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PHP 8.2 Disjunctive Normal Form (DNF) Types：复杂类型组合的编译期检查

PHP 8.2 Disjunctive Normal Form (DNF) Types：复杂类型组合的编译期检查

各位听众，大家好。今天我们来深入探讨 PHP 8.2 中引入的一项重要特性：Disjunctive Normal Form (DNF) 类型。这项特性极大地增强了 PHP 的类型系统，允许我们以更精确、更强大的方式声明复杂的类型组合，并在编译时进行检查，从而提高代码的健壮性和可维护性。

引言：类型系统的演进与需求

PHP 一直在努力提升其类型系统。从 PHP 5 的类型提示开始，到 PHP 7 的标量类型声明和返回类型声明，再到 PHP 7.4 的属性类型和联合类型，每一次更新都使得 PHP 更加适合构建大型、复杂的应用程序。

然而，在 PHP 8.1 之前，对于复杂类型组合的处理仍然存在一些限制。联合类型 (A|B) 允许一个变量接受多种类型中的任何一种，但对于类型之间的交集（A&B，表示变量必须同时满足 A 和 B 两种类型）以及更复杂的组合，我们缺乏一种清晰且经过编译时验证的声明方式。

例如，假设我们需要一个参数，它要么是一个实现了 Serializable 接口的对象，要么是一个实现了 JsonSerializable 接口且继承自 stdClass 的对象。在 PHP 8.1 及之前，我们可能需要使用注释、运行时检查，或者创建自定义接口来勉强实现，但这些方法都不够优雅，且无法提供编译时的类型安全。

什么是 Disjunctive Normal Form (DNF)?

Disjunctive Normal Form (DNF) 是一种逻辑表达式的标准化形式，它表示为一个或多个合取子句（conjunctive clauses）的析取（disjunction）。简单来说，就是“或”的“与”的组合。

  • 合取子句 (Conjunctive Clause): 由一个或多个文字（literal）的“与”组成。在类型上下文中，文字通常是一个类型，而“与”表示类型之间的交集 (Intersection Types)。
  • 析取 (Disjunction): 由一个或多个合取子句的“或”组成。在类型上下文中，“或”表示联合类型 (Union Types)。

因此，一个 DNF 类型形如：(A&B&C) | (D&E) | (F)

  • (A&B&C)，(D&E)，(F) 都是合取子句。
  • 整个表达式是这些合取子句的析取。

DNF Types in PHP 8.2

PHP 8.2 引入 DNF 类型，允许我们在类型声明中使用 DNF 形式的类型组合。这意味着我们可以以一种清晰、简洁的方式表达复杂的类型需求，并且这些类型需求会在编译时得到验证。

语法规则:

  • DNF 类型必须被写成析取范式的形式，即联合类型的形式，其中每个联合成员都是交集类型或者单一类型。
  • 交集类型必须用括号括起来。
  • 不允许冗余类型。
  • 不允许使用 mixed 类型。

示例:

interface A {}
interface B {}
interface C {}
class D {}

// 合法 DNF 类型
function foo((A&B)|C $arg) {}
function bar(A|(B&C)|D $arg) {}

// 非法 DNF 类型
// function baz(A&B|C $arg) {} // 错误：交集类型未被括号括起来
// function qux(A|(B&C)|mixed $arg) {} // 错误：不允许使用 mixed 类型

DNF Types 的优势

  1. 更强的类型安全性: DNF 类型允许我们在编译时捕获更多类型错误，减少运行时错误的可能性。
  2. 更清晰的代码: DNF 类型提供了一种更清晰、更简洁的方式来表达复杂的类型需求，提高代码的可读性和可维护性。
  3. 更好的代码提示和自动补全: IDE 可以更好地理解 DNF 类型，从而提供更准确的代码提示和自动补全。
  4. 更少的运行时检查: 通过在编译时验证类型，我们可以减少运行时类型检查的需要，提高代码的性能。

DNF Types 的使用场景

  1. 处理多个接口的实现: 当一个参数需要实现多个接口的组合时，DNF 类型非常有用。

    interface Serializable {}
interface JsonSerializable {}

class MyClass implements Serializable, JsonSerializable {}
class MyOtherClass implements Serializable {}

// 参数必须是 Serializable 或者同时实现 JsonSerializable 和 stdClass
function process((Serializable&JsonSerializable&stdClass)|Serializable $data) {
    // ...
}

