JS `Type-Driven Development` `TypeScript` `Phantom Types` 与 `Branded Types` - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

各位靓仔靓女，今天咱们来聊聊TypeScript里几个听起来高大上，但其实贼有用的概念：Type-Driven Development (类型驱动开发)， Phantom Types (幻影类型) 和 Branded Types (品牌类型)。保证让大家听完之后，以后写代码逼格蹭蹭上涨！

1. 啥是Type-Driven Development (类型驱动开发)？

想象一下，你准备盖房子。传统的做法是先画个草图，然后吭哧吭哧开始搬砖，遇到问题再改。这就像传统的开发流程：先写代码，跑起来发现bug再改。

而类型驱动开发就像是先画好详细的蓝图，精确到每块砖头的位置和尺寸，然后再开始施工。TypeScript 里的类型就像这个蓝图，它在编写代码之前就告诉你哪些地方可能会出错。

简单来说，Type-Driven Development 就是以类型定义作为开发核心驱动力的开发方式。

它强调：

先定义类型： 在编写任何逻辑之前，先定义好数据的结构和类型。
类型指导实现： 根据类型定义，逐步实现代码逻辑。类型就像路标，指引你走向正确的方向。
类型即文档： 类型定义本身就是最好的文档，它清晰地描述了数据的结构和约束。

为什么 Type-Driven Development 这么香？

减少运行时错误： 很多错误在编译阶段就被发现了，避免了上线之后才发现 bug 的尴尬。
提高代码可维护性： 类型定义清晰地描述了代码的意图，方便其他人理解和修改代码。
增强代码可读性： 类型信息可以帮助开发者更好地理解代码的含义，提高代码的可读性。
更好的代码提示： 编辑器可以根据类型信息提供更准确的代码提示，提高开发效率。

举个栗子：

假设我们要写一个函数，用来计算矩形的面积。

传统 JavaScript 写法：

function calculateArea(width, height) {
  return width * height;
}

console.log(calculateArea(5, 10)); // 50
console.log(calculateArea("5", 10)); // 50  （字符串也能算？！）
console.log(calculateArea(5, null)); // 0  (null 也能算？！)
console.log(calculateArea(5)); // NaN (缺少参数也能算？！)

上面的代码在 JavaScript 中可以运行，但是存在很多潜在的问题。如果 width 或 height 不是数字，或者缺少参数，就会导致计算结果不正确。

TypeScript Type-Driven Development 写法：

interface Rectangle {
  width: number;
  height: number;
}

function calculateArea(rectangle: Rectangle): number {
  return rectangle.width * rectangle.height;
}

const myRectangle: Rectangle = { width: 5, height: 10 };
console.log(calculateArea(myRectangle)); // 50

// console.log(calculateArea({ width: "5", height: 10 })); // 报错！Type 'string' is not assignable to type 'number'.
// console.log(calculateArea({ width: 5, height: null })); // 报错！Type 'null' is not assignable to type 'number'.
// console.log(calculateArea({ width: 5 })); // 报错！Property 'height' is missing in type '{ width: number; }' but required in type 'Rectangle'.

在这个例子中，我们首先定义了一个 Rectangle 接口，明确了矩形的 width 和 height 必须是数字。然后，calculateArea 函数接受一个 Rectangle 类型的参数，并返回一个数字类型的结果。

如果传入的参数不符合 Rectangle 接口的定义，TypeScript 编译器会报错，从而在编译阶段就避免了潜在的运行时错误。

2. 什么是Phantom Types (幻影类型)？

Phantom Types 就像是给类型系统里添加了一种“隐形的标记”。它允许你在类型定义中携带额外的信息，而这些信息在运行时并不会实际存在。你可以把它想象成给数据打上一个看不见的标签，这个标签只在类型检查时起作用。

为什么要用 Phantom Types？

状态管理： 可以在类型层面追踪对象的状态，确保对象在不同的状态下只能执行特定的操作。
编译时检查： 可以在编译时检查代码是否符合特定的约束，避免运行时错误。
提高代码安全性： 可以通过类型系统来防止一些潜在的安全问题。

