编程语言发展史之：静态类型与动态类型

作者：禅与计算机程序设计艺术

1.简介

静态类型和动态类型是一种程序设计语言的重要特征。在编译期间，编译器对变量进行类型检查，确保它们的值符合类型定义；而运行时环境则不进行这一检查，并让变量的类型随着程序的执行而变化。 本文主要分析静态类型、动态类型及其影响因素，并阐述为什么动态类型更适合作为程序开发的主流方式。阅读完本文，读者应该能够理解静态类型和动态类型，掌握两种类型系统的优缺点，并有能力根据自己的需求选择合适的类型系统。最后，作者还会给出各种动态类型语言的应用案例，并从中学习到很多关于类型系统及其实现细节的知识。

2.静态类型与动态类型

2.1 什么是静态类型？

静态类型（statically typed）是在编译阶段进行类型检查的语言。在程序运行前，编译器或解释器检查所有的程序元素（变量、表达式、函数等），确定它们的类型是否正确。一般来说，如果类型检查成功，程序就可以顺利运行。 例如，Java、C++、C#、Scala等都是静态类型语言，如Python不是静态类型语言，它是动态类型语言。 静态类型具有以下几个优点：

1. 更强的类型检查：静态类型检查可以帮助开发人员发现代码中的逻辑错误、安全漏洞和其它类型的错误。

2. 可预测性：由于静态类型检查在编译期间完成，所以在运行过程中不会出现类型不匹配的问题，因此可预测性较高。

3. 提升性能：静态类型语言可以在编译时优化代码，提升执行效率。

4. 更好的IDE支持：集成开发环境通常提供更好地静态类型支持，比如语法高亮显示、代码自动补全、重构、接口提示等。

2.2 为什么需要动态类型？

静态类型语言和动态类型语言都能实现变量类型检查，但两者之间又有什么不同呢？静态类型语言在编译期间对变量进行类型检查，且变量类型不能改变；而动态类型语言允许变量类型发生变化，编译器仅做简单的语法检查，运行时环境负责检测和转换变量类型。 静态类型语言的这种限制使得程序编写和维护比较容易，但是运行速度慢于动态类型语言。动态类型语言则相反，它的灵活性更高，可以用更少的代码完成相同的功能，运行速度也更快。 静态类型语言也可以支持一些动态语言的特性，比如面向对象和垃圾回收机制等。另外，由于静态类型语言在编译期就确定了变量的类型，因此可以在运行期间发现一些隐含的类型错误，这些错误往往难以在静态类型语言中发现。 总结一下，静态类型语言和动态类型语言都有各自的优点，比如静态类型语言在编码时提供了更高的抽象级别、可预测性以及更快的运行速度，而动态类型语言在编码时的灵活性更高，适用于一些实时性要求较高的场景。不过，在实际应用中，两者之间的取舍仍然需要慎重考虑。

2.3 为什么动态类型更适合作为程序开发的主流方式？

动态类型语言在开发过程中的最大特点就是灵活性，它提供了比静态类型语言更多的可能性，而且更方便程序员的调试和迭代。同时，动态类型语言可以在运行时环境中自动转换变量类型，因此不需要担心运行期间的数据类型安全问题。 以下是一些动态类型语言的应用案例：

1. Python：Python是一种易于学习、交互式的动态类型语言，支持多种编程范式。它既支持命令行界面，也支持Web开发框架Django和Flask等。
2. Ruby：Ruby是一个支持动态类型、多范式的脚本语言。它的动态特性使得Ruby可以实现类似于动态类型语言的一些功能。
3. JavaScript：JavaScript也是一种动态类型语言，它的动态特性使得它很适合用作web前端编程。它支持事件驱动模型、模块化编程、异步编程等。
4. PHP：PHP也是一个支持动态类型、多范式的脚本语言，并且它内置了Web开发框架Zend Framework。PHP被广泛用于动态网站生成、网页定制、后台管理系统等。
5. Lisp：Lisp是另一个支持动态类型、多范式的编程语言，它基于宏观的函数式编程理念。Lisp的动态特性使得它很适合处理数据结构方面的问题。 这些动态类型语言都有着良好的社区和文档支持，其中包括丰富的库和工具包。这使得它们成为快速增长的编程领域。

   3.基本概念术语说明

   3.1 数据类型

   计算机程序中的数据类型是指变量或表达式所持有的信息的形式、大小及取值范围。在不同的编程语言中，数据类型分为三类：基本数据类型、复杂数据类型和引用数据类型。以下介绍常见的数据类型。

