TypeScript 名义品牌：通过不透明类型定义增强类型安全

TypeScript 虽然提供静态类型，但主要使用结构化类型。这意味着，如果类型具有相同的形状，无论其声明的名称如何，它们都被认为是兼容的。虽然这种方式很灵活，但有时可能导致意外的类型替换，降低类型安全性。名义品牌（Nominal branding），也称为不透明类型定义，提供了一种在 TypeScript 中实现更健壮的类型系统的方法，更接近名义化类型。这种方法使用巧妙的技术，使类型的行为就像它们拥有唯一的名称一样，从而防止意外混淆并确保代码的正确性。

理解结构化类型与名义化类型

在深入了解名义品牌之前，理解结构化类型和名义化类型之间的区别至关重要。

结构化类型

在结构化类型中，如果两种类型具有相同的结构（即，具有相同类型的相同属性），则它们被认为是兼容的。考虑这个 TypeScript 示例：

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

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

// TypeScript 允许这样做，因为两种类型具有相同的结构
const kg2: Kilogram = g;

console.log(kg2);

尽管 `Kilogram` 和 `Gram` 代表不同的计量单位，但 TypeScript 允许将 `Gram` 对象赋值给 `Kilogram` 变量，因为它们都有一个类型为 `number` 的 `value` 属性。这可能会导致代码中的逻辑错误。

名义化类型

相比之下，名义化类型认为两种类型只有在它们具有相同名称或其中一个明确派生自另一个时才是兼容的。像 Java 和 C# 这样的语言主要使用名义化类型。如果 TypeScript 使用名义化类型，上面的例子将导致类型错误。

在 TypeScript 中需要名义品牌的原因

TypeScript 的结构化类型因其灵活性和易用性而通常是有益的。然而，在某些情况下，你需要更严格的类型检查来防止逻辑错误。名义品牌提供了一种变通方法来实现这种更严格的检查，而不会牺牲 TypeScript 的优点。

考虑以下场景：

• 货币处理： 区分 `USD` 和 `EUR` 金额，以防止意外的货币混合。
• 数据库 ID： 确保 `UserID` 不会意外地用在需要 `ProductID` 的地方。
• 计量单位： 区分 `Meters` 和 `Feet`，以避免不正确的计算。
• 安全数据： 区分纯文本 `Password` 和哈希后的 `PasswordHash`，以防止意外暴露敏感信息。

在每种情况下，结构化类型都可能导致错误，因为两种类型的底层表示（例如，数字或字符串）是相同的。名义品牌通过使这些类型截然不同来帮助你强制执行类型安全。

在 TypeScript 中实现名义品牌

在 TypeScript 中实现名义品牌有几种方法。我们将探讨一种使用交叉类型和唯一符号的常见且有效的技术。

使用交叉类型和唯一符号

这种技术涉及创建一个唯一符号并将其与基本类型进行交叉。唯一符号充当“品牌”，将该类型与具有相同结构的其他类型区分开来。

// 为 Kilogram 品牌定义一个唯一符号
const kilogramBrand: unique symbol = Symbol();

// 定义一个用唯一符号品牌化的 Kilogram 类型
type Kilogram = number & { readonly [kilogramBrand]: true };

// 为 Gram 品牌定义一个唯一符号
const gramBrand: unique symbol = Symbol();

// 定义一个用唯一符号品牌化的 Gram 类型
type Gram = number & { readonly [gramBrand]: true };

// 创建 Kilogram 值的辅助函数
const Kilogram = (value: number) => value as Kilogram;

// 创建 Gram 值的辅助函数
const Gram = (value: number) => value as Gram;

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

// 现在这将导致一个 TypeScript 错误
// const kg2: Kilogram = g; // 类型 'Gram' 不能赋值给类型 'Kilogram'。

console.log(kg, g);

