سیستم نوع
سامانه نوع، یا سیستم نوع یا تایپ‌سیستم ( انگلیسی: Type system) مجموعه‌ای از قوانین است که ویژگی «نوع» را به مفاهیم مختلف یک زبان برنامه‌نویسی، مانند متغیرها، رویه‌ها و عبارات، نسبت می‌دهد. هر زبان برنامه‌نویسی دارای تعدادی نوع است که داده ساختارهای مختلف مورد استفاده در برنامه‌ها را دسته‌بندی می‌کنند.
| سیستم نوع‌ها |
|---|
| مفاهیم کلی |
| طبقه های اصلی |
| طبقه های جزیی |
| جستارهای وابسته |
در علوم رایانه یک سیستم نوع نحوهٔ ارتباط زبان برنامه‌نویسی را با مقادیر و عبارات تعیین می‌کند و تحت این روابط آن‌ها را دسته‌بندی کرده و رفتار مناسب آن‌ها را با یکدیگر تعیین می‌کند. یک نوع در داده‌ها به معنای یک دسته از مقادیر با ویژگی‌های عمومی یکسان است. البته باید در نظر داشت که ممکن است این ویژگی‌ها به‌طور واقعی در یک برنامه در حال اجرا، وجود نداشته باشد. سیستم نوع در بین زبان‌های برنامه‌نویسی مختلف به‌طور کلی متفاوت است. اصلی‌ترین تفاوت در مورد ایستا بودن یا ایجاد در زمان اجرا انواع داده در زبان‌های مختلف می‌باشد.
کامپایلرها با استفاده از این سیستم نوع در صدد بهینه‌سازی رفتار خود در زمینهٔ ذخیره‌سازی فضا برمی‌آید.
عضوهای داده‌ای استاتیک یک کلاس، به عنوان «متغیرهای کلاس» شناخته می‌شوند، زیرا فقط یک مقدار منحصر به فرد برای همه‌ی اشیای آن کلاس وجود دارد. محتوای آن‌ها در یک شیء از آن کلاس با دیگری، متفاوت نیست [1].
هدف سیستم انواع
هدف اصلی سیستم انواع جلوگیری از وقوع خطاهای اجرایی است. خطاهای اجرایی عموماً به صورت اشکال در روند اجرایی برنامه بروز پیدا می‌کنند. البته ممکن است برخی خطاهای اجرایی بدون داشتن اثر قابل مشاهده‌ای باعث تخریب داده شوند.
زبان‌های برنامه‌نویسی دارای نوع‌داده و فاقد نوع‌داده
متغیرهای یک زبان می‌توانند مقدارهای مختلفی بگیرند. حد بالای این مقادیر نوع نامیده می‌شود[2]. برای مثال زبان برنامه‌نویسی جاوا دارای نوع دادهٔ بولی (boolean) است که دو مقدار درست (true) و نادرست (false) به خود می‌گیرد. به زبان‌هایی که مقادیر یک متغیر را از طریق نسبت دادن نوع به آن محدود می‌کنند، زبان‌های دارای نوع‌داده گفته‌می‌شود. متغیرهای زبان‌های فاقد نوع‌داده نوع ندارند. زبان‌های فاقد نوع‌داده ممکن است یک نوع‌دادهٔ تمام‌شمول (en) داشته‌باشند که همهٔ مقادیر را بپذیرد. عملیات در زبان‌های فاقد نوع‌داده می‌توانند روی متغیرهای با نوع نادرست اعمال شوند.
خطاهای اجرایی و ایمنی
خطاهای اجرایی به‌طور کلی به دو دسته تقسیم می‌شوند.
- خطاهای توقفی: خطاهایی که باعث توقف روند اجرای برنامه می‌شوند.
- خطاهای غیرتوقفی: خطاهایی که برنامه را متوقف نکرده و باعث بروز رفتارهای غیرمنتظره در آینده می‌شوند.
قسمتی از برنامه که منجر به وقوع خطای غیرتوقفی نشود را امن می‌نامند. اگر همهٔ قسمت‌های برنامه‌های نوشته‌شده به یک زبان برنامه‌نویسی امن باشند، آن زبان را یک «زبان برنامه‌نویسی امن» می‌نامند. زبان‌های برنامه‌نویسی فاقد نوع‌داده از طریق بررسی برنامه در زمان اجرا از ایمنی آن اطمینان حاصل می‌کنند. این در حالی‌است که زبان‌های برنامه‌نویسی دارای نوع‌داده برنامه را در زمان کامپایل بررسی می‌کنند و در صورت ایمن نبودن برنامه، آن را اجرا نمی‌کنند. البته ممکن است این زبان‌ها در زمان اجرا نیز برنامه را بررسی کنند.
