدان معناست که انواع، در صورتی که شکل یکسانی داشته باشند، بدون توجه به نام‌های اعلام شده‌شان، سازگار در نظر گرفته می‌شوند. اگرچه این رویکرد انعطاف‌پذیر است، اما گاهی اوقات می‌تواند منجر به جایگزینی‌های ناخواسته نوع و کاهش ایمنی نوع شود. برندینگ اسمی (Nominal branding)، که به آن تعاریف نوعی مات (opaque type definitions) نیز گفته می‌شود، راهی برای دستیابی به یک سیستم نوع قوی‌تر، نزدیک به تایپینگ اسمی، در تایپ‌اسکریپت ارائه می‌دهد. این رویکرد از تکنیک‌های هوشمندانه‌ای استفاده می‌کند تا انواع به گونه‌ای رفتار کنند که گویی نام‌های منحصربه‌فردی دارند، و از این طریق از اشتباهات تصادفی جلوگیری کرده و صحت کد را تضمین می‌کند.

درک تفاوت تایپینگ ساختاری و اسمی

قبل از پرداختن به برندینگ اسمی، درک تفاوت بین تایپینگ ساختاری و اسمی بسیار مهم است.

تایپینگ ساختاری

در تایپینگ ساختاری، دو نوع در صورتی سازگار در نظر گرفته می‌شوند که ساختار یکسانی داشته باشند (یعنی دارای خصوصیات یکسان با انواع یکسان باشند). این مثال تایپ‌اسکریپت را در نظر بگیرید:

interface Kilogram { value: number; }
interface Gram { value: number; }

const kg: Kilogram = { value: 10 };
const g: Gram = { value: 10000 };

// تایپ‌اسکریپت این را مجاز می‌داند زیرا هر دو نوع ساختار یکسانی دارند
const kg2: Kilogram = g;

console.log(kg2);

با وجود اینکه `Kilogram` و `Gram` واحدهای اندازه‌گیری متفاوتی را نشان می‌دهند، تایپ‌اسکریپت اجازه می‌دهد یک شیء `Gram` به یک متغیر `Kilogram` اختصاص داده شود، زیرا هر دو دارای یک خاصیت `value` از نوع `number` هستند. این می‌تواند منجر به خطاهای منطقی در کد شما شود.

تایپینگ اسمی

در مقابل، تایپینگ اسمی دو نوع را تنها در صورتی سازگار می‌داند که نام یکسانی داشته باشند یا یکی به صراحت از دیگری مشتق شده باشد. زبان‌هایی مانند جاوا و سی‌شارپ عمدتاً از تایپینگ اسمی استفاده می‌کنند. اگر تایپ‌اسکریپت از تایپینگ اسمی استفاده می‌کرد، مثال بالا منجر به یک خطای نوع می‌شد.

نیاز به برندینگ اسمی در تایپ‌اسکریپت

تایپینگ ساختاری تایپ‌اسکریپت به طور کلی به دلیل انعطاف‌پذیری و سهولت استفاده مفید است. با این حال، موقعیت‌هایی وجود دارد که برای جلوگیری از خطاهای منطقی به بررسی نوع سخت‌گیرانه‌تری نیاز دارید. برندینگ اسمی یک راه‌حل برای دستیابی به این بررسی سخت‌گیرانه‌تر بدون فدا کردن مزایای تایپ‌اسکریپت فراهم می‌کند.

این سناریوها را در نظر بگیرید:

• مدیریت ارز: تمایز بین مقادیر `USD` و `EUR` برای جلوگیری از ترکیب تصادفی ارزها.
• شناسه‌های پایگاه داده: اطمینان از اینکه یک `UserID` به طور تصادفی در جایی که یک `ProductID` انتظار می‌رود استفاده نشود.
• واحدهای اندازه‌گیری: تمایز بین `Meters` و `Feet` برای جلوگیری از محاسبات نادرست.
• داده‌های امن: تمایز بین `Password` به صورت متن ساده و `PasswordHash` هش‌شده برای جلوگیری از افشای تصادفی اطلاعات حساس.

