Typeclass vs Trait vs Interface/聊聊多态

Disclamer：由于本人才疏学浅，并且本文涉及的话题内容过多，肯定有不全面甚至错误。本文既不学术也不实践，仅为个人阶段的学习理解，写的也比较随意。如有错误欢迎指正。

我的 PL 学习路径是 Python → C++（C with class）→ Coq → Haskell → Rust → Java。学 Haskell 的时候学到了 Typeclass，觉得太妙了，第一次看见有这么好的东西可以用来减少重复代码。不过随即觉得其实和 C++ 的抽象类挺像。Coq 里也有 Typeclass，但我没怎么用过。学 Rust 发现了 Trait，当时就隐隐觉得和 Typeclass 很像，不过表达力貌似要比 Typeclass 弱一些。稍微研究了一下也没完全搞清楚区别，甚至还发现了 Java 里的 Interface。

那么自然就引出了这个问题：Interface、Trait、Typeclass……这些概念之前都有什么联系和区别？

分别介绍

首先我们先简单介绍/复习一下每个语言中的概念的功能。

Haskell: Typeclass

From https://www.seas.upenn.edu/~cis194/spring13/lectures/09-functors.html

class Eq a where
  (==) :: a -> a -> Bool
  (/=) :: a -> a -> Bool
  x /= y = not (x == y)   -- default implementation

-- Let’s look at the type of (==)
(==) :: Eq a => a -> a -> Bool

data Foo = F Int | G Char

instance Eq Foo where
  (F i1) == (F i2) = i1 == i2
  (G c1) == (G c2) = c1 == c2
  _ == _ = False

data Foo' = F' Int | G' Char
  deriving (Eq, Ord, Show)

-- Functor class abstracts over types of kind * -> *.
class Functor f where
  fmap :: (a -> b) -> f a -> f b

instance Functor Maybe where
  fmap _ Nothing  = Nothing
  fmap h (Just a) = Just (h a)

instance Functor [] where
  fmap _ []     = []
  fmap f (x:xs) = f x : fmap f xs

Rust: Trait

From https://doc.rust-lang.org/rust-by-example/trait.html

struct Sheep { naked: bool, name: &'static str }

trait Animal {
    // Static method signature; `Self` refers to the implementor type.
    fn new(name: &'static str) -> Self;

    // Instance method signatures; these will return a string.
    fn name(&self) -> &'static str;
    fn noise(&self) -> &'static str;

    // Traits can provide default method definitions.
    fn talk(&self) {
        println!("{} says {}", self.name(), self.noise());
    }
}

impl Sheep {
    fn is_naked(&self) -> bool {
        self.naked
    }

    fn shear(&mut self) {
        if self.is_naked() {
            // Implementor methods can use the implementor's trait methods.
            println!("{} is already naked...", self.name());
        } else {
            println!("{} gets a haircut!", self.name);

            self.naked = true;
        }
    }
}

// Implement the `Animal` trait for `Sheep`.
impl Animal for Sheep {
    // `Self` is the implementor type: `Sheep`.
    fn new(name: &'static str) -> Sheep {
        Sheep { name: name, naked: false }
    }

    fn name(&self) -> &'static str {
        self.name
    }

    fn noise(&self) -> &'static str {
        if self.is_naked() {
            "baaaaah?"
        } else {
            "baaaaah!"
        }
    }
    
    // Default trait methods can be overridden.
    fn talk(&self) {
        // For example, we can add some quiet contemplation.
        println!("{} pauses briefly... {}", self.name, self.noise());
    }
}

在 Rust 中，Option<T>, Vec<T>, Result<T> 都有自己的 map，但却不能更进一步，写出一个更一般的 map，因为 Rust 没有 higher kinded *->* , 写不出 Functor。

不过 Rust 明明可以 impl<T> Trait for Vec<T> ，为什么说写不出 Functor 呢？这是因为 fmap :: (a -> b) -> f a -> f b 这里面的 f a , f b 这个类型写不出来！当然，可以用山寨的方法，强行多加一个辅助参数来实现效果，比如 impl<A,B> Functor<A,B,Vec<B>> for Vec<A> 。我觉得这样做的问题在于，没法保证多加的辅助参数被正确使用，可能会写出奇奇怪怪的东西。

From https://www.reddit.com/r/rust/comments/2av5tv/why_does_rust_not_have_a_functor_trait/

// 正宗的 Functor, 这个写不出来。Self 只是 Vec<T>，而不是高阶类型 Vec
trait Functor<A,B> {
    fn fmap<A,B>(&self, f: fn(&A) -> B) -> Self<B>;
}

// 山寨 Functor，多加了辅助参数 C
trait Functor<A,B,C>{
  fn fmap(&self, f : fn(&A) -> B) -> C;
}
// nonsense
impl<B> Functor<i32,B,B> for i32 {
  fn fmap(&self,f : fn(&i32) -> B) -> B {
    f(self)
  }
}
// 正确使用的山寨 Functor
impl<A,B> Functor<A,B,Vec<B>> for Vec<A> {
  fn fmap(&self, f : fn(&A) -> B) -> Vec<B>{
    let mut v = Vec::new();
    for e in self.iter() {
      v.push(f(e));
    }
    v
  }
}

fn main(){
  let i = 10.fmap(|x| x * 2);
  let v = vec![1,2,3,4].fmap(|x| x * 10);
  println!("{}", i); // 20
  println!("{:?}", v); // [10, 20, 30, 40]
}

C++/Java：abstract class/interface

略~

多态

现在我们可以暂时放下各个具体语言中的具体特性，从一个一般的角度来看问题。其实这些语言特性都可以回归到一个很大的话题：多态。

首先多态是什么？按照字面理解，就是多种形态。什么东西有多种形态？我的理解是：一个名字/记号（专业的说法可以叫 term）有多种形态/行为。In the context of type systems, polymorphism allows a single term to have several types.