   3.1.1 基本数据类型

   基本数据类型（primitive data type）又称原始数据类型（simple data type）。常见的基本数据类型如下表所示：

3.1.2 复杂数据类型

复杂数据类型（complex data type）又称复合数据类型。它由多个基本数据类型组成，可以理解为结构体、类或者元组。例如，数组、链表、栈、队列、树等都是复杂数据类型。

3.1.3 引用数据类型

引用数据类型（reference data type）又称指针类型，它是存储在内存中的地址，而不是存储实际的值。例如，字符串就是一种引用数据类型。

3.2 变量

变量是程序中用于暂存数据的占位符。它给数据分配一个名称，可以用来引用该数据。变量声明后便可通过赋值运算符来修改其值。

变量的定义格式如下：

type variableName [= value];

其中，type表示变量的数据类型，value表示初始化的值。如果没有指定初始值，那么默认值为零或空值。以下举例说明：

int a; // 整数变量a，默认为0
char b = 'b'; // 字符变量b，值为'b'
double c = 3.14; // 浮点型变量c，值为3.14
String str = "hello world"; // String类型变量str，值为"hello world"

注意：变量名必须符合标识符命名规范。

3.3 常量

常量是不可变的值，一旦定义，便无法更改。在Java、C++、C#中，常量可以通过关键字const定义。常量的定义格式如下：

final dataType constantName = value;

其中，final表示常量不可被修改，dataType表示常量的数据类型，constantName表示常量的名称，value表示常量的值。例如：

final int PI = 3.14; //圆周率π的常量
final String NAME = "Alice"; //姓名常量

3.4 数据结构

数据结构是组织数据的方式，即将数据按照一定方式存储起来，便于进行有效的操作和检索。数据结构有以下几种：

1. 集合：集合是一组无序的、唯一的元素的集合。例如，数组、列表、集合、散列映射都是集合。
2. 线性结构：线性结构是一系列按顺序排列的数据。包括单链表、双链表、栈、队列、堆栈、堆、线段树、二叉树、B-树、AVL树、红黑树、伸展树等。
3. 树形结构：树形结构是一种非线性数据结构，即树状的结构。包括二叉查找树、平衡二叉树、B-树、B+树、KD树、R-树、trie树等。
4. 图论结构：图论结构是研究关系数据的数据结构。包括图、网络、森林、哈希图等。

   4.核心算法原理和具体操作步骤以及数学公式讲解

   静态类型和动态类型是一种程序设计语言的重要特征。静态类型和动态类型分别对待变量类型和表达式值的检查。 静态类型在编译器阶段进行类型检查，因此在运行之前就发现错误。动态类型在编译器阶段不进行类型检查，只进行语法检查，在运行时环境检测并转换变量类型。因此，静态类型语言的开发时间比较短，运行速度比较快，但是灵活性较低，而动态类型语言的开发时间比较长，但是运行速度相对较慢，但是灵活性更高。

4.1 静态类型检查的原理

静态类型检查器通过对代码进行词法分析、语法分析和语义分析，确认每个变量的类型是否正确，以保证程序的运行安全。静态类型检查器可以捕获一些运行时错误，例如类型不匹配、数组越界等。静态类型检查的优点是能够在编译期间发现错误，可以提升代码的质量和效率。以下简单介绍静态类型检查器的工作原理。

1. 词法分析：静态类型检查器首先对代码进行词法分析，识别出每个元素的类型。它通过分析代码中的关键字、标识符、标点符号、注释等，判断它们属于哪个数据类型。

2. 语法分析：经过词法分析，静态类型检查器识别出所有语句的结构。然后对每个语句进行语法分析，确认它的语法是否正确。语法分析是静态类型检查器的一个重要部分，它检查代码是否遵循程序的语法规则，而且它知道每个运算符的优先级和关联性，因此能够区分语句的执行顺序。

3. 语义分析：静态类型检查器检查代码的意思，确认变量的赋值是否合理，函数调用参数是否匹配，以及控制流的正确性。

4. 报错：当静态类型检查器发现代码的错误时，会报告相关的错误信息。静态类型检查器将错位的地方标记出来，并给出报错信息，定位错误的位置。

4.2 动态类型检查的原理

动态类型语言不需要在编译时检查代码，它在运行时检查代码，并根据程序的实际情况，动态地改变变量的类型。这种特性使得程序的编写和维护变得更加灵活。但是动态类型语言也会带来一些问题，例如，运行时类型检查的开销比较大，导致程序的运行效率下降。以下简单介绍动态类型检查器的工作原理。