举个栗子：

假设我们有一个 HTTP 请求，它有三个状态：Unsent (未发送)、Loading (加载中)、Done (已完成)。我们希望确保只有在 Done 状态下才能访问请求的结果。

// 定义请求的状态
interface HttpRequest<State> {
  url: string;
  state: State;
  response?: any; // 只有 Done 状态下才有 response
}

// 定义状态类型
interface Unsent {
  type: "Unsent";
}

interface Loading {
  type: "Loading";
}

interface Done {
  type: "Done";
  data: any;
}

// 创建不同状态的请求
const unsentRequest: HttpRequest<Unsent> = { url: "https://example.com", state: { type: "Unsent" } };
const loadingRequest: HttpRequest<Loading> = { url: "https://example.com", state: { type: "Loading" } };
const doneRequest: HttpRequest<Done> = { url: "https://example.com", state: { type: "Done", data: { message: "Success!" } } };

// 定义一个函数，只有在 Done 状态下才能访问 response
function getResponseData(request: HttpRequest<Done>): any {
  return request.response;
}

// console.log(getResponseData(unsentRequest)); // 报错！Argument of type 'HttpRequest<Unsent>' is not assignable to parameter of type 'HttpRequest<Done>'.
// console.log(getResponseData(loadingRequest)); // 报错！Argument of type 'HttpRequest<Loading>' is not assignable to parameter of type 'HttpRequest<Done>'.
console.log(getResponseData(doneRequest)); // { message: "Success!" }

在这个例子中，HttpRequest<State> 中的 State 就是一个 Phantom Type。它在运行时没有任何实际的值，但它允许我们在类型层面区分不同状态的请求，并确保只有在 Done 状态下才能访问 response 属性。

再来一个稍微复杂点的例子：

假设我们有一个文件处理的流程，需要经过 Read (读取)、Validate (验证)、Transform (转换) 三个步骤。我们希望确保文件只能按照这个顺序进行处理。

// 定义文件处理的状态
interface File<State> {
  content: string;
  state: State;
}

// 定义状态类型
interface Read {
  type: "Read";
}

interface Validated {
  type: "Validated";
}

interface Transformed {
  type: "Transformed";
  transformedContent: string;
}

// 创建不同状态的文件
const initialFile: File<Read> = { content: "原始数据", state: { type: "Read" } };

// 定义处理函数
function validateFile(file: File<Read>): File<Validated> {
  // 模拟验证逻辑
  const isValid = file.content.length > 0;
  if (!isValid) {
    throw new Error("文件内容为空！");
  }
  return { content: file.content, state: { type: "Validated" } };
}

function transformFile(file: File<Validated>): File<Transformed> {
  // 模拟转换逻辑
  const transformedContent = file.content.toUpperCase();
  return { content: file.content, state: { type: "Transformed", transformedContent } };
}

// 使用流程
const validatedFile = validateFile(initialFile);
const transformedFile = transformFile(validatedFile);

console.log(transformedFile.state.transformedContent); // 原始数据

// console.log(transformFile(initialFile)); // 报错！Argument of type 'File<Read>' is not assignable to parameter of type 'File<Validated>'.

通过 Phantom Types，我们可以在类型层面强制执行文件处理的顺序，避免出现先转换后验证等错误。

3. 什么是Branded Types (品牌类型)？

Branded Types 就像是给现有的类型“贴上一个标签”，创建一个新的、唯一的类型。虽然底层数据类型可能相同，但它们在类型系统看来是不同的。你可以把它想象成给不同的矿泉水瓶贴上不同的品牌标签，虽然里面装的都是水，但它们是不同品牌的产品。

为什么要用 Branded Types？

区分相同类型的数据： 可以区分具有相同底层类型但含义不同的数据，例如区分 UserId 和 ProductId，即使它们都是数字。
提高代码安全性： 可以防止将错误的数据传递给错误的函数，例如防止将 ProductId 传递给需要 UserId 的函数。
增强代码可读性： 可以通过类型名称来更清晰地表达数据的含义。

