可匹配特質

問題

Scala 3 標準函式庫有一個類型 IArray，用於不可變陣列，定義如下

opaque type IArray[+T] = Array[_ <: T]

IArray 類型提供 length 和 apply 的擴充方法，但沒有提供 update 的擴充方法；因此，IArray 類型的值似乎無法更新。

不過，由於樣式比對，可能會出現漏洞。考慮

val imm: IArray[Int] = ...
imm match
  case a: Array[Int] => a(0) = 1

測試會在執行階段成功，因為 IArray 在執行階段會表示為 Array。但如果我們允許，它會破壞不可變陣列的基本抽象。

附註：也可以透過轉型來達成相同的目的

imm.asInstanceOf[Array[Int]](0) = 1

但這不會造成太大的問題，因為在 Scala 中，asInstanceOf 被理解為低階且不安全的。相反地，在沒有警告或錯誤的情況下編譯的樣式比對不應破壞抽象。

另請注意，問題並非與 不透明類型 做為比對選取器有關。以下使用參數類型 T 的值做為比對選取器的輕微變體會導致相同的問題

def f[T](x: T) = x match
  case a: Array[Int] => a(0) = 0
f(imm)

最後，請注意，問題不只與 不透明類型 有關。不應使用樣式比對來分解任何未受約束的類型參數或抽象類型。

解決方案

有一種新的類型 scala.Matchable 來控制模式配對。當輸入建構函數模式 C(...) 或類型模式 _: C 的模式配對時，需要選擇器類型符合 Matchable。若不符合，則會發出警告。例如，編譯本節開頭的範例時，我們會得到

> sc ../new/test.scala -source future
-- Warning: ../new/test.scala:4:12 ---------------------------------------------
4 |    case a: Array[Int] => a(0) = 0
  |            ^^^^^^^^^^
  |            pattern selector should be an instance of Matchable,
  |            but it has unmatchable type IArray[Int] instead

為了允許從 Scala 2 進行遷移，以及在 Scala 2 和 3 之間進行交叉編譯，僅對 -source future-migration 或更高版本開啟警告。

Matchable 是一個通用特質，其父類別為 Any。它由 AnyVal 和 AnyRef 延伸。由於 Matchable 是每個具體值或參考類別的超類型，這表示此類別的執行個體可以像以前一樣進行配對。但是，下列類型的配對選擇器會產生警告

• 類型 Any：如果需要模式配對，則應改用 Matchable。
• 未受限的類型參數和抽象類型：如果需要模式配對，則它們應具有上限 Matchable。
• 僅受某些通用特質限制的類型參數和抽象類型：同樣地，應將 Matchable 新增為限制。

以下是頂層類別和特質的階層，以及它們定義的方法

abstract class Any:
  def getClass
  def isInstanceOf
  def asInstanceOf
  def ==
  def !=
  def ##
  def equals
  def hashCode
  def toString

trait Matchable extends Any

class AnyVal extends Any, Matchable
class Object extends Any, Matchable

Matchable 目前是一個標記特質，沒有任何方法。隨著時間的推移，我們可能會將 getClass 和 isInstanceOf 方法遷移到其中，因為這些方法與模式配對密切相關。

Matchable 和通用相等性

在開啟 Matchable 警告後，對類型為 Any 的選擇器進行模式配對的方法將需要強制轉換。最常見的此類方法是通用 equals 方法。它必須像以下範例中一樣撰寫

class C(val x: String):

  override def equals(that: Any): Boolean =
    that.asInstanceOf[Matchable] match
      case that: C => this.x == that.x
      case _ => false

將 that 轉型為 Matchable 表示在存在抽象類型和不透明類型的情況下，通用相等是不安全的，因為它無法正確區分類型的含義和其表示。由於 Any 和 Matchable 都會消除為 Object，因此保證在執行階段轉型會成功。

例如，考慮定義

opaque type Meter = Double
def Meter(x: Double): Meter = x

opaque type Second = Double
def Second(x: Double): Second = x

在此，通用 equals 會傳回 true，表示

Meter(10).equals(Second(10))

即使這在數學上明顯是錯誤的。透過 多重通用相等，可以透過將

import scala.language.strictEquality
  Meter(10) == Second(10)

轉換成類型錯誤來緩解這個問題。