$obj1 = new MyClass();
$obj2 = new MyOtherClass();
$obj3 = new stdClass();

process($obj1); // 合法
process($obj2); // 合法
// process($obj3); // 错误：stdClass 没有实现 Serializable

  2. 处理不同类型的配置选项: 当一个配置选项可以是多种类型的组合时，DNF 类型可以帮助我们确保配置的有效性。

    interface Logger {}
class FileLogger implements Logger {}
class DatabaseLogger implements Logger {}

class Config {
    public function __construct(
        private (FileLogger&Logger)|DatabaseLogger|null $logger = null
    ) {}

    public function getLogger(): (FileLogger&Logger)|DatabaseLogger|null {
        return $this->logger;
    }
}

$fileLogger = new FileLogger();
$databaseLogger = new DatabaseLogger();

$config1 = new Config($fileLogger); // 合法
$config2 = new Config($databaseLogger); // 合法
$config3 = new Config(null); // 合法
// $config4 = new Config(new stdClass()); // 错误：stdClass 不是 Logger 的子类

  3. 处理复杂的数据结构: 当我们需要处理包含多种类型的数据结构时，DNF 类型可以帮助我们确保数据的类型安全。

    interface Validatable {}
class StringValidator implements Validatable {}
class NumberValidator implements Validatable {}

function validate((StringValidator&Validatable)|(NumberValidator&Validatable)|string|int $data) {
    // ...
}

$stringValidator = new StringValidator();
$numberValidator = new NumberValidator();

validate($stringValidator); // 合法
validate($numberValidator); // 合法
validate("hello"); // 合法
validate(123); // 合法
// validate(new stdClass()); // 错误：stdClass 不属于任何允许的类型

DNF Types 的限制和注意事项

  1. 必须是 DNF 形式: 类型声明必须符合 DNF 的形式，否则会导致语法错误。这意味着我们不能直接使用 A&B|C 这样的形式，而必须使用 (A&B)|C。

  2. 不支持 mixed 类型: DNF 类型不支持 mixed 类型。这是因为 mixed 类型可以接受任何类型，这与 DNF 类型的精确类型声明的宗旨相悖。如果需要接受任何类型，可以使用 object|resource|array|string|int|float|bool|null 这样的联合类型来代替。

  3. 类型冗余: DNF 类型不允许出现类型冗余。例如，(A&B)|A 是冗余的，因为它等价于 A。编译器会报错。

    interface Logger {}
interface FileLogger extends Logger {}

// function foo((FileLogger & Logger)|Logger $logger) {} // 错误：类型冗余，FileLogger & Logger 已经包含了 Logger

  4. 性能考量：虽然 DNF 类型在编译时提供了类型检查，减少了运行时错误，但过度复杂的 DNF 类型声明可能会增加编译时间。因此，在设计 DNF 类型时，应该尽量保持其简洁性，避免不必要的复杂性。

代码示例：更深入的理解

我们来看一个更复杂的例子，假设我们需要处理不同类型的用户输入，这些输入可能需要进行不同的验证和转换。

interface InputInterface {}
interface Sanitizable {}
interface Validatable {}

class StringInput implements InputInterface, Sanitizable, Validatable {
    public function sanitize(): string {
        return htmlspecialchars($this->value);
    }

    public function validate(): bool {
        return strlen($this->value) > 0;
    }

    public function __construct(public string $value) {}
}

class IntegerInput implements InputInterface, Validatable {
    public function validate(): bool {
        return is_int($this->value) && $this->value > 0;
    }

    public function __construct(public int $value) {}
}

class EmailInput implements InputInterface, Sanitizable, Validatable {
    public function sanitize(): string {
        return filter_var($this->value, FILTER_SANITIZE_EMAIL);
    }

    public function validate(): bool {
        return filter_var($this->value, FILTER_VALIDATE_EMAIL) !== false;
    }

