Erlang的类型系统和静态分析

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Contents: 概述  意义  规范  类型及其定义语法  自定义类型定义  在record中使用类型声明  函数规范定义  使用 dialyzer 进行静态分析  生成 plt   使用dialyzer 分析  参考  概述 Erlang 为动态语言，变量在运行时动态绑定，这对于我们获取函数的参数及返回值的类型信息具有一定的难度。为了弥补这个不足，在Erlang 中我们可以通过type及spec定义数据类型及函数原型。通过这些信息，我们对函数及调用进行静态检测，从而发现一些代码中问题。同时，这些信息也便于他人了解函数接口，也可以用来生成文档。 意义 定义各种自定义数据类型  定义函数的参数及返回值  dialyzer   进行代码静态分析  edoc利用这些信息生成文档  规范 类型及其定义语法 数据类型由一系列Erlang   terms组成，其有各种基本数据类型组成(如 integer() , atom() , pid() ）。Erlang 预定义数据类型代表属于此类型的所有数据，比如 atom() 代表所有的atom类型的数据。 数据类型，由基本数据类型及其他自定义数据类型组成，其范围为对应数据类型的合集。比如: atom() | 'bar' | integer() | 42 复制代码 与: atom() | integer() 复制代码 具有相同的含义。 各种类型之间具有一定的层级关系，其中最顶层的 any() 可以代表任何Erlang 类型，而最底层的 none() 表示空的数据类型。 预定义的类型及语法如下: Type :: any()           %% 最顶层类型，表示任意的Erlang   term      | none()           %% 最底层类型，不包含任何term      | pid()      | port()      | ref()      | []               %% nil      | Atom      | Binary      | float()      | Fun      | Integer      | List      | Tuple      | Union      | UserDefined      %% described in Section 2 Union :: Type1 | Type2 Atom :: atom()      |  Erlang _Atom      %% 'foo', 'bar', ... Binary :: binary()                        %% <<_:_ * 8>>        | <<>>        | <<_:Erlang _Integer>>            %% Base size        | <<_:_*Erlang _Integer>>          %% Unit size        | <<_:Erlang _Integer, _:_*Erlang _Integer>> Fun :: fun()                             %% 任意函数     | fun((...) -> Type)                 %% 任意arity, 只定义返回类型     | fun(() -> Type)     | fun((TList) -> Type) Integer :: integer()         |  Erlang _Integer                 %% ..., -1, 0, 1, ... 42 ...         |  Erlang _Integer..Erlang _Integer %% 定义一个整数区间 List :: list(Type)                       %% 格式规范的list (以[]结尾)      | improper_list(Type1, Type2)       %% Type1=contents, Type2=termination      | maybe_improper_list(Type1, Type2) %% Type1 and Type2 as above Tuple :: tuple()                          %% 表示包含任意元素的tuple       | {}       | {TList} TList :: Type       | Type, TList 复制代码 由于 lists 经常使用，我们可以将 list(T) 简写为 [T] ，而 [T, ...] 表示一个非空的元素类型为T的规范列表。两者的区别是 [T] 可能为空，而 [T, ...] 至少包含一个元素。 '_' 可以用来表示任意类型。 请注意, list()表示任意类型的list，其等同于 [_]或[any()], 而 [] ，仅仅表示一个单独的类型即空列表。 为了方便，下面是一个内建类型列表 Built-in type Stands for  term() any() bool() 'false' | 'true' byte() 0..255 char() 0..16#10ffff non_neg_integer() 0.. pos_integer() 1.. neg_integer() ..-1 number() integer() | float() list() [any()] maybe_improper_list() maybe_improper_list(any(), any()) maybe_improper_list(T) maybe_improper_list(T, any()) string() [char()] nonempty_string() [char(),...] iolist() maybe_improper_list( char() | binary() | iolist(), binary() | []) module() atom() mfa() {atom(),atom(),byte()} node() atom() timeout() 'infinity' | non_neg_integer() no_return() none() 复制代码 类型定义不可重名，编译器可以进行检测。(转载注：在R13，如果采用 -type 和 -spec 标注，编译阶段会进行这种检测，然而，因为标注仍然是可选的，所以，如果没有使用标注，则不会进行检测。) 