如何更容易上手 TypeScript 类型编程？

共 25414字，需浏览 51分钟

· 2021-04-09

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1. Why

在介绍什么叫 TypeScript 类型编程和为什么需要学习 TypeScript 类型编程之前，我们先看一个例子，这里例子里包含一个 promisify 的函数，这个函数用于将 NodeJS 中 callback style 的函数转换成 promise style 的函数。

import * as fs from "fs";
function promisify(fn) {
  return function(...args) {
    return new Promise((resolve, reject) => {
      fn(...args, (err, data) => {
        if(err) {
          return reject(err);
        }
        resolve(data);
      });
    });
  }
}

(async () => {
  let file = await promisify(fs.readFile)("./xxx.json");
})();

如果我们直接套用上述的代码，那么 file 的类型和 promisify(fs.readFile)(...) 中 (...) 的类型也会丢失，也就是我们有两个目标：

我们需要知道 promisify(fs.readFile)(...) 这里能够接受的类型。
我们需要知道 let file = await ... 这里 file 的类型。

这个问题的答案在实战演练环节会结合本文的内容给出答案，如果你觉得这个问题简单得很，那么恭喜你，你已经具备本文将要介绍的大部分知识点。如何让类似于 promisify这样的函数保留类型信息是“体操”或者我称之为类型编程的意义所在。

2. 前言 (Preface)

最近在国内的前端圈流行一个名词“TS 体操”，简称为“TC”，体操这个词是从 Haskell 社区来的，本意就是高难度动作，关于“体操”能够实现到底多高难度的动作，可以参照下面这篇文章。

https://www.zhihu.com/question/418792736/answer/1448121319^[1]

不过笔者认为上述概念在前端圈可能比较小众、“体操”这个名字对于外行人来说相对难以与具体的行为对应起来、目前整个 TC 过程更像有趣的 brain teaser^[2]，所以笔者觉得 TC “体操”还是用 Type Computing 、Type Calculation 或者“类型编程”来记忆会比较好理解，这也容易与具体行为对应，本文在接下来的环节会用“类型编程”来取代“体操”说法。

3. 建模 (Modeling)

其实类型编程说白了就是写程序，这个程序接受类型作为输入，然后输出另一个类型，因此可以把它建模成写普通的程序，并按照一般计算机语言的组成部分对 TS 的类型相关语法进行归类。

4. 语法分类 (Grammar Classification)

首先我们看看基本的语言都有哪些语法结构，以 JS 为例，从 AST（抽象语法树）的角度来看^[3]，语法可以按照以下层级结构进行分类：

但是我们今天不会以这种从上到下的树状结构来整理和学习，这样子的学习曲线一开始会比较陡峭，所以作者并没有按照从上到下的顺序来整理，而是以学习普通语言的语法顺序来整理。

4.1 基本类型 (Basic Types)

类似于 JS 里面有基本类型，TypeScript 也有基本类型，这个相信大家都很清楚，TypeScript 的基本类型如下：

Boolean^[4]
Number^[5]
String^[6]
Array^[7]
Tuple^[8] （TypeScript 独有）
Enum^[9] （TypeScript 独有）
Unknown^[10] （TypeScript 独有）
Any^[11] （TypeScript 独有）
Void^[12] （TypeScript 独有）
Null and Undefined^[13]
Never^[14] （TypeScript 独有）
Object^[15]

任何复杂类型都是基本类型的组合，每个基本类型都可以有具体的枚举：

type A = {
    attrA: string,
    attrB: number,
    attrA: true, // Boolean 的枚举
    ...
}

4.2 函数 (Function)

类比 let func = (argA, argB, ...) => expression;

Javascript 中有函数的概念，那么 TypeScript 的 Type-level programming（以下简称 TP）相关语法中有没有函数的概念呢？答案是有的，带范型的类型就相当于函数。

// 函数定义
type B<T> = T & {
    attrB: "anthor value"
}

// 变量
class CCC {
...
}
type DDD = {
...
}

// 函数调用
type AnotherType = B<CCC>;
type YetAnotherType = B<DDD>;

其中 <T> 就相当于函数括弧和参数列表，= 后面的就相当于函数定义。或者按照这个思路你可以开始沉淀很多工具类 TC 函数了，例如

// 将所有属性变成可选的
type Optional<T> = {
  [key in keyof T]?: T[key];
}

// 将某些属性变成必选的
type MyRequired<T, K extends keyof T> = T &
  {
    [key in K]-?: T[key];
  };
  