ویژگی‌های یک سیستم انواع
نوع‌داده‌های یک زبان برنامه‌نویسی از لحاظ صوری بودن تعریف‌شان با دیگر اجزای زبان تفاوت‌هایی دارند. تعریف انواع داده از این حیث مابین یادداشت‌های غیر صوری یک زبان و تعریف مشخصات جزئی‌تر است؛ از یادداشت‌های زبان صوری‌تر است و از مشخصات جزئی راحت‌تر قابل پردازش است. ویژگی‌های پایه‌ای یک سیستم انواع عبارت‌اند از:
- سیستم انواع باید به صورت تصمیم‌پذیر قابل تصدیق باشد. به این معنی که الگوریتمی (که به الگوریتم بررسی نوع‌داده معروف است) وجود داشته‌باشد که خوش‌رفتار بودن برنامه را تصمیم بگیرد. هدف سیستم انواع تنها بیان هدف برنامه نیست؛ بلکه شناسایی و جلوگیری از وقوع خطاها است.
- سیستم انواع باید شفاف باشد. برنامه‌نویس باید قادر باشد بدون ابهام رفتار یک سیستم انواع و بررسی نوع‌داده آن را پیش‌بینی کند.
- بررسی نوع داده در یک سیستم انواع باید قابل تحمیل باشد؛ اعلام انواع متغیرها باید در زمان کامپایل به صورت ایستا قابل بررسی باشد. بررسی‌های بیشتر باید در زمان اجرا به صورت پویا انجام بگیرند.[3] همچنین وجود تناسب بین نوع هر متغیر با مقدار نسبت داده‌شده به آن باید بررسی شود.
بررسی گونه
بررسی گونه (Type-checking) فرایندی است برای اثبات اینکه هر عملیاتی که در برنامه اجرا می‌شود قواعد گونه‌ای زبان را رعایت می‌کند. به‌طور کلی به این معناست که تمامی عملوندها در تمامی گزاره‌ها دارای گونه مناسبی هستند.
بررسی کردن معنایی بر دو قسم است:
- بررسی ایستا: این نوع بررسی در هنگام کامپایل شدن اتفاق می افتد.
- بررسی پویا: این نوع بررسی در هنگام اجرا اتفاق می افتد.[4]
بررسی گونه‌ای ایستا
یک زبان ایستا گونه است اگر گونه متغیرها به جای زمان اجرا در زمان کامپایل مشخص شود. از مثال‌های معروف از زبان‌های ایستا-گونه می‌توان به زبان‌های Ada, C, C++, C#, JADE, Java, Fortran, Haskell, ML, Pascal, and Scala اشاره کرد.
مزیت بزرگ زبان‌هایی که از بررسی گونه ایستا استفاده می‌کنند این است که می‌توانند بسیاری از خطاها و اشتباهات را به سرعت در مرحله توسعه شناسایی کنند. ایستا گونگی معمولاً کدهای کامپایل شده‌ای را نتیجه می دهند که سریع تر اجرا می‌شوند زیرا زمانی که کامپایلر می‌داند که دقیقاً از چه گونه اطلاعاتی استفاده می‌کند می‌تواند کدهای ماشین بهینه تری تولید کند. ( کدهایی که سریع ترند یا حافظه کمتری اشغال می‌کنند)
استفاده کنندگان از بررسی گونه ایستا تنها از اطلاعاتی که در زمان کامپایل مشخص شده‌است استفاده می‌کنند اما می‌توانند مطمئن باشند که برای تمامی حالات اجرا، برنامه در حالت صحیح باقی می ماند، که این نیاز به تکرار بررسی گونه را در زمان اجرا از بین می برد.
یک بررسی‌کننده گونه ایستا به سرعت خطاهای گونه‌ای را در مسیرهای کد کمتر مورد استفاده پیدا می‌کند اما بدون بررسی ایستا گونه حتی با وجود پوشش 100% کد با تست ممکن است این چنین خطاهایی کشف نشوند.
نقطه منفی بررسی ایستا این است که اگر شما بخواهید در یک زبان با بررسی‌کننده گونه ایستا یک برنامه با خطا گونه‌ای را به صورت دستی اجرا کنید ، حتماً بررسی‌کننده گونه متوجه می‌شود و یک خطای گونه‌ای را ایجاد می‌کند و مانع اجرا برنامه شما می‌شود.[5]
بررسی گونه‌ای پویا
بررسی گونه پویا فرایندی است که ایمن بودن گونه‌های یک برنامه را در زمان اجرا تصدیق کند. زبان‌های معروف با بررسی‌کننده گونه پویا عبارتند از :
Groovy, JavaScript, Lisp, Lua, Objective-C, PHP, Prolog, Python, Ruby, Smalltalk and Tcl.
