Išplėstiniai bendrieji apribojimai: sudėtingų tipų santykių valdymas

Bendrieji tipai yra galinga funkcija daugelyje šiuolaikinių programavimo kalbų, leidžianti kūrėjams rašyti kodą, kuris veikia su įvairiais tipais, neprarandant tipo saugumo. Nors pagrindiniai bendrieji tipai yra gana paprasti, išplėstiniai bendrieji apribojimai leidžia kurti sudėtingus tipų santykius, o tai lemia patikimesnį, lankstesnį ir lengviau prižiūrimą kodą. Šis straipsnis gilinasi į išplėstinių bendrųjų apribojimų pasaulį, nagrinėdamas jų taikymo sritis ir privalumus su pavyzdžiais iš įvairių programavimo kalbų.

Kas yra bendrieji apribojimai?

Bendrieji apribojimai apibrėžia reikalavimus, kuriuos turi atitikti tipo parametras. Nustatydami šiuos apribojimus, galite apriboti tipus, kurie gali būti naudojami su bendrąja klase, sąsaja ar metodu. Tai leidžia jums rašyti specializuotesnį ir tipo saugų kodą.

Paprastesniais terminais, įsivaizduokite, kad kuriate įrankį, kuris rūšiuoja elementus. Gali norėti užtikrinti, kad rūšiuojami elementai būtų palyginami, t. y. jie turi būdą būti išdėstyti vienas kito atžvilgiu. Bendrasis apribojimas leistų jums įgyvendinti šį reikalavimą, užtikrinant, kad su jūsų rūšiavimo įrankiu būtų naudojami tik palyginami tipai.

Pagrindiniai bendrieji apribojimai

Prieš gilindamiesi į išplėstinius apribojimus, greitai peržiūrėkime pagrindus. Įprasti apribojimai yra šie:

• Sąsajos apribojimai: Reikalaujama, kad tipo parametras įdiegtų konkrečią sąsają.
• Klasės apribojimai: Reikalaujama, kad tipo parametras paveldėtų iš konkrečios klasės.
• 'new()' apribojimai: Reikalaujama, kad tipo parametras turėtų konstruktorių be parametrų.
• 'struct' arba 'class' apribojimai: (C# specifinis) Apribojant tipo parametrus iki reikšmių tipų (struct) arba nuorodų tipų (class).

Pavyzdžiui, C#:

            public interface IStorable
{
 string Serialize();
 void Deserialize(string data);
}

public class DataRepository<T> where T : IStorable, new()
{
 public void Save(T item)
 {
 string data = item.Serialize();
 // Save data to storage
 }

 public T Load(string data)
 {
 T item = new T();
 item.Deserialize(data);
 return item;
 }
}

            

              
                Copy
              
            
          

Šiuo atveju `DataRepository` klasė yra bendroji su tipo parametru `T`. Apribojimas `where T : IStorable, new()` nurodo, kad `T` turi įdiegti sąsają `IStorable` ir turėti konstruktorių be parametrų. Tai leidžia `DataRepository` saugiai serializuoti, deserializuoti ir kurti tipo `T` objektus.

Išplėstiniai bendrieji apribojimai: už pagrindų ribų

Išplėstiniai bendrieji apribojimai pranoksta paprastą sąsajos ar klasės paveldėjimą. Jie apima sudėtingus tipų santykius, leidžiančius naudoti galingus tipo lygio programavimo metodus.

1. Priklausomi tipai ir tipų santykiai

Priklausomi tipai yra tipai, kurie priklauso nuo reikšmių. Nors pilnavertės priklausomų tipų sistemos yra gana retos pagrindinėse kalbose, išplėstiniai bendrieji apribojimai gali imituoti kai kuriuos priklausomo tipizavimo aspektus. Pavyzdžiui, galite norėti užtikrinti, kad metodo grąžinimo tipas priklauso nuo įvesties tipo.

Pavyzdys: Apsvarstykite funkciją, kuri kuria duomenų bazės užklausas. Konkretus užklausos objektas, kuris sukuriamas, turėtų priklausyti nuo įvesties duomenų tipo. Galime naudoti sąsają skirtingiems užklausų tipams atvaizduoti ir naudoti tipo apribojimus, kad būtų užtikrintas teisingas užklausos objekto grąžinimas.

