Erlang类型及函数声明规格

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litaocheng

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2009.6.8

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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

与:

atom() | integer()

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

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()

类型定义不可重名，编译器可以进行检测。

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())

我们也可以使用record标记法来表示数据类型:

Record :: #Erlang_Atom{}
        | #Erlang_Atom{Fields}

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.

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}].

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}).

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}).

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})$
我们可以指定record中字段的类型，语法如下::

 -record(rec, {field1 :: Type1, field2, field3 :: Type3}).

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}).

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}).

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').

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{}

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}

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.

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.

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.

函数的spec声明可以重载。通过 ';' 来实现:

-spec foo(pos_integer()) -> pos_integer()
           ; (integer()) -> integer().

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.

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()).

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}).

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

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

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).

编译spec.erl:

erlc +debug_info spec.erl

使用dialyzer进行分析:

dialyzer -r ./spec

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)

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().
改为:
-spec fa( N :: atom() ) -> pos_integer().

some_fun中，lists:keydelete/3参数顺序进行修改:

lists:keydelete(1, foo, L).
改为:
lists:keydelete(foo,1, L).

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)

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 )

评论

4 楼 Arbow 2009-06-09  

使用dialyzer分析还是太挫了，期待Erlang以后也实现静态类型推导！
看了《TypEr: A Type Annotator of Erlang Code》和 《Practical Type Inference Based on Success Typings》 这Paper，感觉还是有点可能的

3 楼 jackyz 2009-06-09  

已转。
编译阶段不对类型系统做检查。

2 楼 litaocheng 2009-06-09  

恩，dialyzer是咱们的好伙伴

1 楼 mryufeng 2009-06-09  

dialyzer很好用 伴我解决了很多问题