در هر یک از این موارد، تایپینگ ساختاری می‌تواند منجر به خطا شود زیرا نمایش زیربنایی (مانند یک عدد یا رشته) برای هر دو نوع یکسان است. برندینگ اسمی به شما کمک می‌کند تا با متمایز کردن این انواع، ایمنی نوع را اعمال کنید.

پیاده‌سازی برندهای اسمی در تایپ‌اسکریپت

چندین روش برای پیاده‌سازی برندینگ اسمی در تایپ‌اسکریپت وجود دارد. ما یک تکنیک رایج و مؤثر با استفاده از اشتراک‌ها (intersections) و سیمبل‌های منحصر به فرد (unique symbols) را بررسی خواهیم کرد.

استفاده از اشتراک‌ها و سیمبل‌های منحصر به فرد

این تکنیک شامل ایجاد یک سیمبل منحصر به فرد و اشتراک آن با نوع پایه است. سیمبل منحصر به فرد به عنوان یک «برند» عمل می‌کند که نوع را از سایر انواع با ساختار یکسان متمایز می‌کند.

// تعریف یک سیمبل منحصر به فرد برای برند کیلوگرم
const kilogramBrand: unique symbol = Symbol();

// تعریف نوع کیلوگرم که با سیمبل منحصر به فرد برند شده است
type Kilogram = number & { readonly [kilogramBrand]: true };

// تعریف یک سیمبل منحصر به فرد برای برند گرم
const gramBrand: unique symbol = Symbol();

// تعریف نوع گرم که با سیمبل منحصر به فرد برند شده است
type Gram = number & { readonly [gramBrand]: true };

// تابع کمکی برای ایجاد مقادیر کیلوگرم
const Kilogram = (value: number) => value as Kilogram;

// تابع کمکی برای ایجاد مقادیر گرم
const Gram = (value: number) => value as Gram;

const kg: Kilogram = Kilogram(10);
const g: Gram = Gram(10000);

// این کد اکنون باعث خطای تایپ‌اسکریپت می‌شود
// const kg2: Kilogram = g; // نوع 'Gram' قابل انتساب به نوع 'Kilogram' نیست.

console.log(kg, g);

توضیح:

• ما با استفاده از `Symbol()` یک سیمبل منحصر به فرد تعریف می‌کنیم. هر فراخوانی `Symbol()` یک مقدار منحصر به فرد ایجاد می‌کند و تضمین می‌کند که برندهای ما متمایز هستند.
• ما انواع `Kilogram` و `Gram` را به عنوان اشتراک `number` و یک شیء حاوی سیمبل منحصر به فرد به عنوان کلید با مقدار `true` تعریف می‌کنیم. اصلاح‌کننده `readonly` تضمین می‌کند که برند پس از ایجاد قابل تغییر نباشد.
• ما از توابع کمکی (`Kilogram` و `Gram`) با تأیید نوع (`as Kilogram` و `as Gram`) برای ایجاد مقادیر از انواع برندشده استفاده می‌کنیم. این کار ضروری است زیرا تایپ‌اسکریپت نمی‌تواند به طور خودکار نوع برندشده را استنتاج کند.

اکنون، تایپ‌اسکریپت به درستی هنگام تلاش برای اختصاص یک مقدار `Gram` به یک متغیر `Kilogram` یک خطا را نشان می‌دهد. این کار ایمنی نوع را اعمال کرده و از ترکیب‌های تصادفی جلوگیری می‌کند.

برندینگ عمومی برای قابلیت استفاده مجدد

برای جلوگیری از تکرار الگوی برندینگ برای هر نوع، می‌توانید یک نوع کمکی عمومی ایجاد کنید:

type Brand = K & { readonly __brand: unique symbol; };

// تعریف کیلوگرم با استفاده از نوع عمومی Brand
type Kilogram = Brand;

// تعریف گرم با استفاده از نوع عمومی Brand
type Gram = Brand;

// تابع کمکی برای ایجاد مقادیر کیلوگرم
const Kilogram = (value: number) => value as Kilogram;

// تابع کمکی برای ایجاد مقادیر گرم
const Gram = (value: number) => value as Gram;

const kg: Kilogram = Kilogram(10);
const g: Gram = Gram(10000);

// این کد همچنان باعث خطای تایپ‌اسکریپت می‌شود
// const kg2: Kilogram = g; // نوع 'Gram' قابل انتساب به نوع 'Kilogram' نیست.

console.log(kg, g);

این رویکرد سینتکس را ساده کرده و تعریف انواع برندشده را به صورت منسجم آسان‌تر می‌کند.