TypeScript:

            interface BaseQuery {}

interface UserQuery extends BaseQuery {
 //User specific properties
}

interface ProductQuery extends BaseQuery {
 //Product specific properties
}

function createQuery<T extends { type: 'user' | 'product' }>(config: T):
 T extends { type: 'user' } ? UserQuery : ProductQuery {
 if (config.type === 'user') {
 return {} as UserQuery; // In real implementation, build the query
 } else {
 return {} as ProductQuery; // In real implementation, build the query
 }
}

const userQuery = createQuery({ type: 'user' }); // type of userQuery is UserQuery
const productQuery = createQuery({ type: 'product' }); // type of productQuery is ProductQuery

            

              
                Copy
              
            
          

Šiame pavyzdyje naudojamas sąlyginis tipas (`T extends { type: 'user' } ? UserQuery : ProductQuery`), kad būtų nustatytas grąžinimo tipas pagal įvesties konfigūracijos ypatybę `type`. Tai užtikrina, kad kompiliatorius žinotų tikslų grąžinto užklausos objekto tipą.

2. Apribojimai, pagrįsti tipo parametrais

Vienas galingas metodas yra sukurti apribojimus, kurie priklauso nuo kitų tipo parametrų. Tai leidžia jums išreikšti santykius tarp skirtingų tipų, naudojamų bendrojoje klasėje ar metode.

Pavyzdys: Tarkime, kad kuriate duomenų atvaizduotuvą, kuris transformuoja duomenis iš vieno formato į kitą. Galite turėti įvesties tipą `TInput` ir išvesties tipą `TOutput`. Galite įgyvendinti, kad egzistuoja atvaizdavimo funkcija, kuri gali konvertuoti iš `TInput` į `TOutput`.

TypeScript:

            interface Mapper<TInput, TOutput> {
 map(input: TInput): TOutput;
}

function transform<TInput, TOutput, TMapper extends Mapper<TInput, TOutput>>(
 input: TInput,
 mapper: TMapper
): TOutput {
 return mapper.map(input);
}

class User {
 name: string;
 age: number;
}

class UserDTO {
 fullName: string;
 years: number;
}

class UserToUserDTOMapper implements Mapper<User, UserDTO> {
 map(user: User): UserDTO {
 return { fullName: user.name, years: user.age };
 }
}

const user = { name: 'John Doe', age: 30 };
const mapper = new UserToUserDTOMapper();
const userDTO = transform(user, mapper); // type of userDTO is UserDTO

            

              
                Copy
              
            
          

Šiame pavyzdyje `transform` yra bendroji funkcija, kuri priima tipo `TInput` įvestį ir tipo `TMapper` `mapper`. Apribojimas `TMapper extends Mapper<TInput, TOutput>` užtikrina, kad atvaizduotuvas gali teisingai konvertuoti iš `TInput` į `TOutput`. Tai užtikrina tipo saugumą transformacijos proceso metu.

3. Apribojimai, pagrįsti bendraisiais metodais

Bendrieji metodai taip pat gali turėti apribojimų, kurie priklauso nuo metodo viduje naudojamų tipų. Tai leidžia jums sukurti metodus, kurie yra specializuotesni ir pritaikomi skirtingiems tipo scenarijams.

Pavyzdys: Apsvarstykite metodą, kuris sujungia dvi skirtingų tipų kolekcijas į vieną kolekciją. Galite norėti užtikrinti, kad abu įvesties tipai tam tikru būdu būtų suderinami.

C#:

            public interface ICombinable<T>
{
 T Combine(T other);
}

public static class CollectionExtensions
{
 public static IEnumerable<TResult> CombineCollections<T1, T2, TResult>(
 this IEnumerable<T1> collection1,
 IEnumerable<T2> collection2,
 Func<T1, T2, TResult> combiner) 
 {
 foreach (var item1 in collection1)
 {
 foreach (var item2 in collection2)
 {
 yield return combiner(item1, item2);
 }
 }
 }
}

// Example usage
List<int> numbers = new List<int> { 1, 2, 3 };
List<string> strings = new List<string> { "a", "b", "c" };

var combined = numbers.CombineCollections(strings, (number, str) => number.ToString() + str);

// combined will be IEnumerable<string> containing: "1a", "1b", "1c", "2a", "2b", "2c", "3a", "3b", "3c"

            

              
                Copy
              
            
          

Čia, nors ir ne tiesioginis apribojimas, parametras `Func<T1, T2, TResult> combiner` veikia kaip apribojimas. Jis diktuoja, kad turi egzistuoti funkcija, kuri priima `T1` ir `T2` ir sukuria `TResult`. Tai užtikrina, kad derinimo operacija yra gerai apibrėžta ir tipo saugi.

