PEP 483 类型提示的理论 -- Python官方文档译文 [原创]
PEP 483 -- 类型提示的理论（The Theory of Type Hints）
英文原文：https://www.python.org/dev/peps/pep-0483
采集日期：2020-01-25
PEP: 483
Title: The Theory of Type Hints
Author: Guido van Rossum guido@python.org、Ivan Levkivskyi levkivskyi@gmail.com
Discussions-To: Python-Ideas python-ideas@python.org
Status: Final
Type: Informational
Created: 19-Dec-2014
Post-History:
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目录
- 摘要（Abstract）
- 简介（Introduction）
- 背景知识（Background）
- 渐进定型概述（Summary of gradual typing）
- 泛型（Generic types）
- 语用学定义(Pragmatics)
- 版权（Copyright）
- 参考文献和脚注（References and Footnotes）
摘要（Abstract）
本 PEP 列出了 PEP 484 的理论知识。
简介（Introduction）
本文档列出了 Python 3.5 新引入的类型提示提案的理论知识。因为尚有很多细节需要制定，所以这还算不上是一个完整的提案或规范，但没有这里罗列的理论，就很难对更详细的规范进行讨论。本文首先将回顾类型理论的基本概念，再解释渐进定型（gradual typing），然后再声明一些通用规则并定义一些可用于注释的的新增特殊类型（如 Union），最后定义了泛型的实现方案并给出类型提示的语用学定义。
符号约定（Notational conventions）
t1、t2及u1、u2等等均表示某种类型。有时会用ti或tj表示“t1、t2等中的任一类型”。T,U之类表示类型变量（由TypeVar()定义，参见下文）。- 对象、类由 class 语句定义，实例用标准的 PEP 8 约定进行表示。
- 本文中类型上的
==符号意味着两个表达式代表着同一个类型。 - 注意 PEP 484 对类型和类做了区分（类型是对类型检查程序而言的概念，而类是运行时概念）。本文明晰了这种区别，但避免做不必要的严格区分，以便能更加灵活地实现类型检查程序。
背景知识（Background）
类型的概念在文字上有很多定义。这里假定“类型”是一组值和一组可应用于这些值的函数。
定义类型的方式有很多：
-
显式列出所有值。比如
True和False形成了bool类型。 -
定义可用于某类型变量的函数。比如所有带有
__len__方法的对象形成了Sized类型。[1, 2, 3]和'abc'都属于Sized类型，因为可以对其进行len调用：len([1, 2, 3]) # OK len('abc') # also OK len(42) # not a member of Sized -
直接定义一个类。比如有了以下类定义，则其所有实例也形成了一个类型：
class UserID(int): pass -
还有一些比较复杂的类型。比如可以将仅包含
int、str及其子类数据的所有列表定义为FancyList类型，[1, 'abc', UserID(42)]即为这种类型。
对于用户而言，重要的是能以类型检查程序可理解的形式定义类型。本文目标是要为变量和函数的类型注解（type annotation）提出一种采用 PEP 3107 语法进行类型定义的系统性方案。作为文档，这些注解可用于避免多种 bug，甚至可能会提高程序的执行速度。本文只重点关注用静态类型检查程序来避免出现 bug。
子型关系（Subtype relationships）
静态类型检查程序的关键概念是子型关系。它由以下问题引发：如果 first_var 为 first_type 类型，second_var 为 second_type 类型，那么 first_var = second_var 是否安全呢？
何时应该安全的有力准则是：
second_type类型的每个值同时也位于first_type类型的值集中；并且first_type类型的每个函数也都位于second_type类型的函数集中。
上述关系被称为子型关系。
根据以上定义：
- 每个类型均为自身的子类型。
- 在子类化过程中，值的集合会越变越小，而函数的集合会越变越大。
举个直观的例子：每个 Dog 都是 Animal 类型，Dog 的函数也比 Animal 多，比如会叫，因此 Dog 是 Animal 的子类型。相反 Animal 就不是 Dog 的子类型。
更正规一点的例子：整数是实数的子类型。其实每个整数当然也是实数，而整数支持更多操作，比如移位操作 << 和 >>：
lucky_number = 3.14 # type: float
lucky_number = 42 # Safe
lucky_number * 2 # This works
lucky_number << 5 # Fails
unlucky_number = 13 # type: int
unlucky_number << 5 # This works
unlucky_number = 2.72 # Unsafe
下面再来看一个棘手的例子：如果 List[int] 表示整数列表类型，那它就不是实数列表类型 List[float] 的子类型。这里子类型的第一个条件成立，但添加实数的操作仅适用于 List[float]，因此第二个条件会失败：
def append_pi(lst: List[float]) -> None:
lst += [3.14]
my_list = [1, 3, 5] # type: List[int]
append_pi(my_list) # Naively, this should be safe...