注意 : 还存在一些其他 lists 相关的内建类型，但是因为其名字较长，我们很少使用: nonempty_maybe_improper_list(Type) :: nonempty_maybe_improper_list(Type, any()) nonempty_maybe_improper_list() :: nonempty_maybe_improper_list(any()) 复制代码 我们也可以使用record标记法来表示数据类型: Record :: #Erlang _Atom{}         | #Erlang _Atom{Fields} 复制代码 当前R13B中，已经支持record定义中的类型说明 自定义类型定义 通过前一章节的介绍，我们知道基本的类型语法为一个atom紧随一对圆括号。如果我们想第一个一个新类型，需要使用 'type' 关键字: -type my_type() :: Type. 复制代码 my_type为我们自定义的type名称，其必须为atom，Type为先前章节介绍的各种类型，其可以为内建类型定义，也可以为可见的（已经定义的）自定义数据类型。否则会编译时保错。 这样递归的类型定义，当前还不支持。 类型定义也可以参数化，我们可以在括号中包含类型，如同Erlang 中变量定义，这个参数必须以大写字母开头，一个简单的例子: -type orddict(Key, Val) :: [{Key, Val}]. 复制代码 在record中使用类型声明 我们可以指定record中字段的类型，语法如下: -record(rec, {field1 :: Type1, field2, field3 :: Type3}). 复制代码 如果字段没有指明类型声明，那么默认为 any() . 比如，上面的record定义与此相同: -record(rec, {field1 :: Type1, field2 :: any(), field3 :: Type3}). 复制代码 如果我们在定义record的时候，指明了初始值，类型声明必须位于初始值之后: -record(rec, {field1 = [] :: Type1, field2, field3 = 42 :: Type3})$ 复制代码 我们可以指定record中字段的类型，语法如下:: -record(rec, {field1 :: Type1, field2, field3 :: Type3}). 复制代码 如果字段没有指明类型声明，那么默认为 any() . 比如，上面的record定义与此相同: -record(rec, {field1 :: Type1, field2 :: any(), field3 :: Type3}). 复制代码 如果我们在定义record的时候，指明了初始值，类型声明必须位于初始值之后: -record(rec, {field1 = [] :: Type1, field2, field3 = 42 :: Type3}). 复制代码 如果初始值类型与字段的类型声明不一致，会产生一个编译期错误。 filed的默认值为 'undefined' ，因此下面的来个record定义效果相同: -record(rec, {f1 = 42 :: integer(),                 f2      :: float(),                 f3      :: 'a' | 'b'). -record(rec, {f1 = 42 :: integer(),                 f2      :: 'undefined' | float(),                 f3      :: 'undefined' | 'a' | 'b'). 复制代码 所以，推荐您在定义record时，指明初始值。 record定义后，我们可以作为一个类型来使用，其用法如下: #rec{} 复制代码 在使用recored类型时，我们也可以重新指定某个field的类型: #rec{some_field :: Type} 复制代码 没有指明的filed，类型与record定义时指明的类型相同。 函数规范定义 函数规范可以通过新引入的关键字 'spec' 来定义（摒弃了旧的 @spec 声明)。其语法如下: -spec Module:Function(ArgType1, ..., ArgTypeN) -> ReturnType. 复制代码 函数的参数数目必须与函数规范定义相同，否则编译出错。 在同一个module内部，可以简化为: -spec Function(ArgType1, ..., ArgTypeN) -> ReturnType. 复制代码 同时，为了便于我们生成文档，我们可以指明参数的名称: -spec Function(ArgName1 :: Type1, ..., ArgNameN :: TypeN) -> RT. 复制代码 函数的spec声明可以重载。通过 ';' 来实现: -spec foo(pos_integer()) -> pos_integer()            ; (integer()) -> integer(). 复制代码 我们可以通过spec指明函数的输入和输出的某些关系: -spec id(X) -> X. 复制代码 但是，对于上面的spec，其对输入输出没有任何限定。我们可以对返回值增加一些类似guard的限定: -spec id(X) -> X when is_subtype(X, tuple()). 复制代码 其表示X为一个tuple类型。目前仅仅支持 is_subtype 是唯一支持的guard。 某些情况下，有些函数是server的主循环，或者忽略返回值，仅仅抛出某个异常，我们可以使用 no_return() 作为返回值类型: -spec my_error(term()) -> no_return(). my_error(Err) ->  erlang :throw({error, Err}). 复制代码 使用dialyzer 进行静态分析 我们定义了type及spec，我们可以使用  dialyzer   对代码进行静态分析，在运行之前发现很多低级或者隐藏的错误。 生成plt 为了分析我们的app或者module，我们可以生成一个plt 文件（Persistent Lookup Table），其目的是为了加速我们的代码分析过程，plt 内部很多类型及函数信息。 首先我们生成一个常用的plt 文件, 其包含了以下lib：erts, kernel, stdlib, mnesia, crypto, sasl， ERL_TOP为erlang 的安装目录，各个lib因为erlang 版本不同会有所差别，我当前使用R13B(erl 5.7.1): dialyzer   --build_plt   -r $ERL_TOP/lib/erts-5.7.1/ebin /            $ERL_TOP/lib/kernel-2.13.1/ebin /            $ERL_TOP/lib/stdlib-1.16.1/ebin /            $ERL_TOP/lib/mnesia-4.4.9/ebin /            $ERL_TOP/lib/crypto-1.6/ebin /            $ERL_TOP/lib/sasl-2.1.6/ebin 复制代码 经过十几分钟的的等待，生成了一个~/.dialyzer _plt 文件，在生成plt 时，可以通过--output_plt   指定生成的plt 的名称。 