4. Aukštesnio lygio tipai (ir jų imitacija)

Aukštesnio lygio tipai (HKT) yra tipai, kurie priima kitus tipus kaip parametrus. Nors tokios kalbos kaip Java ar C# tiesiogiai nepalaiko, modeliai gali būti naudojami panašiam poveikiui pasiekti naudojant bendruosius tipus. Tai ypač naudinga abstraktinant skirtingus konteinerių tipus, pvz., sąrašus, parinktis ar ateities sandorius.

Pavyzdys: Implementuojant funkciją `traverse`, kuri taiko funkciją kiekvienam elemento konteineryje ir renka rezultatus naujame to paties tipo konteineryje.

Java (simuliuojant HKT su sąsajomis):

            interface Container<T, C extends Container<T, C>> {
 <R> C map(Function<T, R> f);
}

class ListContainer<T> implements Container<T, ListContainer<T>> {
 private final List<T> list;

 public ListContainer(List<T> list) {
 this.list = list;
 }

 @Override
 public <R> ListContainer<R> map(Function<T, R> f) {
 List<R> newList = new ArrayList<>();
 for (T element : list) {
 newList.add(f.apply(element));
 }
 return new ListContainer<>(newList);
 }
}

interface Function<T, R> {
 R apply(T t);
}

// Usage
List<Integer> numbers = Arrays.asList(1, 2, 3);
ListContainer<Integer> numberContainer = new ListContainer<>(numbers);
ListContainer<String> stringContainer = numberContainer.map(i -> "Number: " + i);

            

              
                Copy
              
            
          

Sąsaja `Container` atvaizduoja bendrą konteinerio tipą. Savaiminis bendrasis tipas `C extends Container<T, C>` imituoja aukštesnio lygio tipą, leidžiantis `map` metodui grąžinti to paties tipo konteinerį. Šis požiūris išnaudoja tipų sistemą, kad išlaikytų konteinerio struktūrą, transformuodamas elementus viduje.

5. Sąlyginiai tipai ir atvaizduoti tipai

Tokios kalbos kaip TypeScript siūlo sudėtingesnes tipo manipuliavimo funkcijas, pvz., sąlyginius tipus ir atvaizduotus tipus. Šios funkcijos žymiai padidina bendrųjų apribojimų galimybes.

Pavyzdys: Implementuojant funkciją, kuri ištraukia objekto ypatybes pagal konkretų tipą.

TypeScript:

            type PickByType<T, ValueType> = {
 [Key in keyof T as T[Key] extends ValueType ? Key : never]: T[Key];
};

interface Person {
 name: string;
 age: number;
 address: string;
 isEmployed: boolean;
}

type StringProperties = PickByType<Person, string>; // { name: string; address: string; }

const person: Person = {
 name: "Alice",
 age: 30,
 address: "123 Main St",
 isEmployed: true,
};

const stringProps: StringProperties = {
 name: person.name,
 address: person.address,
};

            

              
                Copy
              
            
          

Čia `PickByType` yra atvaizduotas tipas, kuris iteruoja per tipo `T` ypatybes. Kiekvienai ypatybei ji patikrina, ar ypatybės tipas išplečia `ValueType`. Jei taip, ypatybė įtraukiama į gaunamą tipą; kitu atveju ji pašalinama naudojant `never`. Tai leidžia dinamiškai kurti naujus tipus pagal esamų tipų ypatybes.

Išplėstinių bendrųjų apribojimų privalumai

Naudojant išplėstinius bendruosius apribojimus siūlomi keli privalumai:

• Patobulintas tipo saugumas: Tiksliai apibrėždami tipų santykius, galite užfiksuoti klaidas kompiliavimo metu, kurios kitu atveju būtų aptiktos tik vykdymo metu.
• Patobulintas kodo pakartotinis naudojimas: Bendrieji tipai skatina kodo pakartotinį naudojimą, nes leidžia jums rašyti kodą, kuris veikia su įvairiais tipais, neprarandant tipo saugumo.
• Padidintas kodo lankstumas: Išplėstiniai apribojimai leidžia jums sukurti lankstesnį ir pritaikomesnį kodą, kuris gali valdyti platesnį scenarijų spektrą.
• Geresnis kodo priežiūros palaikymas: Tipo saugus kodas yra lengviau suprantamas, perrašomas ir prižiūrimas laikui bėgant.
• Reiškianti galia: Jie atskleidžia galimybę aprašyti sudėtingus tipų santykius, kurie be jų būtų neįmanomi (arba bent jau labai sudėtingi).

