未装箱类型和严格性之间有啥关系？

Posted 2023-05-08

【中文标题】未装箱类型和严格性之间有啥关系？

【英文标题】：What is the relationship between unboxed types and strictness?未装箱类型和严格性之间有什么关系？

【发布时间】：2011-03-09 01:48:53

【问题描述】：

未装箱的类型，如Int#，和严格的函数，如f (!x) = ...，有些不同，但我看到概念上的相似性——它们在某种程度上不允许thunk/laziness。如果 Haskell 是像 Ocaml 这样的严格语言，那么每个函数都是严格的，并且每个类型都没有装箱。未装箱类型与执行严格性之间有什么关系？

【问题讨论】：

我对未装箱类型没有太多经验，所以即使是基本的评论也欢迎。

由于多态性，并非所有类型都会被拆箱。 OCaml 和 Haskell 中的多态函数使用值的统一表示作为闭包。 Haskell 允许专业化，生成使用未装箱参数的自定义函数（OCaml 可能也这样做）。

【参考方案1】：

未装箱与装箱数据

为了支持parametric polymorphism 和laziness，默认情况下，Haskell 数据类型统一表示为指向the heap 上的closure 的指针，其结构如下：

_{（来源：haskell.org）}

这些是“装箱”值。 unboxed 对象直接由值本身表示，没有任何间接或闭包。 Int 已装箱，但 Int# 未装箱。

惰性值需要盒装表示。严格值不会：它们可以表示为堆上完全评估的闭包，也可以表示为原始的未装箱结构。请注意，pointer tagging 是一种优化，我们可以在装箱对象上使用，以在指向闭包的指针中编码构造函数。

与严格的关系

通常，未装箱的值由函数式语言编译器以特别的方式生成。然而，在 Haskell 中，unboxed values 是特殊的。他们：

他们有不同的类型，#; 只能在特殊的地方使用；和 它们未提升，因此不表示为指向堆值的指针。

因为他们没有被提升，所以他们必然是严格的。懒惰的表现是不可能的。

因此，特定的未装箱类型，如 Int#、Double#，在机器上实际上被表示为 double 或 int（用 C 表示法）。

严格性分析

另外，GHC 执行常规 Haskell 类型的 strictness analysis。如果发现一个值的使用是严格的——即它永远不会是“未定义的”——优化器可能会用一个未装箱的（Int#）替换所有常规类型的使用（例如Int），因为它知道使用Int 总是严格的，因此用更有效（并且总是严格）的类型Int# 替换是安全的。

我们当然可以有没有未装箱类型的严格类型，例如，一个元素严格的多态列表：

data List a = Empty | Cons !a (List a)

在其元素中是严格的，但不将它们表示为未装箱的值。

这也指出了您在严格语言方面所犯的错误，like OCaml。它们仍然需要支持多态性，因此它们要么提供统一的表示，要么将数据类型和函数专门用于每种类型。 GHC 默认使用统一表示，OCaml 也是如此，尽管 GHC 现在也可以specialize types and functions（如 C++ 模板）。

【讨论】：

那么有没有使用严格的盒装类型，比如你的List 例子？它不是和它的惰性对应物具有相同的表示吗？

表示相同，但​​语义不同。这种结构通常很有用。

但我认为，例如，data Pair = P Int Int 将包含比data Pair = P !Int !Int 更多的间接寻址。在前者中，每个参数是否都是指向指针（thunk）的指针，而在后者中，它是指向值的指针？

【参考方案2】：

未装箱的类型一定是严格的，但并非所有严格的值都一定是未装箱的。

data Foo a = Foo !a !a

有两个严格字段

data Bar a = Bar -# UNPACK #- !Int !a

有两个严格字段，但第一个未装箱。

归根结底，未装箱类型（必然）严格的原因是没有地方存储 thunk，因为那时它们只是扁平的、愚蠢的数据。

【参考方案3】：

任何类型的参数都可以设置为“严格”，但只有Char#、Int#、Word#、Double# 和Float#。

如果您了解 C 等低级语言，则更容易解释。未装箱的类型如int、double 等，装箱的类型如int*、double* 等。当你有int 时，你已经知道它所代表的整个值因此，在位模式中，它不是懒惰的。它也必须严格，因为 int 的所有值都是有效的，而不是 ⊥。

但是，给定int*，您可以选择稍后取消引用指针以获取实际值（因此是惰性的），并且可能有无效的指针（它包含⊥，即非严格）。