my_list[-1] << 5 # ... but this fails
在供类型检查程序使用的子类型信息声明方式中，广泛采用的有两种。
在名义子类型确定（nominal subtyping）时，类型树是基于类树的，也就是说将 UserID 视作 int 的子类型。应该在类型检查程序的控制下进行这种子类型化操作，因为在 Python 中，属性可能以非兼容方式被覆盖掉：
class Base:
answer = '42' # type: str
class Derived(Base):
answer = 5 # should be marked as error by type checker
在声明结构子类型确定（structural subtyping）时，子型关系是由已声明的方法推导出来的，即 UserID 和 int 将被视作相同类型。尽管有时候这可能会引起混乱，但结构子类型被认为更灵活。这里尽量对这两种方案都提供支持，这样在名义子类型之外还可让结构信息也派上用场。
渐进定型概述（Summary of gradual typing）
渐进定型允许只给一部分程序加上注解，因此可以充分利用动态和静态类型确定的各自优势。
这里定义了一个新的关系：一致（is-consistent-with），它和子类（is-subtype-of）类似，但在遇到新类型 Any 时是不可传递的。（这两种关系都是不对称的。）如果 a_value 的类型与 a_variable 的类型一致，则将 a_value 赋值给 a_variable 没有问题。（请与OO编程基础之一做个比较，即：a_value 的类型是 a_variable 的子类型。）一致关系由以下三条规则定义：
- 如果
t1是t2的子类型，则t1类型与t2一致。（但反向则不见得。） Any与任意类型一致。（但Any不是任意类型的子类型。）- 任意类型均与
Any一致。（但任意类型均非Any的子类型）
就这些了！更多解释和成因，请参阅 Jeremy Siek 的博客文章 What is Gradual Typing。Any 可被视为包含所有值和所有方法的类型。结合上述的子类型定义，一定程度上 Any 将被置于类型层次结构的最高处（包含所有值）和最底部（包含所有方法）。相较而言，object 与大多数类型都不一致（比如不能在要用 int 的地方把 object() 实例用上）。换句话说，在用作参数注解时 Any 和 object 均表示“允许任何类型”，但无论应该是什么类型都只能传 Any（本质上，Any 声明要回退到动态类型确定并禁止静态检查程序的告警）。。
以下示例演示了上述规则的实际作用：
假定有 Employee 类及其子类 Manager：
class Employee: ...
class Manager(Employee): ...
假定变量 worker 声明为 Employee 类型：
worker = Employee() # type: Employee
此后将 Manager 实例赋给 worker 是可以的（规则1）：
worker = Manager()
将 Employee 赋给声明为 Manager 的变量则是不行的：
boss = Manager() # type: Manager
boss = Employee() # Fails static check
但假设变量类型为 Any：
something = some_func() # type: Any
则将 something 赋给 worker 是没问题的（规则2）：
worker = something # OK
当然将 worker 赋给 something 也没问题（规则3），但这不需要用到一致性的概念。
something = worker # OK
类型与类的比较 (Types vs. Classes)
Python 中的类是由 class 语句定义的对象工厂，由内置函数 type(obj) 返回。类是动态的运行时概念。
类型概念已在上面描述过了，类型出现于变量和函数的类型注解当中，可由后续介绍的构件基块（building block）构造出来，并供静态类型检查程序使用。
如上所述，每个类都是一种类型。但一个类要能精确表达某个类型的语义，实现起来相当困难且很容易出错，这不是 PEP 484 的目标。PEP 484 中介绍的静态类型不应与运行时的类相互混淆。例如 ：
int是类也是类型。UserID是类也是类型。Union[str, int]是类型但不是一个合适的类：
class MyUnion(Union[str, int]): ... # raises TypeError
Union[str, int]() # raises TypeError
类型确定接口是用类实现的，即在运行时能够对 Generic[T].__bases__ 这种代码进行计算。但为了强调类和类型之间的区别，请遵循以下通用规则：
- 下面定义的
Any、Union等类型均不能被实例化，否则会触发TypeError。但非抽象的Generic子类可被实例化。 - 下面定义的类型均不能被子类化（subclassed），
Generic及其派生类除外。 - 如果对他们作
isinstance或issubclass调用，则会触发TypeError（未参数化的泛型除外）。
基本的构件基块（Fundamental building blocks）
-
Any。任何类型均与
Any一致，Any也与任何类型一致（参见上文）。 -
Union[t1, t2, ...]。只要是
t1等类型之一的子类型，就是本类型的子类型。- 若