بیشتر زبان‌های ایمن-گونه دارای سبکی از بررسی گونه پویا هستند حتی اگر آن‌ها از یک بررسی‌کننده ایستا نیز استفاده کنند. دلیل این امر این است که بررسی گونه‌ای ایستای بسیار از ویژگی‌ها و خواص مفید غیرممکن (یا بسیار دشوار) است. برای مثال برنامه‌ای را در نظر بگیرید که دو گونه A , B را تعریف کرده که A زیرگونه B است. اگر برنامه سعی کند که یک مقدار از گونه A را به گونه B تبدیل کند که تبدیل رو به پایین (به انگلیسی: Down Casting) این عمل زمانی مجاز خواهد بود که مقدار تبدیل شونده خود از گونه B باشد بنابراین یک بررسی‌کننده پویا گونه لازم است که تصدیق کند که این عمل ایمن است. از دیگر قابلیت‌های زبانی که بررسی پویا گونه اجازه می دهد می‌توان به dynamic dispatch, late binding, و reflection اشاره کرد.
برخلاف بررسی‌کننده‌های گونه ایستا ، بررسی‌کننده‌های گونه پویا ممکن است باعث خرابی برنامه در زمان اجرا به علت خطاهای گونه‌ای شوند. در بعضی از زبان‌های برنامه‌نویسی این قابلیت وجود دارد که از این خطاها به وسیله روش‌های حل خطا و یا روش‌های ایمنی ضعیف خارج شد. در سایر زبان‌ها خطاهای گونه‌ای کشنده قلمداد می‌شود .
به علت سخت بودن تشخیص خطاهای گونه‌ای در زبان‌های با بررسی گونه‌ای پویا یک روش مرسوم استفاده از آزمایش واحد(به انگلیسی: Unit testing) می‌باشد.
در مجموع زبان‌های با بررسی گونه‌ای پویا معمولاً کدهای غیربهینه تری را نسبت به زبان‌های با بررسی گونه ایستا تولید می‌کنند ، احتمال خطای گونه‌ای در زمان اجرا را زیاد می‌کنند و مجبور می‌شوند که بررسی‌های گونه‌ای زمان اجرا داشته باشند. ( در مقابل بررسی‌کننده‌های ایستا که فقط یک بار در زمان کامپایل بررسی می‌کنند).
با این حال بررسی‌کننده‌های پویا امکان ساختن زبان‌هایی را می دهند که دارای با قدرت بیشتر و امکانات بهتری باشند و توسعه محصولات را به صورت چشم‌گیری آسان تر کنند.
فرایند طراحی یک صحت یاب گونه
- در ابتدا باید گونه‌هایی که در زبان موجود اند را شناسایی کنیم.
- سپس به شناسایی ساختارهایی از زبان که با این گونه‌ها در ارتباط اند می پردازیم
- در انتها قواعد معنایی که بر این زبان هستند را شناسایی می کنیم.[6]
منابع
- دکتر بابک بشری راد (۱۳۹۴). برنامه سازي پيشرفته با ++C. تهران: ناقوس. صص. ۱۳۲. شابک ۹۷۸-۹۶۴-۳۷۷-۷۴۶-۳.
- Cardelli 2004, p. 1: "The fundamental purpose of a type system is to prevent the occurrence of execution errors during the running of a program."
- https://en.wikipedia.org/wiki/Type_system#Static_and_dynamic_type_checking_in_practice
- Aho، Alfred (۱۹۸۶). Compilers, Principles, Tools ,and Techniques. Pearson. صص. Chapter ۶. شابک ۰-۲۰۱-۱۰۰۸۸-۶.
- Castagna، Giuseppe (۱۹۹۷). Object Oriented Programming: A Unified Foundation. Birkhauser. صص. https://www٫amazon٫com/Object-Oriented-Programming-Foundation-Giuseppe/dp/B۰۱۰BDQE۰۰.
- Ranta، Aarne (۲۰۱۲). Implementing Programming Languages. An Introduction to Compilers and Interpreters. College Publications. صص. https://www٫amazon٫com/Implementing-Programming-Languages-Introduction-Interpreters/dp/۱۸۴۸۹۰۰۶۴۳.