解释：

• 我们使用 `Symbol()` 定义一个唯一符号。每次调用 `Symbol()` 都会创建一个唯一的值，确保我们的品牌是不同的。
• 我们将 `Kilogram` 和 `Gram` 类型定义为 `number` 与一个包含唯一符号作为键且值为 `true` 的对象的交叉类型。`readonly` 修饰符确保品牌在创建后不能被修改。
• 我们使用带有类型断言（`as Kilogram` 和 `as Gram`）的辅助函数（`Kilogram` 和 `Gram`）来创建品牌类型的值。这是必需的，因为 TypeScript 无法自动推断出品牌类型。

现在，当你尝试将 `Gram` 值赋给 `Kilogram` 变量时，TypeScript 会正确地标记一个错误。这强制执行了类型安全并防止了意外的混淆。

用于可重用性的泛型品牌化

为了避免为每种类型重复品牌化模式，你可以创建一个泛型辅助类型：

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

// 使用泛型 Brand 类型定义 Kilogram
type Kilogram = Brand;

// 使用泛型 Brand 类型定义 Gram
type Gram = Brand;

// 创建 Kilogram 值的辅助函数
const Kilogram = (value: number) => value as Kilogram;

// 创建 Gram 值的辅助函数
const Gram = (value: number) => value as Gram;

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

// 这仍然会导致 TypeScript 错误
// const kg2: Kilogram = g; // 类型 'Gram' 不能赋值给类型 'Kilogram'。

console.log(kg, g);

这种方法简化了语法，并使其更容易一致地定义品牌类型。

高级用例和注意事项

品牌化对象

名义品牌也可以应用于对象类型，而不仅仅是像数字或字符串这样的原始类型。

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 };

// 期望 UserID 的函数
function getUser(id: UserID): User {
  // ... 按 ID 获取用户的实现
  return {id: id, name: "Example User"};
}

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

const user = getUser(userID);

// 如果取消注释，这将导致错误
// const user2 = getUser(productID); // 类型 'ProductID' 的参数不能赋值给类型 'UserID' 的参数。

console.log(user);

这可以防止在期望 `UserID` 的地方意外传递 `ProductID`，即使它们最终都表示为数字。

处理库和外部类型

在使用不提供品牌类型的外部库或 API 时，你可以使用类型断言从现有值创建品牌类型。但是，在这样做时要小心，因为你实际上是在断言该值符合品牌类型，你需要确保情况确实如此。

// 假设你从一个 API 收到一个表示 UserID 的数字
const rawUserID = 789; // 来自外部源的数字

// 从原始数字创建一个品牌化的 UserID
const userIDFromAPI = rawUserID as UserID;

运行时注意事项

重要的是要记住，TypeScript 中的名义品牌纯粹是一个编译时构造。品牌（唯一符号）在编译过程中被擦除，因此没有运行时开销。然而，这也意味着你不能依赖品牌进行运行时类型检查。如果你需要运行时类型检查，你需要实现额外的机制，例如自定义类型守卫。

用于运行时验证的类型守卫

要对品牌类型执行运行时验证，你可以创建自定义类型守卫：

function isKilogram(value: number): value is Kilogram {
  // 在真实场景中，你可以在这里添加额外的检查，
  // 例如确保该值在千克的有效范围内。
  return typeof value === 'number';
}

const someValue: any = 15;

if (isKilogram(someValue)) {
  const kg: Kilogram = someValue;
  console.log("值是一个 Kilogram:", kg);
} else {
  console.log("值不是一个 Kilogram");
}

这允许你在运行时安全地收窄值的类型，确保在使用它之前它符合品牌类型。

名义品牌的好处

• 增强的类型安全： 防止意外的类型替换，降低逻辑错误的风险。
• 提高代码清晰度： 通过明确区分具有相同底层表示的不同类型，使代码更具可读性且更易于理解。
• 减少调试时间： 在编译时捕获与类型相关的错误，节省调试期间的时间和精力。
• 增加代码信心： 通过强制执行更严格的类型约束，为代码的正确性提供更大的信心。

