型别安全

在电脑科学中，一部分程式语言具备型别安全（中国台湾用语习惯称型别为型别；依据上下文、意思、特定用语的不同，常称数据为资料）的性质。这个术语在不同的社群中有不同的定义，特别是正规的型别理论上的定义远远强过大多数的程式员的理解，但对于使用型别系统的认知，皆旨在避免必然的错误形式，和不良的程式行为（称为型别错误）。

类型错误（type error）是错误或不期望的程序行为，由不同数据类型的差别所引起，适用于程序的常量、变量、方法（函数），如把整型（int）当作了浮点型（float）。

型别安全可以静态方式实施，及早在编译时期就捕捉到潜藏的错误；或者以动态方式，在执行时期关联型别的资讯，并在必要时检测即将发生的错误。型别安全是程式语言的性质，而不是程式所自有的。例如，有可能以型别不安全的语言，编写出型别安全的程式。在此是以程式语言为主，而不讨论以个人能力维护的型别安全。

某个行为之所以会被程式语言归类为型别错误，通常是因为试图对不适当型别的值进行运算。其分类的基本原则是：部分语言设计者和程式员的看法认为，如果所有运算不引起程式瓦解、安全上的瑕疵、或其它明显故障，即为合理的，而不视之为一个错误；其他人则认为所有违背程式员意图的，就是错误的，而且应该标上“不安全”。在静态型别系统中，型别安全通常包含一个保证，所有运算式最终的值都是合理的静态型别成员（比子型别和多态性所要求的还要更加精确细微）。

型别安全近似于所谓的记忆体安全（就是限制从记忆体的某处，将任意的位元组合复制到另一处的能力）。例如，某个语言的实作具有若干型别 $t$，假如存在若干适当长度的位元，且其不为 $t$ 的正统成员。若该语言允许把那些资料复制到 $t$ 型别的变数，那个语言就不是型别安全的，因为这些运算可将非 $t$ 型别的值赋给该变数。反过来说，若该语言型别不安全的程度，最高只到允许将任意整数用作为指标，显然它就不是记忆体安全的。

大部分的静态型别语言，都提供了一定程度的型别安全，而且其严格性更胜于记忆体的安全性。因其型别系统强迫程式员以适当的抽象资料型别定义来使用，即使对记忆体安全或任何可能的灾难而言，并不需如此严格的要求。

定义

Robin Milner 对于型别安全所喊出的口号：

“具备良好型别的程式从不出错。”

这一口号的涵义，取决于语言形式化语义的类别。在指称语义学里，型别安全意谓着一个运算式的值具有良好型别τ，则表达式是一个属于τ的集合的真正的成员。

1994年，Andrew Wright 和 Matthias Felleisen 以操作语义学定义的公式描述：何谓现今的标准定义，以及对于型别安全的检验技术。根据上述方法，型别安全是以程式语言语义中的两个性质所决定的：

藏存性

程式中的良好型别这一性质，即使转换了语言的法则（即，评价法则或约简法则），也不会有所改变。

进行性

具备良好型别的程式从不卡住，即从不进入一个使其无法进一步转换的未知状态。

这些性质不是无中生有的，而是和程式语言所描述出来的语义相连系，而且各式各样的语言存在著可以此基准来充实的广大的空间。因为“型别良好”程式的概念已是静态语义学的一部分，而“卡住”（或者“搞错”）则是动态语义学方面的属性。

语言的型别安全性

学术研究用途的玩具语言，常会提出型别安全方面的需求。另一方面，许多语言以人工方式所产生的型别安全，证实经常需要上千次的检查。不过，某些语言，如Standard ML，其严格定义了语义，且 Java 也已提供型别安全。其它语言如 Haskell 也被认为是型别安全。暂且不理会语言定义的性质，在执行时期发生的某些错误，应归于实作时的缺陷，或是用了其它语言撰写的程式库；这种错误可能使给定的实作，在某些情况下的型别不再安全。

型别安全语言的记忆体管理

要实现完善的型别安全语言，它至少需要垃圾回收或增加记忆体配置和解配置的限制（本节主要针对前者）。更明确地说，不允许悬置指标横跨不同结构型别的存在。这有一技术上的原因：假定型别语言（如Pascal要求分配的记忆体必须显式释放）。如果存在一个仍旧指向之前的记忆体位址的悬置指标，新的资料结构可能会分配到同一空间。例如，如果初始化一个指向整数区域资料结构的指标，但新物件的指标区域却分配在整数的地方，然后指标区域可借由改变整数区域的值简单改变成任可东西（经由间接引用悬置指标）。因为当指标改变时，尚未指定将会发生什么，所以这个语言就不是型别安全的。大部分型别安全的语言满足使用垃圾回收实现记忆体的管理。

在允许指标算术的语言中，实作垃圾回收器是最好的，所以在型别不安全的语言或型别安全可能失效的语言中，如此实作回收器的程式库是最好的。C 和 C++ 经常使用。

型别安全与强型别

在各种强型别的定义中，其往往成为型别安全的同义词；然而，型别安全与动态型别并不互相排斥。也可将动态型别视为非常宽松的静态型别语言，而且所有语法正确的程式皆具备良好型别；只要它的动态语义学能够保证绝不会有程式“搞错”，它就可以满足上述定义，且可称为型别安全。

参阅

• 资料型别
• 型别理论

参考资料

• Benjamin C. Pierce, Types and Programming Languages, MIT Press, 2002. (ISBN 0-262-16209-1) [1]（页面存档备份，存于互联网档案馆）
• Type Safe defined in the Portland Pattern Repository's Wiki [2]（页面存档备份，存于互联网档案馆）
• Andrew K. Wright and Matthias Felleisen, "A Syntactic Approach to Type Soundness," Information and Computation 115(1), pp. 38-94, 1994. [3]（页面存档备份，存于互联网档案馆）
• Stavros Macrakis, "Safety and power", ACM SIGSOFT Software Engineering Notes 7:2:25 (April 1982)requires subscription