Номінальне брендування в TypeScript: непрозорі типи для підвищеної безпеки

TypeScript, хоч і пропонує статичну типізацію, переважно використовує структурну типізацію. Це означає, що типи вважаються сумісними, якщо вони мають однакову форму, незалежно від їхніх оголошених імен. Хоча це гнучко, іноді це може призводити до ненавмисних підмін типів і зниження їхньої безпеки. Номінальне брендування, також відоме як визначення непрозорих типів, пропонує спосіб досягти більш надійної системи типів, ближчої до номінальної типізації, в межах TypeScript. Цей підхід використовує розумні техніки, щоб змусити типи поводитися так, ніби вони мають унікальні імена, запобігаючи випадковим плутанинам і забезпечуючи коректність коду.

Розуміння структурної та номінальної типізації

Перш ніж заглиблюватися в номінальне брендування, вкрай важливо зрозуміти різницю між структурною та номінальною типізацією.

Структурна типізація

У структурній типізації два типи вважаються сумісними, якщо вони мають однакову структуру (тобто однакові властивості з однаковими типами). Розглянемо цей приклад на TypeScript:

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

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

// TypeScript дозволяє це, оскільки обидва типи мають однакову структуру
const kg2: Kilogram = g;

console.log(kg2);

Хоча `Kilogram` та `Gram` представляють різні одиниці вимірювання, TypeScript дозволяє присвоювати об'єкт `Gram` змінній `Kilogram`, оскільки вони обидва мають властивість `value` типу `number`. Це може призвести до логічних помилок у вашому коді.

Номінальна типізація

На противагу цьому, номінальна типізація вважає два типи сумісними лише якщо вони мають однакову назву або якщо один явно успадковується від іншого. Мови, такі як Java та C#, переважно використовують номінальну типізацію. Якби TypeScript використовував номінальну типізацію, наведений вище приклад призвів би до помилки типу.

Потреба в номінальному брендуванні в TypeScript

Структурна типізація TypeScript загалом корисна завдяки своїй гнучкості та простоті використання. Однак існують ситуації, коли вам потрібна суворіша перевірка типів для запобігання логічним помилкам. Номінальне брендування надає обхідний шлях для досягнення цієї суворішої перевірки, не жертвуючи перевагами TypeScript.

Розглянемо такі сценарії:

• Обробка валют: Розрізнення сум у `USD` та `EUR` для запобігання випадковому змішуванню валют.
• Ідентифікатори баз даних: Забезпечення того, що `UserID` не буде випадково використано там, де очікується `ProductID`.
• Одиниці вимірювання: Розрізнення між `Meters` (метрами) та `Feet` (футами), щоб уникнути неправильних обчислень.
• Захищені дані: Розрізнення між відкритим текстом `Password` та хешованим `PasswordHash` для запобігання випадковому розкриттю конфіденційної інформації.

У кожному з цих випадків структурна типізація може призвести до помилок, оскільки базове представлення (наприклад, число або рядок) є однаковим для обох типів. Номінальне брендування допомагає вам забезпечити безпеку типів, роблячи ці типи різними.

Реалізація номінального брендування в TypeScript

Існує кілька способів реалізації номінального брендування в TypeScript. Ми розглянемо поширену та ефективну техніку з використанням перетинів та унікальних символів.

Використання перетинів та унікальних символів

Ця техніка передбачає створення унікального символу та його перетин з базовим типом. Унікальний символ діє як «бренд», що відрізняє тип від інших з такою ж структурою.

// Визначаємо унікальний символ для бренду Kilogram
const kilogramBrand: unique symbol = Symbol();

// Визначаємо тип Kilogram, брендований унікальним символом
type Kilogram = number & { readonly [kilogramBrand]: true };

// Визначаємо унікальний символ для бренду Gram
const gramBrand: unique symbol = Symbol();

// Визначаємо тип Gram, брендований унікальним символом
type Gram = number & { readonly [gramBrand]: true };

// Допоміжна функція для створення значень Kilogram
const Kilogram = (value: number) => value as Kilogram;

// Допоміжна функція для створення значень Gram
const Gram = (value: number) => value as Gram;

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

// Тепер це спричинить помилку TypeScript
// const kg2: Kilogram = g; // Тип 'Gram' не може бути присвоєний типу 'Kilogram'.

console.log(kg, g);

Пояснення:

• Ми визначаємо унікальний символ за допомогою `Symbol()`. Кожен виклик `Symbol()` створює унікальне значення, гарантуючи, що наші бренди є різними.
• Ми визначаємо типи `Kilogram` та `Gram` як перетини `number` та об'єкта, що містить унікальний символ як ключ зі значенням `true`. Модифікатор `readonly` гарантує, що бренд не можна змінити після створення.
• Ми використовуємо допоміжні функції (`Kilogram` та `Gram`) з твердженнями типу (`as Kilogram` та `as Gram`) для створення значень брендованих типів. Це необхідно, оскільки TypeScript не може автоматично вивести брендований тип.