Union的成员都是t1等的子类型，则该Union是本类型的子类型。比如Union[int, str]就是Union[int, float, str]的子类型。 - 参数的顺序无关紧要。例如
Union[int, str] == Union[str, int]。 - 如果
ti本身是Union，则结果是将成员展开。例如：Union[int, Union[float, str]] == Union[int, float, str]。 - 如果
ti和tj具有子型关系，则保留更泛化的类型。例如：Union[Employee, Manager] == Union[Employee]。 Union[t1]只会返回t1。Union[]和Union[()]都是合法的。- 理所当然，
Union[..., object, ...]将返回object。
- 若
-
Optional[t1]。
Union[t1, None]的别名，也即Union[t1, type(None)]。 -
Tuple[t1, t2, ..., tn]。由
t1等类型的实例构成的元组。比如Tuple[int, float]表示包含两个成员的元组，第一个成员是int类型，第二个则是float类型，例如(42, 3.14)。- 如果长度相同
n==m，且每个ui都是ti的子类型，则Tuple[u1, u2, ..., um]是Tuple[t1, t2, ..., tn]的子类型。 - 要表达空元组的类型，请使用
Tuple[()]。 - 可变长同类型元组可写为
Tuple[t1, ...]。（这里是三个句点即一个省略号，在 Python 语法中是合法的标记。）
- 如果长度相同
-
Callable[[t1, t2, ..., tn], tr]。带有
t1等位置参数的函数，返回类型为tr。参数列表可以为空n==0。无法声明可选或关键字参数，也不能声明可变长参数，但可以声明完全不对参数列表作检查Callable[..., tr]（同样用一个省略号）。
以下类型或许会加入：
-
Intersection[t1, t2, ...]。需为
t1等每个类型的子类型，才是本类型的子类型。（请与Union作对比，Union的定义是 至少有一个 而不是 每个 类型。）- 参数的顺序无关紧要。嵌套的
Intersection将被展开，例如Intersection[int, Intersection[float, str]] == Intersection[int, float, str]。 - 类型较少的
Intersection是类型较多的超类型。比如Intersection[int, str]是Intersection[int, float, str]的超类型。 - 只有一个参数的
Intersection就是参数本身的类型。比如Intersection[int]就是int。 - 如果参数包含子型关系，则保留更具体的类型，比如
Intersection[str, Employee, Manager]就是Intersection[str, Manager]。 Intersection[]和Intersection[()]都是合法的。- 理所当然，参数列表中的
Any将会消失，例如Intersection[int, str, Any] == Intersection[int, str]。Intersection[Any, object]就是object。 Intersection和Union的关系是比较复杂，但如果理解了普通集合的交集和并集，就没什么可惊讶的了（注意类型的集合大小可以是无限的，因为新建子类的数量没有限制。）
- 参数的顺序无关紧要。嵌套的
泛型（Generic types）
以上定义的构件基块可以用通用类型的方式构件出新的类型。比如 Tuple 的参数实际（concrete）可为 float 类型，生成实际的类型 Vector = Tuple[float, ...]，或者可用 UserID 类型作参数，生成实际的类型 Registry = Tuple[UserID, ...]。这种语义被称作通用类型构造函数，它类似于函数的语义，但是函数的参数为值且返回值，而通用类型构造函数的参数为类型并“返回”类型。
若是某个类或函数以这种通用类型的方式运作，就是很常见的情况。不妨考虑两个例子：
- 容器类，比如
list或dict，典型情况只包含一种类型的数据。此时用户可能想如下进行声明：
users = [] # type: List[UserID]
users.append(UserID(42)) # OK
users.append('Some guy') # Should be rejected by the type checker
examples = {} # type: Dict[str, Any]
examples['first example'] = object() # OK
examples[2] = None # rejected by the type checker
- 以下函数可能带两个
int参数并返回一个int值，也可能带两个float参数并返回一个float值，如此等等：
def add(x, y):
return x + y
add(1, 2) == 3
add('1', '2') == '12'
add(2.7, 3.5) == 6.2
为了能在第一个示例的情况下进行类型注解，内置容器和容器抽象基类用类型参数进行了扩展，以便能充当通用类型构造函数。充当通用型构造函数的类称为泛型。例如：
from typing import Iterable
class Task:
...