موارد استفاده پیشرفته و ملاحظات

برندینگ اشیاء

برندینگ اسمی را می‌توان برای انواع شیء نیز به کار برد، نه فقط برای انواع اولیه مانند اعداد یا رشته‌ها.

interface User {
  id: number;
  name: string;
}

const UserIDBrand: unique symbol = Symbol();
type UserID = number & { readonly [UserIDBrand]: true };

interface Product {
  id: number;
  name: string;
}

const ProductIDBrand: unique symbol = Symbol();
type ProductID = number & { readonly [ProductIDBrand]: true };

// تابعی که UserID انتظار دارد
function getUser(id: UserID): User {
  // ... پیاده‌سازی برای واکشی کاربر بر اساس شناسه
  return {id: id, name: "Example User"};
}

const userID = 123 as UserID;
const productID = 456 as ProductID;

const user = getUser(userID);

// اگر این خط از کامنت خارج شود، باعث خطا می‌شود
// const user2 = getUser(productID); // آرگومان از نوع 'ProductID' قابل انتساب به پارامتر از نوع 'UserID' نیست.

console.log(user);

این کار از ارسال تصادفی یک `ProductID` در جایی که یک `UserID` انتظار می‌رود، جلوگیری می‌کند، حتی اگر هر دو در نهایت به عنوان اعداد نمایش داده شوند.

کار با کتابخانه‌ها و انواع خارجی

هنگام کار با کتابخانه‌ها یا APIهای خارجی که انواع برندشده ارائه نمی‌دهند، می‌توانید از تأیید نوع برای ایجاد انواع برندشده از مقادیر موجود استفاده کنید. با این حال، هنگام انجام این کار محتاط باشید، زیرا شما اساساً تأیید می‌کنید که مقدار با نوع برندشده مطابقت دارد و باید اطمینان حاصل کنید که این واقعاً چنین است.

// فرض کنید یک عدد از یک API دریافت می‌کنید که نشان‌دهنده یک UserID است
const rawUserID = 789; // عدد از یک منبع خارجی

// ایجاد یک UserID برندشده از عدد خام
const userIDFromAPI = rawUserID as UserID;

ملاحظات زمان اجرا

مهم است به یاد داشته باشید که برندینگ اسمی در تایپ‌اسکریپت صرفاً یک ساختار زمان کامپایل است. برندها (سیمبل‌های منحصر به فرد) در طول کامپایل حذف می‌شوند، بنابراین هیچ سربار زمان اجرایی وجود ندارد. با این حال، این همچنین به این معنی است که شما نمی‌توانید برای بررسی نوع در زمان اجرا به برندها تکیه کنید. اگر به بررسی نوع در زمان اجرا نیاز دارید، باید مکانیزم‌های اضافی مانند محافظ‌های نوع سفارشی (custom type guards) را پیاده‌سازی کنید.

محافظ‌های نوع برای اعتبارسنجی زمان اجرا

برای انجام اعتبارسنجی زمان اجرای انواع برندشده، می‌توانید محافظ‌های نوع سفارشی ایجاد کنید:

function isKilogram(value: number): value is Kilogram {
  // در یک سناریوی واقعی، ممکن است بررسی‌های اضافی در اینجا اضافه کنید،
  // مانند اطمینان از اینکه مقدار در محدوده معتبری برای کیلوگرم قرار دارد.
  return typeof value === 'number';
}

const someValue: any = 15;

if (isKilogram(someValue)) {
  const kg: Kilogram = someValue;
  console.log("مقدار یک کیلوگرم است:", kg);
} else {
  console.log("مقدار یک کیلوگرم نیست");
}

این به شما امکان می‌دهد تا نوع یک مقدار را در زمان اجرا به طور ایمن محدود کنید و اطمینان حاصل کنید که قبل از استفاده، با نوع برندشده مطابقت دارد.