维基百科中的 polymorphism 词条中说有三种最被熟知的多态：

特设（ad hoc）多态
参数化多态
子类型多态

Ad hoc polymorphism

参数化（C++模板/Java 泛型）和子类型（C++虚函数/Java 默认）我们都比较熟悉，那么这个 ad hoc 是什么鬼？看看词典的解释：

An ad hoc activity or organization is done or formed only because a situation has made it necessary and is not planned in advance.

好像有点懂，但是这怎么和多态联系起来？Wiki 中的定义：

Ad hoc polymorphism: defines a common interface for an arbitrary set of individually specified types.

？？？完全不懂在说啥。点进词条再看看更详细的解释吧：

In programming languages, ad hoc polymorphism is a kind of polymorphism in which polymorphic functions can be applied to arguments of different types, because a polymorphic function can denote a number of distinct and potentially heterogeneous implementations depending on the type of argument(s) to which it is applied.

The term ad hoc in this context is not intended to be pejorative; it refers simply to the fact that this type of polymorphism is not a fundamental feature of the type system. This is in contrast to parametric polymorphism, in which polymorphic functions are written without mention of any specific type, and can thus apply a single abstract implementation to any number of types in a transparent way.

好家伙，原来就是重载。parametric 是不同的类型不做区分统一对待，而 ad-hoc 就是不同类型表现出不同的行为。一个函数名字不是给某个类型专门留的，而是类型匹配上了哪个就用哪个，这个意义上的 ad-hoc。具体可以想到这两个例子：

foo(int) , foo(double, int)，函数重载，不同的函数签名（类型）调了不同的实现可以算 ad-hoc
两个类型 A 和 B 都实现了 Interface Ord，x.cmp(y) ，根据 x 的类型调 A 或 B 的 cmp ，也算 ad-hoc

可以这么理解：先定义一个 foo: Int → Int ，再定义一个 foo: String → Double ，于是 foo 这个名字就变成了一个 Union type foo: (Int → Int)∪(String→Double) 。在这个意义上，直接新定义函数重载和实现接口确实没什么区别。

Bounded polymorphism

但我们都知道，Interface（以及类似物）除了让你多出来一个函数可以用以外，更强大的用法是在函数签名里限制参数必须实现这个接口。foo<T>(arg: T) where T: Ord ，这类似于 parametric，不限定于 any specific type，但是对类型又有约束；又类似于 subtyping，使用了一个公共类型 specify 类型需要满足的行为。这就是我们熟悉的设限多态（bounded polymorphism），它可以认为是 an interaction of parametric polymorphism with subtyping。它与 subtyping 的不同之处我觉得就是只关注类的公共行为，面向协议/面向接口，不关注（也不存在）子类型继承关系。众所周知滥用继承（尤其是多重继承）很容易使得类的关系过分复杂，如果我们只定义协议/接口，使用设限多态，那么类的关系就会简化许多，当然相应的也失去了类之间的层级关系，从而可能失去一些重用代码的可能。

Row polymorphism/duck typing

鸭子类型是我们不用给参数加上任何类型标注，不规定类型的要求，而只看给的类型实际满不满足要求（拥有 methods、properties）。Row polymorphism 是静态类型的类似鸭子类型的东西，我不太了解，就不多谈了。

静态/动态多态

除了上面说的这些分类，还有另外一种分类方式：静态/动态多态。

这种分类方式属于实现的细节，并不是功能的区别。但是通常 ad hoc 和 parametric 是静态的，例如函数重载选实现、C++模板特化、Java 类型擦除都是编译期做的；subtyping 通常是动态的，例如运行时查虚函数表。但这并非绝对。

总结一下

我们说了 ad hoc、parametric、subtyping、bounded、duck typing 这几种多态，那回过头看看，现在能区分 trait、typeclass、interface 了吗？其实我觉得这三类都是 ad hoc + bounded polymorphism……所以还是不能区分。

我们再抛开多态的分类，更一般地想想，减少重复代码有哪些需求：

默认实现
参数化/泛型
给泛型加约束
给既有类型增加功能
高阶类型/类型构造器

Haskell 的 Typeclass 这些都有，Rust 的 Trait 少了 5，Java 的 Interface 少了 5 和 4。

第 5 条高阶类型是比较高级的类型系统的要求了，大部分语言没有也难免。

而 4 给既有类型增加功能通常是 FP 的特性。FP 的类型定义后就固定了，但可以容易地给类型加函数、加入 typeclass，而 OOP 则是类型比较容易扩展（继承），但是想给已有类型加新的功能比较困难。

总结

说了半天，其实还是没有把这些东西完全分的很清楚。真要研究/实践的话，还是得具体语言具体分析，深入功能的细节乃至实现才能很好的区分。正如很多人所说，脱离具体语言谈这些毫无意义。但我并不完全赞同这种话，我觉得能对有哪些多态的类别、有哪些功能需求有 general 的了解、区分，对了解 PL 的共性与区别、写出更优雅的代码还是很有帮助的。

参考

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Typeclass vs Trait vs Interface/聊聊多态

分别介绍

Haskell: Typeclass

Rust: Trait

C++/Java：abstract class/interface

多态

Ad hoc polymorphism

Bounded polymorphism

Row polymorphism/duck typing

静态/动态多态

总结一下

总结

参考

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