def work(todo_list: Iterable[Task]) -> None:
...
此处的 Iterable 就是一个泛型，实际参数类型为 Task，返回的实际类型是 Iterable[Task]。
以泛型方式工作的函数（如第二个例子所示）被称为泛型函数。泛型函数的类型注解由类型变量来实现。类型注解中有关泛型的语义和函数参数的语义有些类似。不用为类型变量赋予实际的类型，静态类型检查程序将负责找到可能的类型值，并在无法找到时向用户发出警告。例如：
def take_first(seq: Sequence[T]) -> T: # a generic function
return seq[0]
accumulator = 0 # type: int
accumulator += take_first([1, 2, 3]) # Safe, T deduced to be int
accumulator += take_first((2.7, 3.5)) # Unsafe
类型注解中广泛应用了类型变量，类型检查程序中的内部类型推断机制通常也基于类型变量完成。因此，下面对类型变量进行一下详细讨论。
类型变量（Type variables）
X = TypeVar('X') 定义了一种类型变量。类型名称必须与变量名称一致。默认情况下，类型变量涵盖了所有可能的类型。例如：
def do_nothing(one_arg: T, other_arg: T) -> None:
pass
do_nothing(1, 2) # OK, T is int
do_nothing('abc', UserID(42)) # also OK, T is object
Y = TypeVar('Y', t1, t2, ...) 则仅限 t1 等类型。用法与 Union[t1, t2, ...] 类似。受限类型变量仅涵盖 t1 等类型本身，各受限类型的子类将会在 t1 等类型中选出最近的父类进行替换。例如：
- 带有受限类型变量的函数类型注解：
S = TypeVar('S', str, bytes)
def longest(first: S, second: S) -> S:
return first if len(first) >= len(second) else second
result = longest('a', 'abc') # The inferred type for result is str
result = longest('a', b'abc') # Fails static type check
上述例子中，longest() 两个参数的类型必须相同（str 或 str），而且即便参数是 str 的子类，其返回类型依然会是 str 而非子类（参见以下例子）。
- 以下例子作为对照，如果类型变量是非受限的，将会把子类作为返回类型，比如：
S = TypeVar('S')
def longest(first: S, second: S) -> S:
return first if len(first) >= len(second) else second
class MyStr(str): ...
result = longest(MyStr('a'), MyStr('abc'))
result 的类型推断结果为 MyStr（这里 AnyStr 即 str）。
- 以下仍然作为对照，如果用了
Union，则返回类型必须为Union：
U = Union[str, bytes]
def longest(first: U, second: U) -> U:
return first if len(first) >= len(second) else second
result = longest('a', 'abc')
即使两个参数均为 str，上述 result 的类型推断结果仍为 Union[str, bytes]，
Note that the type checker will reject this function::
def concat(first: U, second: U) -> U:
return x + y # Error: can't concatenate str and bytes
对于这种参数类型只能一起更改的情况，应该使用受限类型变量。
泛型的定义和用法（Defining and using generic types）
利用特殊的构件基块 Generic，用户可以将类声明为泛型。class MyGeneric(Generic[X, Y, ...]): ... 通过 X 等类型变量定义了泛型 MyGeneric。于是 MyGeneric 自身就具备了参数化的能力，比如通过代入 X -> int 等 MyGeneric[int, str, ...] 就成为了一种具体的类型。例如：
class CustomQueue(Generic[T]):
def put(self, task: T) -> None:
...
def get(self) -> T:
...
def communicate(queue: CustomQueue[str]) -> Optional[str]:
...
