基于约束的类型检查

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Swift 的类型系统在类型检查和类型推断中采用基于约束的方法。本文档解释了 Swift 的约束求解器如何工作以确定类型、解析重载以及在类型检查失败时提供有意义的诊断。

基于约束的类型检查概述

Swift 的类型检查器采用基于约束的系统来确定表达式的类型并验证类型兼容性。该系统不是立即确定类型，而是收集类型之间的约束，然后求解这些约束以找到有效的类型解决方案。

基于约束的方法具有多个优点：

• 支持复杂的类型推断
• 支持隐式类型表达式
• 处理重载函数和运算符
• 在类型检查失败时提供详细的诊断

来源：lib/Sema/ConstraintSystem.h12-17 lib/Sema/CSGen.cpp12-15 lib/Sema/CSSimplify.cpp12-15 lib/Sema/CSSolver.cpp12-15 lib/Sema/CSApply.cpp12-17

核心组件

约束系统

ConstraintSystem类是Swift类型检查器的核心组件。它管理所有约束、类型变量和求解过程。

来源：lib/Sema/ConstraintSystem.h113-135 lib/Sema/ConstraintSystem.cpp114-131 lib/Sema/Constraint.h

类型变量

类型变量表示需要通过约束求解来确定的未知类型。它们构成了约束图中的节点。

来源：lib/Sema/CSBindings.cpp35-42 lib/Sema/TypeCheckConstraints.cpp54-77

约束

约束表示类型之间的关系。存在多种约束，每种约束代表一种不同的关系。

主要约束种类

• Bind：将类型变量直接绑定到特定类型
• Equal：要求两种类型相等
• Subtype：要求一种类型是另一种类型的子类型
• Conversion：允许类型之间的转换
• ConformsTo：要求类型符合某个协议
• Member：在类型中查找成员

来源：lib/Sema/Constraint.h lib/Sema/CSSimplify.cpp49-95

约束定位器

约束定位器跟踪约束的源位置和上下文，允许系统在类型检查失败时提供精确的诊断。

来源：lib/Sema/ConstraintLocator.h lib/Sema/ConstraintSystem.cpp593-608

约束生成

约束生成是从 Swift 表达式创建约束的过程。这是对表达式进行类型检查的第一步。

生成过程

1. 遍历表达式树
2. 为具有未知类型的表达式创建类型变量
3. 根据表达式的结构生成约束
4. 构建约束图

来源：lib/Sema/CSGen.cpp80-148 lib/Sema/TypeCheckExpr.cpp

约束简化和求解

约束求解是找到满足所有约束的解决方案的过程。这包括简化约束和绑定类型变量。

简化过程

约束简化将复杂约束还原为更简单的约束。例如，类型变量和具体类型之间的Equal约束可以简化为Bind约束。

来源：lib/Sema/CSSimplify.cpp277-289 lib/Sema/CSSolver.cpp

绑定类型变量

求解器尝试根据约束为类型变量找到最佳绑定。此过程包括：

1. 确定每个类型变量的潜在绑定
2. 基于各种启发式方法选择最佳绑定
3. 应用绑定并简化相关约束

来源：lib/Sema/CSBindings.cpp42-76 lib/Sema/CSSolver.cpp

解决方案应用

一旦找到解决方案，就需要将其应用于原始表达式，以生成完全类型检查的结果。

应用过程

1. 将类型绑定应用于所有表达式
2. 解析重载声明
3. 检查剩余错误
4. 生成最终的类型检查表达式

来源：lib/Sema/CSApply.cpp61-77 lib/Sema/ConstraintSystem.h135-170

诊断生成

当类型检查失败时，约束系统会生成诊断信息，以帮助用户理解问题。

诊断过程

1. 识别错误的最可能来源
2. 生成适当的错误消息
3. 在可能的情况下建议修复

来源： lib/Sema/CSDiagnostics.cpp52-69 lib/Sema/CSDiagnostics.h40-47

简单表达式的示例流程

让我们来跟踪一下 Swift 的约束系统如何对像 let x = 1 + 2.5 这样的简单表达式进行类型检查

来源： lib/Sema/CSGen.cpp344-371 lib/Sema/CSSimplify.cpp277-289 lib/Sema/CSSolver.cpp243-265

复杂场景下的约束系统

重载解析

约束系统最复杂的任务之一是解析重载函数和运算符。

来源： lib/Sema/CSApply.cpp170-190 lib/Sema/CSRanking.cpp

泛型的类型推断

约束系统还负责推断泛型类型参数。

来源： lib/Sema/CSBindings.cpp43-47 lib/Sema/CSSimplify.cpp426-449

结论

Swift 的基于约束的类型检查系统是一个复杂的组件，它支持了该语言的许多强大功能，例如类型推断、重载和协议一致性检查。通过收集和求解约束，而不是立即确定类型，该系统能够处理复杂的类型关系，并在出现错误时提供详细的诊断信息。

该系统由几个相互作用的组件组成

• 从表达式生成约束
• 约束的简化和求解
• 类型变量绑定
• 解决方案应用
• 诊断生成

理解这个系统对于 Swift 编译器开发人员至关重要，对于想要了解为什么某些代码可以或不可以进行类型检查的 Swift 程序员也很有帮助。

来源： lib/Sema/ConstraintSystem.h114-170 lib/Sema/TypeCheckExpr.cpp