Тепер TypeScript правильно виявляє помилку, коли ви намагаєтеся присвоїти значення `Gram` змінній `Kilogram`. Це забезпечує безпеку типів і запобігає випадковим плутанинам.

Узагальнене брендування для повторного використання

Щоб уникнути повторення шаблону брендування для кожного типу, ви можете створити узагальнений допоміжний тип:

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

// Визначаємо Kilogram, використовуючи узагальнений тип Brand
type Kilogram = Brand;

// Визначаємо Gram, використовуючи узагальнений тип Brand
type Gram = Brand;

// Допоміжна функція для створення значень Kilogram
const Kilogram = (value: number) => value as Kilogram;

// Допоміжна функція для створення значень Gram
const Gram = (value: number) => value as Gram;

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

// Це все одно спричинить помилку TypeScript
// const kg2: Kilogram = g; // Тип 'Gram' не може бути присвоєний типу 'Kilogram'.

console.log(kg, g);

Цей підхід спрощує синтаксис і полегшує послідовне визначення брендованих типів.

Розширені сценарії використання та аспекти

Брендування об'єктів

Номінальне брендування також можна застосовувати до типів об'єктів, а не лише до примітивних типів, таких як числа або рядки.

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 };

// Функція, що очікує UserID
function getUser(id: UserID): User {
  // ... реалізація для отримання користувача за ID
  return {id: id, name: "Example User"};
}

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

const user = getUser(userID);

// Це спричинить помилку, якщо розкоментувати
// const user2 = getUser(productID); // Аргумент типу 'ProductID' не може бути присвоєний параметру типу 'UserID'.

console.log(user);

Це запобігає випадковій передачі `ProductID` туди, де очікується `UserID`, хоча обидва в кінцевому підсумку представлені числами.

Робота з бібліотеками та зовнішніми типами

При роботі з зовнішніми бібліотеками або API, які не надають брендованих типів, ви можете використовувати твердження типу для створення брендованих типів з існуючих значень. Однак будьте обережні, роблячи це, оскільки ви по суті стверджуєте, що значення відповідає брендованому типу, і вам потрібно переконатися, що це справді так.

// Припустимо, ви отримуєте число з API, яке представляє UserID
const rawUserID = 789; // Число з зовнішнього джерела

// Створюємо брендований UserID з сирого числа
const userIDFromAPI = rawUserID as UserID;

Аспекти виконання (Runtime)

Важливо пам'ятати, що номінальне брендування в TypeScript є суто конструкцією часу компіляції. Бренди (унікальні символи) видаляються під час компіляції, тому немає ніяких накладних витрат під час виконання. Однак це також означає, що ви не можете покладатися на бренди для перевірки типів під час виконання. Якщо вам потрібна така перевірка, вам доведеться реалізувати додаткові механізми, такі як власні захисники типів.

Захисники типів (Type Guards) для валідації під час виконання

Для виконання валідації брендованих типів під час виконання ви можете створювати власні захисники типів:

function isKilogram(value: number): value is Kilogram {
  // У реальному сценарії тут можна додати додаткові перевірки,
  // наприклад, переконатися, що значення знаходиться в допустимому діапазоні для кілограмів.
  return typeof value === 'number';
}

const someValue: any = 15;

if (isKilogram(someValue)) {
  const kg: Kilogram = someValue;
  console.log("Value is a Kilogram:", kg);
} else {
  console.log("Value is not a Kilogram");
}

Це дозволяє безпечно звузити тип значення під час виконання, гарантуючи, що воно відповідає брендованому типу перед його використанням.

Переваги номінального брендування

• Підвищена безпека типів: Запобігає ненавмисним підмінам типів і знижує ризик логічних помилок.
• Покращена читабельність коду: Робить код більш читабельним і легким для розуміння, явно розрізняючи різні типи з однаковим базовим представленням.
• Зменшення часу на відлагодження: Виявляє помилки, пов'язані з типами, на етапі компіляції, заощаджуючи час і зусилля під час відлагодження.
• Підвищена впевненість у коді: Надає більшу впевненість у правильності вашого коду, застосовуючи суворіші обмеження типів.

Обмеження номінального брендування

• Лише на етапі компіляції: Бренди видаляються під час компіляції, тому вони не забезпечують перевірку типів під час виконання.
• Вимагає тверджень типу: Створення брендованих типів часто вимагає тверджень типу, які потенційно можуть обійти перевірку типів, якщо їх використовувати неправильно.
• Збільшення шаблонного коду (boilerplate): Визначення та використання брендованих типів може додати деякий шаблонний код, хоча це можна пом'якшити за допомогою узагальнених допоміжних типів.