由泛型派生的类就成了泛型（类型）。类可以是多个泛型的子类。但是泛型返回的某具体类型的派生类则不是泛型。例如：
class TodoList(Iterable[T], Container[T]):
def check(self, item: T) -> None:
...
def check_all(todo: TodoList[T]) -> None: # TodoList is generic
...
class URLList(Iterable[bytes]):
def scrape_all(self) -> None:
...
def search(urls: URLList) -> Optional[bytes] # URLList is not generic
...
泛型的子类化将会强制为对应的类型加上子型关系，因此在上述例子中 TodoList[t1] 是 Iterable[t1] 的子类。
泛型的具象化（specialized）/索引化（indexed）过程可以分为几个步骤。类型变量可代入具体类型
或其他泛型。如果 Generic 出现在基类列表中，则其应包含所有类型变量，且类型参数的顺序由 Generic 中的出现顺序确定。例如：
Table = Dict[int, T] # Table is generic
Messages = Table[bytes] # Same as Dict[int, bytes]
class BaseGeneric(Generic[T, S]):
...
class DerivedGeneric(BaseGeneric[int, T]): # DerivedGeneric has one parameter
...
SpecificType = DerivedGeneric[int] # OK
class MyDictView(Generic[S, T, U], Iterable[Tuple[U, T]]):
...
Example = MyDictView[list, int, str] # S -> list, T -> int, U -> str
如果类型注解中的泛型省略了类型变量，则会被假定为Any。这种形式可用作动态定型的回调值，可用于 issubclass 和 isinstance。在运行时，实例中的类型信息均会被清除。例如：
def count(seq: Sequence) -> int: # Same as Sequence[Any]
...
class FrameworkBase(Generic[S, T]):
...
class UserClass:
...
issubclass(UserClass, FrameworkBase) # This is OK
class Node(Generic[T]):
...
IntNode = Node[int]
my_node = IntNode() # at runtime my_node.__class__ is Node
# inferred static type of my_node is Node[int]
协变和逆变（Covariance and Contravariance）
假设 t2 是 t1 的子类，则会调用泛型构造函数 GenType：
- 如果对所有
t1和t2，GenType[t2]都是GenType[t1]的子类型，则为协变（Covariant）。 - 如果对所有
t1和t2，GenType[t1]都是GenType[t2]的子类型，则为逆变（Contravariant）。 - 如果上述两条均不成立，则为不变（invariant）。
为了更好地理解以上定义，不妨用普通函数作个比方。假定有以下函数：
def cov(x: float) -> float:
return 2*x
def contra(x: float) -> float:
return -x
def inv(x: float) -> float:
return x*x
如果 x1 < x2，则一定有 cov(x1) < cov(x2) 和 contra(x2) < contra(x1)，但 inv 却不见得。将 < 替换为“是子类型”（is-subtype-of），将函数替换为泛型构造函数，就得到了协变、逆变、不变性的例子。下面看几个实例：
-
Union对所有参数表现为协变性。正如上所述，如果t1等是u1等类型的子类型，则Union[t1, t2, ...]就是Union[u1, u2, ...]的子类型。 -
FrozenSet[T]也是协变的。不妨将T替换为int和float。首先int是float的子类型。其次FrozenSet[int]的值集明显就是FrozenSet[float]值集的子集，而FrozenSet[float]的函数（方法）集则为FrozenSet[int]方法集的子集。因此，FrozenSet[int]的定义就是FrozenSet[float]的子类型。 -
List[T]是不变的。其实正如背景知识一节所述，虽然List[int]的值集是List[float]值集的子集，但只有int能够加入到List[int]中去。因此，List[int]不是List[float]的子类型。此为可变（mutable）类型的典型情况，通常他们是具备不变性（invariant）的。
Callable 类型是演示逆变性（有点违反直觉）的最佳示例之一。它的返回类型是协变的，但参数类型则是逆变的。对于只是返回类型不同的两种 Callable 类型，其子型关系依据返回类型而定。例如：
Callable[[], int]是Callable[[], float]的子类型。Callable[[], Manager]是Callable[[], Employee]的子类型。
而对于两种只是某个参数不同的 Callable 类型，则其子型关系与参数类型的子型关系方向相反。例如：
Callable[[float], None]是Callable[[int], None]的子类型。Callable[[Employee], None]是Callable[[Manager], None]的子类型。
是的，确实如此。实际上，如果计算经理工资的函数如下定义：
def calculate_all(lst: List[Manager], salary: Callable[[Manager], Decimal]):
...