مزایای برندینگ اسمی

• افزایش ایمنی نوع: از جایگزینی‌های ناخواسته نوع جلوگیری کرده و خطر خطاهای منطقی را کاهش می‌دهد.
• بهبود وضوح کد: با تمایز صریح بین انواع مختلف با نمایش زیربنایی یکسان، کد را خواناتر و قابل فهم‌تر می‌کند.
• کاهش زمان اشکال‌زدایی: خطاهای مربوط به نوع را در زمان کامپایل تشخیص می‌دهد و در زمان و تلاش هنگام اشکال‌زدایی صرفه‌جویی می‌کند.
• افزایش اطمینان به کد: با اعمال محدودیت‌های نوع سخت‌گیرانه‌تر، اطمینان بیشتری به صحت کد شما می‌دهد.

محدودیت‌های برندینگ اسمی

• فقط در زمان کامپایل: برندها در طول کامپایل حذف می‌شوند، بنابراین بررسی نوع در زمان اجرا را فراهم نمی‌کنند.
• نیاز به تأیید نوع: ایجاد انواع برندشده اغلب به تأیید نوع نیاز دارد که در صورت استفاده نادرست می‌تواند بررسی نوع را دور بزند.
• افزایش کد تکراری (Boilerplate): تعریف و استفاده از انواع برندشده می‌تواند مقداری کد تکراری به کد شما اضافه کند، اگرچه این مورد را می‌توان با انواع کمکی عمومی کاهش داد.

بهترین شیوه‌ها برای استفاده از برندهای اسمی

• استفاده از برندینگ عمومی: انواع کمکی عمومی برای کاهش کد تکراری و تضمین انسجام ایجاد کنید.
• استفاده از محافظ‌های نوع: در صورت لزوم، محافظ‌های نوع سفارشی برای اعتبارسنجی زمان اجرا پیاده‌سازی کنید.
• استفاده هوشمندانه از برندها: از برندینگ اسمی بیش از حد استفاده نکنید. فقط زمانی آن را به کار ببرید که برای جلوگیری از خطاهای منطقی نیاز به بررسی نوع سخت‌گیرانه‌تری دارید.
• مستندسازی واضح برندها: هدف و کاربرد هر نوع برندشده را به وضوح مستند کنید.
• در نظر گرفتن عملکرد: اگرچه هزینه زمان اجرا حداقل است، اما زمان کامپایل ممکن است با استفاده بیش از حد افزایش یابد. در صورت لزوم، پروفایل و بهینه‌سازی کنید.

مثال‌هایی در صنایع و کاربردهای مختلف

برندینگ اسمی در حوزه‌های مختلف کاربرد دارد:

• سیستم‌های مالی: تمایز بین ارزهای مختلف (USD, EUR, GBP) و انواع حساب‌ها (پس‌انداز، جاری) برای جلوگیری از تراکنش‌ها و محاسبات نادرست. به عنوان مثال، یک برنامه بانکی ممکن است از انواع اسمی برای اطمینان از اینکه محاسبات سود فقط روی حساب‌های پس‌انداز انجام می‌شود و تبدیل ارز به درستی هنگام انتقال وجه بین حساب‌هایی با ارزهای مختلف اعمال می‌شود، استفاده کند.
• پلتفرم‌های تجارت الکترونیک: تمایز بین شناسه‌های محصول، شناسه‌های مشتری و شناسه‌های سفارش برای جلوگیری از خرابی داده‌ها و آسیب‌پذیری‌های امنیتی. تصور کنید به طور تصادفی اطلاعات کارت اعتباری یک مشتری را به یک محصول اختصاص دهید – انواع اسمی می‌توانند به جلوگیری از چنین خطاهای فاجعه‌باری کمک کنند.
• برنامه‌های کاربردی حوزه سلامت: تفکیک شناسه‌های بیمار، شناسه‌های پزشک و شناسه‌های نوبت برای اطمینان از ارتباط صحیح داده‌ها و جلوگیری از ترکیب تصادفی سوابق بیماران. این امر برای حفظ حریم خصوصی بیمار و یکپارچگی داده‌ها حیاتی است.
• مدیریت زنجیره تأمین: تمایز بین شناسه‌های انبار، شناسه‌های حمل و نقل و شناسه‌های محصول برای ردیابی دقیق کالاها و جلوگیری از خطاهای لجستیکی. به عنوان مثال، اطمینان از اینکه یک محموله به انبار صحیح تحویل داده می‌شود و محصولات موجود در محموله با سفارش مطابقت دارند.
• سیستم‌های IoT (اینترنت اشیاء): تمایز بین شناسه‌های سنسور، شناسه‌های دستگاه و شناسه‌های کاربر برای اطمینان از جمع‌آوری و کنترل صحیح داده‌ها. این امر به ویژه در سناریوهایی که امنیت و قابلیت اطمینان از اهمیت بالایی برخوردار است، مانند اتوماسیون خانه هوشمند یا سیستم‌های کنترل صنعتی، مهم است.
• بازی‌سازی: تمایز بین شناسه‌های سلاح، شناسه‌های شخصیت و شناسه‌های آیتم برای بهبود منطق بازی و جلوگیری از سوءاستفاده‌ها (exploits). یک اشتباه ساده می‌تواند به یک بازیکن اجازه دهد آیتمی را که فقط برای NPCها در نظر گرفته شده است، تجهیز کند و تعادل بازی را به هم بزند.