Iššūkiai ir svarstymai

Nors ir galingi, išplėstiniai bendrieji apribojimai taip pat gali sukelti iššūkių:

• Padidėjęs sudėtingumas: Norint suprasti ir įgyvendinti išplėstinius apribojimus, reikia giliau suprasti tipų sistemą.
• Staigesnė mokymosi kreivė: Šių metodų įvaldymas gali užtrukti laiko ir pastangų.
• Potencialus per didelis inžinerinis sprendimas: Svarbu šias funkcijas naudoti apgalvotai ir vengti nereikalingo sudėtingumo.
• Kompiliatoriaus našumas: Kai kuriais atvejais sudėtingi tipo apribojimai gali turėti įtakos kompiliatoriaus našumui.

Realūs taikymai

Išplėstiniai bendrieji apribojimai yra naudingi įvairiuose realaus pasaulio scenarijuose:

• Duomenų prieigos sluoksniai (DAL): Bendrųjų saugyklų įgyvendinimas su tipo saugia prieiga prie duomenų.
• Objektų santykinių ryšių atvaizdavimo priemonės (ORMs): Tipų atvaizdavimų tarp duomenų bazės lentelių ir programos objektų apibrėžimas.
• Domeno valdomas dizainas (DDD): Tipų apribojimų taikymas, siekiant užtikrinti domenų modelių vientisumą.
• Programos kūrimas: Pakartotinai naudojamų komponentų kūrimas su sudėtingais tipų santykiais.
• UI bibliotekos: Prisitaikančių UI komponentų, kurie veikia su skirtingais duomenų tipais, kūrimas.
• API dizainas: Duomenų nuoseklumo tarp skirtingų paslaugų sąsajų garantavimas, potencialiai netgi per kalbos barjerus, naudojant IDL (sąsajos apibrėžimo kalbos) įrankius, kurie išnaudoja tipo informaciją.

Geriausia praktika

Štai keletas geriausios praktikos, kaip efektyviai naudoti išplėstinius bendruosius apribojimus:

• Pradėkite nuo paprasto: Pradėkite nuo pagrindinių apribojimų ir palaipsniui įveskite sudėtingesnius apribojimus, jei reikia.
• Išsamiai dokumentuokite: Aiškiai dokumentuokite savo apribojimų paskirtį ir naudojimą.
• Griežtai išbandykite: Parašykite išsamius testus, kad įsitikintumėte, jog jūsų apribojimai veikia taip, kaip tikėtasi.
• Apsvarstykite skaitomumą: Teikite pirmenybę kodo skaitomumui ir venkite per daug sudėtingų apribojimų, kuriuos sunku suprasti.
• Pusiausvyra tarp lankstumo ir specifiškumo: Siekite pusiausvyros tarp lankstaus kodo kūrimo ir konkrečių tipo reikalavimų taikymo.
• Naudokite tinkamus įrankius: Statinės analizės įrankiai ir linijiniai programai gali padėti nustatyti galimas problemas su sudėtingais bendraisiais apribojimais.

Išvada

Išplėstiniai bendrieji apribojimai yra galingas įrankis, skirtas patikimam, lanksčiam ir lengvai prižiūrimam kodui kurti. Efektyviai suprasdami ir taikydami šiuos metodus, galite atskleisti visą savo programavimo kalbos tipo sistemos potencialą. Nors jie gali sukelti sudėtingumą, tipo saugumo pagerinimo, geresnio kodo pakartotinio naudojimo ir didesnio lankstumo nauda dažnai nusveria iššūkius. Kai ir toliau tyrinėsite ir eksperimentuosite su bendraisiais tipais, atrasite naujų ir kūrybingų būdų, kaip išnaudoti šias funkcijas sprendžiant sudėtingas programavimo problemas.

Priimkite iššūkį, mokykitės iš pavyzdžių ir nuolat tobulinkite savo supratimą apie išplėstinius bendruosius apribojimus. Jūsų kodas jums padėkos už tai!