名义品牌的局限性

• 仅限编译时： 品牌在编译期间被擦除，因此它们不提供运行时类型检查。
• 需要类型断言： 创建品牌类型通常需要类型断言，如果使用不当，可能会绕过类型检查。
• 增加样板代码： 定义和使用品牌类型可能会给你的代码增加一些样板代码，尽管这可以通过泛型辅助类型来缓解。

使用名义品牌的最佳实践

• 使用泛型品牌化： 创建泛型辅助类型以减少样板代码并确保一致性。
• 使用类型守卫： 在必要时为运行时验证实现自定义类型守卫。
• 明智地应用品牌： 不要过度使用名义品牌。仅在需要强制执行更严格的类型检查以防止逻辑错误时才应用它。
• 清晰地记录品牌： 清晰地记录每个品牌类型的目的和用法。
• 考虑性能： 尽管运行时成本很小，但过度使用可能会增加编译时间。在需要时进行性能分析和优化。

跨不同行业和应用领域的示例

名义品牌在各种领域都有应用：

• 金融系统： 区分不同的货币（USD, EUR, GBP）和账户类型（储蓄账户、支票账户），以防止不正确的交易和计算。例如，银行应用程序可能使用名义类型来确保利息计算只在储蓄账户上执行，并且在不同货币的账户之间转账时正确应用货币转换。
• 电子商务平台： 区分产品 ID、客户 ID 和订单 ID，以避免数据损坏和安全漏洞。想象一下，意外地将客户的信用卡信息分配给一个产品——名义类型可以帮助防止这种灾难性的错误。
• 医疗保健应用： 分离患者 ID、医生 ID 和预约 ID，以确保正确的数据关联并防止意外混合患者记录。这对于维护患者隐私和数据完整性至关重要。
• 供应链管理： 区分仓库 ID、货运 ID 和产品 ID，以准确跟踪货物并防止物流错误。例如，确保货物被运送到正确的仓库，并且货物中的产品与订单相匹配。
• 物联网（IoT）系统： 区分传感器 ID、设备 ID 和用户 ID，以确保正确的数据收集和控制。这在安全性和可靠性至关重要的场景中尤其重要，例如在智能家居自动化或工业控制系统中。
• 游戏开发： 区分武器 ID、角色 ID 和物品 ID，以增强游戏逻辑并防止漏洞利用。一个简单的错误就可能允许玩家装备一个仅供 NPC 使用的物品，从而破坏游戏平衡。

名义品牌的替代方案

虽然名义品牌是一种强大的技术，但在某些情况下，其他方法也可以达到类似的效果：

• 类（Classes）： 使用带有私有属性的类可以提供一定程度的名义化类型，因为不同类的实例本质上是不同的。然而，这种方法可能比名义品牌更冗长，并且可能不适用于所有情况。
• 枚举（Enum）： 使用 TypeScript 枚举为一组特定的、有限的可能值提供了一定程度的运行时名义化类型。
• 字面量类型（Literal Types）： 使用字符串或数字字面量类型可以约束变量的可能值，但这种方法不能提供与名义品牌相同级别的类型安全。
• 外部库： 像 `io-ts` 这样的库提供了运行时类型检查和验证功能，可用于强制执行更严格的类型约束。然而，这些库增加了运行时依赖，并且可能并非所有情况都必要。

结论

TypeScript 名义品牌通过创建不透明类型定义，提供了一种增强类型安全和防止逻辑错误的强大方法。虽然它不能替代真正的名义化类型，但它提供了一种实用的变通方法，可以显著提高 TypeScript 代码的健壮性和可维护性。通过理解名义品牌的原则并明智地应用它，你可以编写更可靠、更少错误的应用。

在决定是否在项目中使用名义品牌时，请记住要权衡类型安全、代码复杂性和运行时开销。

通过结合最佳实践并仔细考虑替代方案，你可以利用名义品牌来编写更清晰、更易于维护、更健壮的 TypeScript 代码。拥抱类型安全的力量，构建更好的软件！