// 例如我们有个实体
type App = {
  _id?: string;
  appId: string;
  name: string;
  description: string;
  ownerList: string[];
  createdAt?: number;
  updatedAt?: number;
};

// 我们在更新这个对象/类型的时候，有些 key 是必填的，有些 key 是选填的，这个时候就可以这样子生成我们需要的类型
type AppUpdatePayload = MyRequired<Optional<App>, '_id'>

上面这个例子又暴露了另外一个可以类比的概念，也就是函数的参数的类型可以用 <K extends keyof T> 这样的语法来表达。

TypeScript 函数的缺陷 (Defect)

目前下面这三个缺陷笔者还没有找到办法克服，聪明的你可以尝试看看有没有办法克服。

高版本才能支持递归

4.1.0 才支持递归

函数不能作为参数

在 JS 里面，函数可以作为另外一个函数的入参，例如：

function map(s, mapper) { return s.map(mapper) }
map([1, 2, 3], (t) => s);

但是在类型编程的“函数”里面，暂时没有相关语法能够实现将函数作为参数传入这种形式，正确来说，传入的参数只能作为静态值变量引用，不能作为可调用的函数。

type Map<T, Mapper> = {
  [k in keyof T]: Mapper<T[k]>; // 语法报错
}

支持闭包，但是没有办法修改闭包中的值

TypeScript 的“函数中”目前笔者没有找到相关语法可以替代

type ClosureValue = string;

type Map<T> = {
  [k in keyof T]: ClosureValue; // 笔者没有找到语法能够修改 ClosureValue
}

但是我们可以通过类似于函数式编程的概念，组合出新的类型。

type ClosureValue = string;

type Map<T> = {
  [k in keyof T]: ClosureValue & T[k]; // 笔者没有找到语法能够修改 ClosureValue
}

4.3 语句 (Statements)

在 TypeScript 中能够对应语句相关语法好像只有变量声明语句相关语法，在 TypeScript 中没有条件语句、循环语句函数、专属的函数声明语句（用下述的变量声明语句来承载）。

变量声明语句 (Variable Declaration)

类比：let a = Expression;

变量声明在上面的介绍已经介绍过，就是简单地通过 type ToDeclareType = Expresion 这样子的变量名加表达式的语法来实现，表达式有很多种类，我们接下来会详细到介绍到，

type ToDeclareType<T> = T extends (args: any) => PromiseLike<infer R> ? R : never; // 条件表达式/带三元运算符的条件表达式
type ToDeclareType = Omit<App>; // 函数调用表达式
type ToDeclareType<T>= { // 循环表达式
    [key in keyof T]: Omit<T[key], '_id'>
}

4.4 表达式 (Expressions)

带三元运算符的条件表达式 (IfExpression with ternary operator)

类比：a == b ? 'hello' : 'world';

我们在 JS 里面写“带三元运算符的条件表达式”的时候一般是 Condition ? ExpressionIfTrue : ExpressionIfFalse 这样的形式，在 TypeScript 中则可以用以下的语法来表示：

type TypeOfWhatPromiseReturn<T> = T extends (args: any) => PromiseLike<infer R> ? R : never;

其中 T extends (args: any) => PromiseLike<infer R> 就相当条件判断，R : never 就相当于为真时的表达式和为假时的表达式。

利用上述的三元表达式，我们可以扩展一下 ReturnType，让它支持异步函数和同步函数

async function hello(name: string): Promise<string> {
  return Promise.resolve(name);
}
// type CCC: string = ReturnType<typeof hello>; doesn't work
type MyReturnType<T extends (...args) => any> = T extends (
  ...args
) => PromiseLike<infer R>
  ? R
  : ReturnType<T>;
type CCC: string = MyReturnType<typeof hello>; // it works

函数调用/定义表达式 (CallExpression)

类比：call(a, b, c);

在上述“函数”环节已经介绍过

循环相关 (Loop Related)（Object.keys、Array.map等)

类比：for (let k in b) { ... }

循环实现思路 (Details Explained )

TypeScript 里面并没有完整的循环语法，循环是通过递归来实现的，下面是一个例子：

注意：递归只有在 TS 4.1.0 才支持

type IntSeq<N, S extends any[] = []> =
    S["length"] extends N ? S :
    IntSeq<N, [...S, S["length"]]>