1. 执行前检查：动态类型检查器首先检查每条语句的语法和语义是否正确。

2. 运行时检查：当程序运行到某些语句时，动态类型检查器会进入运行时检查阶段。此时，动态类型检查器会捕获运行时错误，例如类型不匹配、数组越界等。

3. 类型转换：动态类型检查器在运行时，会自动检测变量的类型，并进行类型转换，以满足程序的运行需求。

4. 报错：当动态类型检查器发现代码的错误时，会报告相关的错误信息。动态类型检查器将错位的地方标记出来，并给出报错信息，定位错误的位置。

4.3 Java的静态类型检查器

Java是静态类型语言，在编译期间进行类型检查。Java的静态类型检查器Javac可以对Java源代码进行语法检查、语义检查、语法糖转换、依赖关系检查等。Javac会将源码编译成字节码文件。当JVM加载字节码文件时，才进行类型检查。下面简单介绍Java的静态类型检查器Javac的工作原理。

1. 编译预处理：Javac首先对源文件进行预处理，进行条件编译、宏替换、头文件包含、预编译等。

2. 词法分析：Javac对源码进行词法分析，得到所有元素的类型。

3. 语法分析：Javac对源码进行语法分析，判断每个元素是否符合语法规则。

4. 语义分析：Javac对整个代码进行语义分析，找出符号表、类型检查、类型推断等。

5. 字节码生成：Javac把编译后的代码生成相应的字节码文件。

6. 目标代码生成：字节码文件会进一步编译成机器码。

Javac的静态类型检查器在编译时就完成了类型检查，因此运行速度非常快，且能在编译时发现错误。Java使用反射机制，可以在运行时检查类的类型。

4.4 Java的动态类型检查器

Java是动态类型语言，在运行时进行类型检查。Java的动态类型检查器是基于invokevirtual指令实现的。invokevirtual指令用来调用方法，invokevirtual指令会根据对象的实际类型而不是虚方法表指针去执行。JVM会根据对象的实际类型找到对应的方法入口，并执行代码。因此，JVM在运行时才能检测出类型不匹配的问题。Java的动态类型检查器会在运行时检查代码，但效率较低。

4.5 C/C++的静态类型检查器

C/C++是静态类型语言，在编译时进行类型检查。C/C++的静态类型检查器是基于GCC编译器的。GCC的语法分析器会对代码进行解析，找出变量的类型，并记录到符号表中。GCC的类型检查器会对符号表进行类型检查，检查变量的类型是否正确。下面简单介绍C/C++的静态类型检查器的工作原理。

1. 预处理：GCC会对源文件进行预处理，处理宏定义、头文件包含、条件编译等。

2. 词法分析：GCC会对源代码进行词法分析，得到所有元素的类型。

3. 语法分析：GCC会对源代码进行语法分析，判断每个元素是否符合语法规则。

4. 求值：GCC会根据符号表和语法树，生成汇编代码，将代码送至链接器进行连接。

5. 目标代码生成：GCC会将汇编代码编译成目标代码。

6. 类型检查：GCC会对代码进行类型检查，检查变量的类型是否正确。

C/C++的静态类型检查器可以进行类型检查，但效率较低。C/C++也使用了RTTI(Run Time Type Information)机制，可以在运行时检测类和函数的类型。

4.6 Scala的静态类型检查器

Scala是静态类型语言，在编译时进行类型检查。Scala的静态类型检查器是基于Scala虚拟机(Scalac)的。Scala虚拟机的语法分析器会对代码进行解析，找出变量的类型，并记录到符号表中。Scala虚拟机的类型检查器会对符号表进行类型检查，检查变量的类型是否正确。下面简单介绍Scala的静态类型检查器的工作原理。

1. 编译器预处理：Scalac会对源文件进行预处理，处理宏定义、头文件包含、条件编译等。

2. 词法分析：Scalac会对源代码进行词法分析，得到所有元素的类型。

3. 语法分析：Scalac会对源代码进行语法分析，判断每个元素是否符合语法规则。

4. 求值：Scalac会根据符号表和语法树，生成字节码，编译器会将字节码转译成机器码。

5. 类型检查：Scalac会对代码进行类型检查，检查变量的类型是否正确。

Scala的静态类型检查器可以使用Java和C++的代码，还可以使用Java库和标准库。由于Scala在编译时进行类型检查，因此编译速度快，但运行速度较慢。Scala也使用了RTTI机制，可以在运行时检测类和函数的类型。