举个栗子：

假设我们有两个类型：UserId 和 ProductId，它们都是数字类型，但代表不同的含义。

// 定义 Branded Types
type UserId = number & { readonly __brand: unique symbol };
type ProductId = number & { readonly __brand: unique symbol };

// 创建函数来创建 UserId 和 ProductId
function createUserId(id: number): UserId {
  return id as UserId;
}

function createProductId(id: number): ProductId {
  return id as ProductId;
}

// 使用
const userId = createUserId(123);
const productId = createProductId(456);

// 定义一个函数，接受 UserId 作为参数
function getUserName(userId: UserId): string {
  // 模拟获取用户名的逻辑
  return `User ${userId}`;
}

console.log(getUserName(userId)); // User 123

// console.log(getUserName(productId)); // 报错！Argument of type 'ProductId' is not assignable to parameter of type 'UserId'.

// 即使底层类型相同，也不能互相赋值
let num: number = 789;
// console.log(getUserName(num)); // 报错！Argument of type 'number' is not assignable to parameter of type 'UserId'.

在这个例子中，我们使用 unique symbol 和交叉类型来创建了 UserId 和 ProductId 两种 Branded Types。虽然它们底层都是数字类型，但它们在类型系统看来是不同的。这意味着你不能将 ProductId 传递给需要 UserId 的函数，从而避免了潜在的错误。

再来一个更实际的例子：

假设我们需要处理货币金额。我们希望区分不同货币的金额，例如美元和人民币。

// 定义货币类型
type USD = number & { readonly __brand: unique symbol };
type CNY = number & { readonly __brand: unique symbol };

// 创建函数来创建不同货币的金额
function createUSD(amount: number): USD {
  return amount as USD;
}

function createCNY(amount: number): CNY {
  return amount as CNY;
}

// 定义一个函数，将美元转换为人民币
function convertUSDToCNY(usd: USD, exchangeRate: number): CNY {
  return createCNY(usd * exchangeRate);
}

const usdAmount = createUSD(100);
const cnyAmount = convertUSDToCNY(usdAmount, 7);

console.log(cnyAmount); // 700

// console.log(convertUSDToCNY(cnyAmount, 7)); // 报错！Argument of type 'CNY' is not assignable to parameter of type 'USD'.

通过 Branded Types，我们可以确保在货币转换时，始终使用正确的货币类型，避免出现将人民币当成美元来计算的错误。

4. 总结

咱们今天聊了 Type-Driven Development, Phantom Types 和 Branded Types 这三个概念。它们都是 TypeScript 类型系统中的利器，可以帮助我们编写更安全、更可靠、更易于维护的代码。

总结一下：

特性	描述	优点	缺点
Type-Driven Development	以类型定义作为开发核心驱动力，先定义类型，再根据类型实现代码逻辑。	减少运行时错误，提高代码可维护性，增强代码可读性，更好的代码提示。	需要更多的前期设计，学习曲线较陡峭。
Phantom Types	在类型定义中携带额外的信息，这些信息在运行时并不会实际存在。可以用于状态管理、编译时检查和提高代码安全性。	可以在类型层面追踪对象的状态，确保对象在不同的状态下只能执行特定的操作，可以在编译时检查代码是否符合特定的约束，避免运行时错误。	增加了代码的复杂性，需要更深入地理解类型系统。
Branded Types	给现有的类型“贴上一个标签”，创建一个新的、唯一的类型。可以区分具有相同底层类型但含义不同的数据，提高代码安全性，增强代码可读性。	可以区分相同类型的数据，防止将错误的数据传递给错误的函数，通过类型名称来更清晰地表达数据的含义。	增加了代码的复杂性，需要额外的类型定义。

希望今天的讲座能帮助大家更好地理解和使用 TypeScript 的类型系统。记住，类型不仅仅是工具，更是思考问题的方式。善用类型，可以让我们写出更优雅、更健壮的代码。下次再见！

1. 啥是Type-Driven Development (类型驱动开发)？

2. 什么是Phantom Types (幻影类型)？

3. 什么是Branded Types (品牌类型)？

4. 总结

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