理论上下面介绍的这些都是函数定义/表达式的一些例子，但是对于对象的遍历还是很常见，用于补全循环语句，值得单独拿出来讲一下。

对对象进行遍历 (Loop Object)

type AnyType = {
  [key: string]: any;
};
type OptionalString<T> = {
  [key in keyof T]?: string;
};
type CCC = OptionalString<AnyType>;

对数组（Tuple）进行遍历 (Loop Array/Tuple)

map

类比：Array.map

const a = ['123', 1, {}];
type B = typeof a;
type Map<T> = {
  [k in keyof T]: T[k] extends (...args) => any ? 0 : 1;
};
type C = Map<B>;
type D = C[0];

reduce

类比：Array.reduce

const a = ['123', 1, {}];
type B = typeof a;
type Reduce<T extends any[]> = T[number] extends (...arg: any[]) => any ? 1 : 0;
type C = Reduce<B>;

注意这里的 reduce 返回的是一个 Union 类型。

4.5 成员表达式 (Member Expression)

我们在 JS 中用例如 a.b.c 这样的成员表达式主要是因为我们知道了某个对象/变量的结构，然后想拿到其中某部分的值，在 TypeScript 中有个比较通用的方法，就是用 infer 语法，例如我们想拿到函数的某个参数就可以这么做：

function hello(a: any, b: string) {
  return b;
}
type getSecondParameter<T> = T extends (a: any, b: infer U) => any ? U : never;
type P = getSecondParameter<typeof hello>;

其中 T extends (a: any, b: infer U) => any 就是在表示结构，并拿其中某个部分。

当然其中 TypeScript 本身就有一些更加简单的语法

type A = {
  a: string;
  b: string;
};
type B = [string, string, boolean];
type C = A['a'];
type D = B[number];
type E = B[0];
// eslint-disable-next-line prettier/prettier
type Last<T extends any[]> = T extends [...infer _, infer L] ? L : never;
type F = Last<B>;

4.6 常见数据结构和操作 (Common Datastructures and Operations)

Set

集合数据结构可以用 Union 类型来替代

Add

type S = '1' | 2 | a;
S = S | 3;

Remove

type S = '1' | 2 | a;
S = Exclude<S, '1'>;

Has

type S = '1' | 2 | a;
type isInSet = 1 extends S ? true : false;

Intersection

type SA = '1' | 2;
type SB = 2 | 3;
type interset = Extract<SA, SB>;

Diff

type SA = '1' | 2;
type SB = 2 | 3;
type diff = Exclude<SA, SB>;

Symmetric Diff

type SA = '1' | 2;
type SB = 2 | 3;
type sdiff = Exclude<SA, SB> | Exclude<SB, SA>;

ToIntersectionType

type A = {
  a: string;
  b: string;
};
type B = {
  b: string;
  c: string;
};
type ToIntersectionType<U> = (
  U extends any ? (arg: U) => any : never
) extends (arg: infer I) => void
  ? I
  : never;
type D = ToIntersectionType <A | B>;

ToArray

注意：递归只有在 TS 4.1.0 才支持

type Input = 1 | 2;
type UnionToIntersection<U> = (
  U extends any ? (arg: U) => any : never
) extends (arg: infer I) => void
  ? I
  : never;
type ToArray<T> = UnionToIntersection<(T extends any ? (t: T) => T : never)> extends (_: any) => infer W
  ? [...ToArray<Exclude<T, W>>, W]
  : [];
type Output = ToArray<Input>;

注意：这可能是 TS 的 bug 才使得这个功能成功，因为 :

type C = ((arg: any) => true) & ((arg: any) => false);
type D = C extends (arg: any) => infer R ? R : never; // false;

但在逻辑上，上述类型 C 应该是 never 才对，因为你找不到一个函数的返回永远是 true 又永远是 false。

Size

type Input = 1 | 2;
type Size = ToArray<Input>['length'];

Map/Object

Merge/Object.assign

type C = A & B;

Intersection

interface A {
  a: string;
  b: string;
  c: string;
}
interface B {
  b: string;
  c: number;
  d: boolean;
}
type Intersection<A, B> = {
  [KA in Extract<keyof A, keyof B>]: A[KA] | B[KA];
};
type AandB = Intersection<A, B>;