那么 Callable[[Employee], Decimal] 作为计算任何雇员工资的函数也是可以接受的。
上述 Callable 的例子说明了该如何让函数的类型注解更加精确：为参数选择最泛化的类型，而为返回值选择最具象化的类型。
在定义用于参数的类型变量时，可以用特殊的关键字 covariant 和 contravariant 为用户自定义泛型声明类型的协变逆变特性。默认情况下类型是具有不变性的。例如：
T = TypeVar('T')
T_co = TypeVar('T_co', covariant=True)
T_contra = TypeVar('T_contra', contravariant=True)
class LinkedList(Generic[T]): # invariant by default
...
def append(self, element: T) -> None:
...
class Box(Generic[T_co]): # this type is declared covariant
def __init__(self, content: T_co) -> None:
self._content = content
def get_content(self) -> T_co:
return self._content
class Sink(Generic[T_contra]): # this type is declared contravariant
def send_to_nowhere(self, data: T_contra) -> None:
with open(os.devnull, 'w') as devnull:
print(data, file=devnull)
注意，虽然协变逆变性是通过类型变量定义的，但它不是类型变量的属性，而是泛型的属性。在较为复杂的派生泛型定义中，协变逆变性仅决定于所用的类型变量。以下是个比较复杂的示例：
T_co = TypeVar('T_co', Employee, Manager, covariant=True)
T_contra = TypeVar('T_contra', Employee, Manager, contravariant=True)
class Base(Generic[T_contra]):
...
class Derived(Base[T_co]):
...
类型检查程序由第二句定义得知，Derived[Manager] 是 Derived[Employee] 的子类型，Derived[t1] 是 Base[t1] 的子类型。如果用 < 表示“属于子类型”的关系，那么上述示例的完整子型关系将如下所示：
Base[Manager] > Base[Employee]
v v
Derived[Manager] < Derived[Employee]
因此类型检查程序也将发现这些关系，比如 Derived[Manager] 就是 Base[Employee] 的子类型。
关于类型变量、泛型、协变逆变性的更多信息，请参阅 PEP 484、mypy 有关泛型的文档和 Wikipedia。
语用学定义(Pragmatics)
有些东西与原理无关，但能让实际运用起来更为便捷。（这里不算是完整列表，可能会有遗漏，有些尚存争议或并未完全形成规范。）
-
在需要填入类型的地方，
None可以代替type(None)。例如：Union[t1, None] == Union[t1, type(None)]。 -
类型别名，例如：
Point = Tuple[float, float]
def distance(point: Point) -> float: ...
- 向前引用由字符串实现，例如：
class MyComparable:
def compare(self, other: 'MyComparable') -> int: ...
- 如果指定了默认值为
None，则类型隐式为Optional，例如：
def get(key: KT, default: VT = None) -> VT: ...
- 类型变量可以以非限定、限定或有界（bound）的形式进行声明。泛型的协变逆变性也可以用带有特殊关键字的类型变量进行标识，从而避免采用什么特殊的语法，例如：
T = TypeVar('T', bound=complex)
def add(x: T, y: T) -> T:
return x + y
T_co = TypeVar('T_co', covariant=True)
class ImmutableList(Generic[T_co]): ...
- 注释中可包含类型声明，例如：
lst = [] # type: Sequence[int]
- 可用
cast(T, obj)指定类型，例如：
zork = cast(Any, frobozz())
- 其他详见 PEP 484，例如重载和 stub 模块。
typing.py 中预定义的泛型和协议（Predefined generic types and Protocols in typing.py）
（请参阅 typing.py 模块）
- 来自
collections.abc的所有内容（但Set改名为AbstractSet）。 Dict、List、Set、FrozenSet等。re.Pattern[AnyStr]、re.Match[AnyStr]。io.IO[AnyStr]、io.TextIO ~ io.IO[str]、io.BinaryIO ~ io.IO[bytes]。
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