    public function __construct(public string $value) {}
}

/**
 * Processes user input.
 *
 * The input can be:
 *   - A StringInput object (must implement InputInterface, Sanitizable, and Validatable)
 *   - An IntegerInput object (must implement InputInterface and Validatable)
 *   - An EmailInput object (must implement InputInterface, Sanitizable, and Validatable)
 *   - A string that will be treated as raw input
 */
function processInput(
    (StringInput&InputInterface&Sanitizable&Validatable) |
    (IntegerInput&InputInterface&Validatable) |
    (EmailInput&InputInterface&Sanitizable&Validatable) |
    string $input
): void {
    if ($input instanceof StringInput) {
        if ($input->validate()) {
            $sanitized = $input->sanitize();
            echo "String input: " . $sanitized . PHP_EOL;
        } else {
            echo "Invalid string input" . PHP_EOL;
        }
    } elseif ($input instanceof IntegerInput) {
        if ($input->validate()) {
            echo "Integer input: " . $input->value . PHP_EOL;
        } else {
            echo "Invalid integer input" . PHP_EOL;
        }
    } elseif ($input instanceof EmailInput) {
        if ($input->validate()) {
            $sanitized = $input->sanitize();
            echo "Email input: " . $sanitized . PHP_EOL;
        } else {
            echo "Invalid email input" . PHP_EOL;
        }
    } elseif (is_string($input)) {
        echo "Raw input: " . $input . PHP_EOL;
    } else {
        // This should never happen due to DNF type checking
        echo "Unexpected input type" . PHP_EOL;
    }
}

$stringInput = new StringInput("<h1>Hello</h1>");
$integerInput = new IntegerInput(123);
$emailInput = new EmailInput("[email protected]");
$rawInput = "Some raw text";

processInput($stringInput); // String input: &lt;h1&gt;Hello&lt;/h1&gt;
processInput($integerInput); // Integer input: 123
processInput($emailInput); // Email input: [email protected]
processInput($rawInput); // Raw input: Some raw text

// processInput(123.45); // Fatal error: Uncaught TypeError: processInput(): Argument #1 ($input) must be of type StringInput|IntegerInput|EmailInput|string, float given

在这个例子中，processInput 函数接受四种类型的输入：StringInput，IntegerInput，EmailInput 或者一个 string。 使用 DNF 类型，我们能够精确地描述这些类型之间的关系，并且在编译时确保传入的参数符合要求。

与其他类型特性的比较

特性 描述 优势 局限性
类型提示 (PHP 5) 允许指定函数参数和返回值的类型。 早期的类型安全保障，提高了代码的可读性。 仅支持类名、接口名、array 和 callable，不支持标量类型和联合类型。
标量类型声明 (PHP 7) 允许指定函数参数和返回值为标量类型（int, float, string, bool）。 提供了对标量类型的支持，进一步增强了类型安全。 不支持联合类型和交集类型。
返回类型声明 (PHP 7) 允许指定函数的返回值类型。 确保函数返回值的类型符合预期，提高了代码的可靠性。 不支持联合类型和交集类型。
属性类型 (PHP 7.4) 允许指定类的属性类型。 确保类的属性类型符合预期，提高了代码的可靠性。 不支持联合类型和交集类型。
联合类型 (PHP 8.0) 允许指定一个参数或属性可以接受多种类型中的任何一种（A|B）。 提供了更灵活的类型声明方式，可以处理多种类型的参数或属性。 不支持交集类型和更复杂的类型组合。
交集类型 (PHP 8.1) 允许指定一个参数或属性必须同时满足多个类型（A&B）。 允许指定参数或属性必须实现多个接口。 只能用于接口的组合，不能用于类的组合，并且不能与联合类型混合使用。
DNF 类型 (PHP 8.2) 允许以析取范式的形式指定复杂的类型组合（(A&B)|C）。 提供了更强大、更灵活的类型声明方式，可以处理更复杂的类型需求。可以在编译时捕获更多类型错误，提高代码的健壮性和可维护性。 语法比联合类型和交集类型更复杂，需要理解 DNF 的概念。

DNF Types 的未来发展方向

未来，我们可以期待 DNF 类型能够进一步扩展和完善。例如，可以考虑支持更复杂的类型推断，允许编译器自动推断 DNF 类型，从而减少手动编写类型声明的工作量。此外，还可以考虑支持泛型类型，从而进一步提高代码的灵活性和可重用性。

总结一下

DNF 类型是 PHP 类型系统的一次重大升级，它允许我们以更精确、更强大的方式声明复杂的类型组合，并在编译时进行检查。这项特性极大地提高了代码的健壮性和可维护性，使得 PHP 更加适合构建大型、复杂的应用程序。理解并掌握 DNF 类型的使用，对于每一个 PHP 开发者来说都是至关重要的。

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