Filter

type Input = { foo: number; bar?: string };
type FilteredKeys<T> = {
  [P in keyof T]: T[P] extends number ? P : never;
}[keyof T];
type Filter<T> = {
  [key in FilteredKeys<T>]: T[key];
};
type Output = Filter<Input>;

Array

成员访问

type B = [string, string, boolean];
type D = B[number];
type E = B[0];
// eslint-disable-next-line prettier/prettier
type Last<T extends any[]> = T extends [...infer _, infer L] ? L : never;
type F = Last<B>;
type G = B['length'];

Append

type Append<T extends any[], V> = [...T, V];

Pop

type Pop<T extends any[]> = T extends [...infer I, infer _] ? I : never

Dequeue

type Dequeue<T extends any[]> = T extends [infer _, ...infer I] ? I : never

Prepend

type Prepend<T extends any[], V> = [V, ...T];

Concat

type Concat<T extends any[], V extends any[] > = [...T, ...V];

Filter

注意：递归只有在 TS 4.1.0 才支持

type Filter<T extends any[]> = T extends [infer V, ...infer R]
  ? V extends number
    ? [V, ...Filter<R>]
    : Filter<R>
  : [];
type Input = [1, 2, string];
type Output = Filter<Input>;

Slice

注意：递归只有在 TS 4.1.0 才支持
注意：为了实现简单，这里 Slice 的用法和 Array.slice 用法不一样：N 表示剩余元素的个数。

type Input = [string, string, boolean];
type Slice<N extends number, T extends any[]> = T['length'] extends N
  ? T
  : T extends [infer _, ...infer U]
  ? Slice<N, U>
  : never;
type Out = Slice<2, Input>;

这里只用一层循环实现 Array.slice(s) 这种效果，实现 Array.slice(s, e) 涉及减法，比较麻烦，暂不在这里展开了。

4.7 运算符 (Operators)

注意：运算符的实现涉及递归，递归只有在 TS 4.1.0 才支持
注意：下面的运算符只能适用于整型
注意：原理依赖于递归、效率较低

基本原理 (Details Explained)

基本原理是通过 Array 的 length 属性来输出整型，如果要实现 * 法，请循环加法 N 次。。。

type IntSeq<N, S extends any[] = []> =
    S["length"] extends N ? S :
    IntSeq<N, [...S, S["length"]]>;

===

type IfEquals<X, Y, A = X, B = never> = (<T>() => T extends X ? 1 : 2) extends <
  T
>() => T extends Y ? 1 : 2
  ? A
  : B;

+

type NumericPlus<A extends Numeric, B extends Numeric> = [...IntSeq<A>, ...IntSeq<B>]["length"];

-

注意：减法结果不支持负数 ...

type NumericMinus<A extends Numeric, B extends Numeric> = _NumericMinus<B, A, []>；
type ToNumeric<T extends number> = T extends Numeric ? T : never；
type _NumericMinus<A extends Numeric, B extends Numeric, M extends any[]> = NumericPlus<A, ToNumeric<M["length"]>> extends B ? M["length"] : _NumericMinus<A, B, [...M, 0]>;

4.8 其他 (MISC)

inferface

有些同学可能会问 interface 语法属于上述的哪些范畴，除了 Declaration Merging^[16]，interface 的功能都可以用 type 来实现，interface 更像是语法糖，所以笔者并没有将 interface 来实现上述任意一个功能。

inteface A extends B {
    attrA: string
}

Utility Types

TypeScript 本身也提供了一些工具类型，例如取函数的参数列表有 Parameters 等，具体可以参照一下这个链接^[17]。

5. 实战演练 (Excercise)

Promisify

import * as fs from "fs";
function promisify(fn) {
  return function(...args: XXXX) {
    return new Promise<XXXX>((resolve, reject) => {
      fn(...args, (err, data) => {
        if(err) {
          return reject(err);
        }
        resolve(data);
      });
    });
  }
}
(async () => {
  let file = await promisify(fs.readFile)("./xxx.json");
})();

我们需要知道 promisify(fs.readFile)(...) 这里能够接受的类型。
我们需要 let file = await ... 这里 file 的类型。