جایگزین‌های برندینگ اسمی

در حالی که برندینگ اسمی یک تکنیک قدرتمند است، رویکردهای دیگری نیز می‌توانند در موقعیت‌های خاص به نتایج مشابهی دست یابند:

• کلاس‌ها: استفاده از کلاس‌ها با خصوصیات خصوصی می‌تواند درجه‌ای از تایپینگ اسمی را فراهم کند، زیرا نمونه‌های کلاس‌های مختلف ذاتاً متمایز هستند. با این حال، این رویکرد می‌تواند پرجزئیات‌تر از برندینگ اسمی باشد و ممکن است برای همه موارد مناسب نباشد.
• Enum: استفاده از enumهای تایپ‌اسکریپت درجه‌ای از تایپینگ اسمی را در زمان اجرا برای مجموعه‌ای مشخص و محدود از مقادیر ممکن فراهم می‌کند.
• انواع لیترال (Literal Types): استفاده از انواع لیترال رشته‌ای یا عددی می‌تواند مقادیر ممکن یک متغیر را محدود کند، اما این رویکرد همان سطح از ایمنی نوع را که برندینگ اسمی ارائه می‌دهد، فراهم نمی‌کند.
• کتابخانه‌های خارجی: کتابخانه‌هایی مانند `io-ts` قابلیت‌های بررسی و اعتبارسنجی نوع در زمان اجرا را ارائه می‌دهند که می‌توان از آنها برای اعمال محدودیت‌های نوع سخت‌گیرانه‌تر استفاده کرد. با این حال، این کتابخانه‌ها یک وابستگی زمان اجرا اضافه می‌کنند و ممکن است برای همه موارد ضروری نباشند.

نتیجه‌گیری

برندینگ اسمی در تایپ‌اسکریپت راهی قدرتمند برای افزایش ایمنی نوع و جلوگیری از خطاهای منطقی با ایجاد تعاریف نوعی مات فراهم می‌کند. در حالی که جایگزینی برای تایپینگ اسمی واقعی نیست، اما یک راه‌حل عملی ارائه می‌دهد که می‌تواند به طور قابل توجهی استحکام و قابلیت نگهداری کد تایپ‌اسکریپت شما را بهبود بخشد. با درک اصول برندینگ اسمی و استفاده هوشمندانه از آن، می‌توانید برنامه‌های قابل اعتمادتر و بدون خطا بنویسید.

به یاد داشته باشید که هنگام تصمیم‌گیری برای استفاده از برندینگ اسمی در پروژه‌های خود، مصالحه‌ها بین ایمنی نوع، پیچیدگی کد و سربار زمان اجرا را در نظر بگیرید.

با گنجاندن بهترین شیوه‌ها و بررسی دقیق جایگزین‌ها، می‌توانید از برندینگ اسمی برای نوشتن کد تایپ‌اسکریپت تمیزتر، قابل نگهداری‌تر و قوی‌تر بهره‌مند شوید. قدرت ایمنی نوع را در آغوش بگیرید و نرم‌افزار بهتری بسازید!