Найкращі практики використання номінального брендування

• Використовуйте узагальнене брендування: Створюйте узагальнені допоміжні типи, щоб зменшити шаблонний код і забезпечити послідовність.
• Використовуйте захисники типів: Реалізуйте власні захисники типів для валідації під час виконання, коли це необхідно.
• Застосовуйте бренди розсудливо: Не зловживайте номінальним брендуванням. Застосовуйте його лише тоді, коли вам потрібно забезпечити суворішу перевірку типів для запобігання логічним помилкам.
• Чітко документуйте бренди: Чітко документуйте призначення та використання кожного брендованого типу.
• Враховуйте продуктивність: Хоча витрати під час виконання мінімальні, час компіляції може зрости при надмірному використанні. Профілюйте та оптимізуйте, де це необхідно.

Приклади в різних галузях та застосунках

Номінальне брендування знаходить застосування в різних сферах:

• Фінансові системи: Розрізнення між різними валютами (USD, EUR, GBP) та типами рахунків (ощадний, поточний) для запобігання неправильним транзакціям та обчисленням. Наприклад, банківський застосунок може використовувати номінальні типи, щоб гарантувати, що нарахування відсотків виконується лише для ощадних рахунків, а конвертація валют застосовується правильно при переказі коштів між рахунками в різних валютах.
• Платформи електронної комерції: Розрізнення між ідентифікаторами продуктів, клієнтів та замовлень, щоб уникнути пошкодження даних та вразливостей безпеки. Уявіть, що ви випадково присвоїли дані кредитної картки клієнта продукту – номінальні типи можуть допомогти запобігти таким катастрофічним помилкам.
• Застосунки в охороні здоров'я: Розділення ідентифікаторів пацієнтів, лікарів та записів на прийом для забезпечення правильної асоціації даних та запобігання випадковому змішуванню медичних карток пацієнтів. Це має вирішальне значення для збереження конфіденційності пацієнтів та цілісності даних.
• Управління ланцюгами постачання: Розрізнення між ідентифікаторами складів, відправлень та продуктів для точного відстеження товарів та запобігання логістичним помилкам. Наприклад, забезпечення того, що відправлення доставлено на правильний склад, а продукти у відправленні відповідають замовленню.
• Системи IoT (Інтернет речей): Розрізнення між ідентифікаторами датчиків, пристроїв та користувачів для забезпечення належного збору даних та контролю. Це особливо важливо в сценаріях, де безпека та надійність є першочерговими, наприклад, у системах автоматизації розумного будинку або промислових системах управління.
• Ігрова індустрія: Розрізнення між ідентифікаторами зброї, персонажів та предметів для покращення ігрової логіки та запобігання експлойтам. Проста помилка може дозволити гравцеві екіпірувати предмет, призначений лише для NPC, порушуючи ігровий баланс.

Альтернативи номінальному брендуванню

Хоча номінальне брендування є потужною технікою, існують й інші підходи, які можуть досягти подібних результатів у певних ситуаціях:

• Класи: Використання класів із приватними властивостями може забезпечити певний ступінь номінальної типізації, оскільки екземпляри різних класів за своєю суттю є різними. Однак цей підхід може бути більш багатослівним, ніж номінальне брендування, і не підходити для всіх випадків.
• Enum: Використання перелічень (enums) у TypeScript забезпечує певний ступінь номінальної типізації під час виконання для конкретного, обмеженого набору можливих значень.
• Літеральні типи: Використання рядкових або числових літеральних типів може обмежувати можливі значення змінної, але цей підхід не забезпечує такий самий рівень безпеки типів, як номінальне брендування.
• Зовнішні бібліотеки: Бібліотеки, такі як `io-ts`, пропонують можливості перевірки та валідації типів під час виконання, які можна використовувати для застосування суворіших обмежень типів. Однак ці бібліотеки додають залежність часу виконання і можуть бути непотрібними для всіх випадків.

Висновок

Номінальне брендування в TypeScript надає потужний спосіб підвищити безпеку типів та запобігти логічним помилкам шляхом створення непрозорих визначень типів. Хоча це не є заміною справжньої номінальної типізації, воно пропонує практичний обхідний шлях, який може значно покращити надійність та підтримуваність вашого коду TypeScript. Розуміючи принципи номінального брендування та застосовуючи його розсудливо, ви можете писати більш надійні та безпомилкові застосунки.

Не забувайте враховувати компроміси між безпекою типів, складністю коду та накладними витратами під час виконання, вирішуючи, чи використовувати номінальне брендування у ваших проєктах.

Впроваджуючи найкращі практики та ретельно розглядаючи альтернативи, ви можете використовувати номінальне брендування для написання чистішого, більш підтримуваного та надійнішого коду на TypeScript. Скористайтеся силою безпеки типів і створюйте краще програмне забезпечення!