答案

结合类型编程和新版本 TS，会比官方实现库更简洁、更具扩展性（只支持 5 个参数） https://github.com/DefinitelyTyped/DefinitelyTyped/blob/master/types/util.promisify/implementation.d.ts^[18]

import * as fs from "fs";
// 基于数据的基本操作 Last 和 Pop
type Last<T extends any[]> = T extends [...infer _, infer L] ? L : never;
type Pop<T extends any[]> = T extends [...infer I, infer _] ? I : never;
// 对数组进行操作
type GetParametersType<T extends (...args: any) => any> = Pop<Parameters<T>>;
type GetCallbackType<T extends (...args: any) => any> = Last<Parameters<T>>;
// 类似于成员变量取值
type GetCallbackReturnType<T extends (...args: any) => any> = GetCallbackType<T> extends (err: Error, data: infer R) => void ? R : any;
function promisify<T extends (...args: any) => any>(fn: T) {
  return function(...args: GetParametersType<T>) {
    return new Promise<GetCallbackReturnType<T>>((resolve, reject) => {
      fn(...args, (err, data) => {
        if(err) {
          return reject(err);
        }
        resolve(data);
      });
    });
  }
}
(async () => {
  let file = await promisify(fs.readFile)("./xxx.json");
})();

MyReturnType^[19]

基本上就是成员表达式部分提到的通用的提取某个部分的实现方法（用 infer 关键字）

const fn = (v: boolean) => {
  if (v) return 1;
  else return 2;
};
type MyReturnType<F> = F extends (...args) => infer R ? R : never;
type a = MyReturnType<typeof fn>;

Readonly 2^[20]

基本上就是 Merge 和遍历 Object

interface Todo {
  title: string;
  description: string;
  completed: boolean;
}
type MyReadonly2<T, KEYS extends keyof T> = T &
  {
    readonly [k in KEYS]: T[k];
  };
const todo: MyReadonly2<Todo, 'title' | 'description'> = {
  title: 'Hey',
  description: 'foobar',
  completed: false,
};
todo.title = 'Hello'; // Error: cannot reassign a readonly property
todo.description = 'barFoo'; // Error: cannot reassign a readonly property
todo.completed = true; // O

Type Lookup^[21]

成员访问和三元表达式的应用

interface Cat {
  type: 'cat';
  breeds: 'Abyssinian' | 'Shorthair' | 'Curl' | 'Bengal';
}
interface Dog {
  type: 'dog';
  breeds: 'Hound' | 'Brittany' | 'Bulldog' | 'Boxer';
  color: 'brown' | 'white' | 'black';
}
type LookUp<T, K extends string> = T extends { type: string }
  ? T['type'] extends K
    ? T
    : never
  : never;
type MyDogType = LookUp<Cat | Dog, 'dog'>; // expected to be `Dog`

Get Required^[22]

参照 Object 的 Filter 方法

type GetRequiredKeys<T> = {
  [key in keyof T]-?: {} extends Pick<T, key> ? never : key;
}[keyof T];
type GetRequired<T> = {
  [key in GetRequiredKeys<T>]: T[key];
};
type I = GetRequired<{ foo: number; bar?: string }>; // expected to be { foo: number }

6. 想法 (Thoughts)

沉淀类型编程库 (Supplementary Utility Types)

除了 Utility Types 之外，添加通用的，易于理解的 TypeScript 工具类库，做 TS 届的 underscore。

Update: 发现已经有这样的库了：

https://github.com/piotrwitek/utility-types
https://github.com/sindresorhus/type-fest

直接用 JS 做类型编程 (Doing Type Computing in Plain TS)

即使按照本文的建模方式，由上面的归类可以看出，目前对比起现代的编程语言还是缺失挺多的关键能力。类型编程学习成本太高、像智力游戏的原因也是因为语法成分缺失、使用不直观的原因。为了使类型编程面向更广的受众，应当提供更友好的语法、更全面的语法，一个朴素的想法是在 compile time 运行的类似 JS 本身的语法（宏？）。

以下语法纯粹拍脑袋，例如：

type Test = {
    a: string
}
typecomp function Map(T, mapper) {
    for (let key of Object.keys(T)) {
        T[key] = mapper(T[key]);       
    }
}
typecomp AnotherType = Map(Test, typecomp (T) => {
    if (T extends 'hello') {
        return number;
    } else {
        return string;
    }
});

如果有这样子直观的语法，笔者感觉会使得类型编程更容易上手。需要实现这样的效果，可能需要我们 fork TypeScript 的 repo，添加以上的功能，希望有能力的读者可以高质量地实现这个能力，效果好的话，还可以 merge 到源 TypeScript Repo 中，造福笔者这个时刻为类型编程苦恼的开发者。