我们也可以随时通过:  dialyzer   --add_to_plt   --plt   ~/.dialyzer _plt   -c path_to_app 添加应用到既有plt 中，也可以通过:  dialyzer   --remove_from_plt   --plt   ~/.dialyzer _plt   -c path_to_app 从已有plt 中删除某个应用。 例子: % 生成plt dialyzer   --build_plt   -r /usr/local/lib/erlang /lib/erts-5.7.1/ebin /            /usr/local/lib/erlang /lib/kernel-2.13.1/ebin /            /usr/local/lib/erlang /lib/stdlib-1.16.1/ebin /            /usr/local/lib/erlang /lib/mnesia-4.4.9/ebin /            /usr/local/lib/erlang /lib/crypto-1.6/ebin /            /usr/local/lib/erlang /lib/sasl-2.1.6/ebin % 从plt 中去处crypto应用 dialyzer   --remove_from_plt   --plt   ~/.dialyzer _plt   -c /usr/local/lib/erlang /lib/crypto-1.6/ebin % 向plt 中添加crypto应用 dialyzer   --add_to_plt   --plt   ~/.dialyzer _plt   -c /usr/local/lib/erlang /lib/crypto-1.6/ebin 复制代码 使用dialyzer 分析 生成plt 后，就可以对我们书写的应用进行静态检查了。 假设我们书写一个简单的module（spec/spec.erl): -module(spec). -compile([export_all]). -vsn('0.1'). -spec index(any(), pos_integer(), [any()]) -> non_neg_integer(). index(Key, N, TupleList) ->    index4(Key, N, TupleList, 0). index4(_Key, _N, [], _Index) -> 0; index4(Key, N, [H | _R], Index) when element(N, H) =:= Key -> Index; index4(Key, N, [_H | R], Index) -> index4(Key, N, R, Index + 1). % correct: %-spec fa( non_neg_integer() ) -> pos_integer(). % invalid: -spec fa( N :: atom() ) -> pos_integer(). fa(0) -> 1; fa(1) -> 1; fa(N) -> fa(N-1) + fa(N-2). -spec some_fun() -> any(). some_fun() ->    L = [{bar, 23}, {foo, 33}],    lists:keydelete(1, foo, L). 复制代码 编译spec.erl: erlc +debug_info spec.erl 复制代码 使用dialyzer 进行分析: dialyzer   -r ./spec 复制代码 显示结果: Checking whether the  PLT   /home/litao/.dialyzer _plt   is up-to-date... yes Proceeding with analysis... spec.erl:15: Invalid type specification for function 'spec':fa/1. The success typing is (non_neg_integer()) -> pos_integer() spec.erl:22: Function some_fun/0 has no local return spec.erl:24: The call lists:keydelete(1,'foo',L::[{'bar',23} | {'foo',33},...]) will never return since it differs in argument position 2 from the success typing arguments: (any(),pos_integer(),maybe_improper_list()) done in 0m0.29s done (warnings were emitted) 复制代码 我们可以看到,我们的fa/1函数的spec信息错误，我们进行修正: 由 -spec fa( non_neg_integer() ) -> pos_integer(). 复制代码 改为: -spec fa( N :: atom() ) -> pos_integer(). 复制代码 some_fun中，lists:keydelete/3参数顺序进行修改: lists:keydelete(1, foo, L). 复制代码 改为: lists:keydelete(foo,1, L). 复制代码 重新编译，进行dialyzer 分析，提示成功: litao@litao:~/erltest$  dialyzer   -r ./spec Checking whether the  PLT   /home/litao/.dialyzer _plt   is up-to-date... yes Proceeding with analysis... done in 0m0.28s done (passed successfully) 复制代码 参考 [1] EEP 8,Types and function specifications (http://www.erlang .org/eeps/eep-0008.html ) [2] reRestructureText (http://docutils.sourceforge.net/docs/user/rst/quickref.html ) [3]  dialyzer   (http://www.erlang .org/doc/man/dialyzer .html )