OCaml 如何推断局部性

此前我们讨论了 local 参数、变量和返回值，以及 local 和 global 是模式这一概念。现在来看推断：OCaml 编译器如何确定值和函数的局部性。

假设我在函数内部绑定一个未使用的 x。普通的编译器输出告诉我 f 的类型是 unit 到 unit，却没有说明 x 是 local 还是 global。虽然在这个小例子中没有区别，但随着程序变大，这一区别可能变得重要。

为了演示，我可以传入 -dtypedtree，打印编译器带类型的中间表示。这种输出供编译器调试使用，而非日常编程，格式也不太友好。在 x 旁边，分配模式显示为 <modevar>：编译器尚不知道答案，因此引入了一个模式变量。

如果我返回 x，它就会逃出函数的区域，打印出的分配模式变为 global。反过来，如果我将 x 标注为 local 并阻止它逃逸，输出就会显示 local。没有这两种约束时，编译器会在类型检查完成后作出选择，并优先采用局部分配。

局部性提供了安全属性，但 Jane Street 开展这项工作的动机也涉及分配：OCaml 程序的某些部分可以采用栈式分配，而不必在需要垃圾回收的堆上分配。从这个意义上说，局部分配可能更好。后续视频中我会进一步讨论它的分配行为。

更一般地说，推断会尽可能保持宽松。对于函数参数，local 更宽松：global 是 local 的子模式，因此接受 local 实参的函数也能接受 global 实参。忽略参数的函数是个简单例子，尽管实用函数还可以做更多事情。

普通输出中打印的这个函数类型并不显示 local 参数。为了弄清发生了什么，我将它放入一个模块，并给模块添加签名。普通参数类型和 local_ 参数类型都能匹配同一个实现。

模块签名不会用于检查结构本身的类型。编译器先推断结构，再检查结果是否匹配签名。在这个例子中，它为 f 推断出 local 参数，因此该实现可以满足要求 local 参数的签名。

没有签名时，例如模块没有 mli 文件，一个默认化步骤会从显示的模块类型中移除 local_ 标记。这避免了没有接口文件的项目出现令人意外的结果，尽管实现还有改进空间。推断出的实现仍然可以支持 local 实参。

函数并不一定只能忽略参数。它可以把 x 传给另一个承诺不让它逃逸的函数，或者以其他方式操作它。构造例子比较困难，因为标准库的大部分内容尚不支持 local，调用这些函数可能迫使值成为 global。

为什么推断为 local 的参数也能匹配没有 local_ 的签名？local 参数是实现作出的一项承诺：不让实参逃逸。模块签名匹配允许我们舍弃这一承诺，推断出的模块类型与要求较少的签名兼容。

对于返回值，偏好则相反。global 结果更有用，因为调用者可能需要在 global 上下文中使用它。如果函数返回 local 字符串，我不能直接将结果传给要求 global 字符串的函数；local 值不会自动变成 global。

Jane Street 内部有一个 globalize PPX，可以在需要 global 值时转换 local 值，但这个例子中没有它。返回值上的 local 注解对调用者施加限制：调用者不能让结果逃逸。在签名中加入这一限制是安全的。

对于参数，local 则对函数实现提出要求。如果 h 存储实参或通过其他方式让实参逃逸，推断出的参数就是 global，要求 local 参数的签名就会失败。我们可以从签名的参数中移除 local，或者给返回值添加 local，但一般不能反过来做。

整数是一个重要例外。考虑一个函数，它将 x 与自身相加，然后将 x 存入引用。local 的 x 通常会因为逃逸而被拒绝，但如果将 x 显式标注为 int，同样的代码就会被接受。

OCaml 的 int 是立即数：它不通过指针表示。local 的设计围绕分配行为展开，因此立即数不需要遵循相同的指针生命周期规则。我们说 int 可以跨越模式：即使是 local int，也可以用在要求 global 值的地方；换句话说，int 始终可以视为 global。

这里的类型注解很重要。如果编译器只是从加法推断出 x 是 int，这个模式跨越的例子不会通过。让信息以这种方式跨表达式流动可能使类型检查变得脆弱，因此程序员必须在某处声明 x 是 int。

这也是我在前面的例子中使用字符串的原因：字符串不能跨越模式。这也解释了为什么 local int 能传给加法，即使标准库通常不了解 local。int 在调用时跨越了模式。

这带来一个令人不满意的限制：如果我希望 int 具有 local 的额外安全属性，模式跨越会阻止我获得它。我们正在开发更细粒度的控制，以决定哪些值可以跨越模式。指针表示的值这样跨越是不安全的，但即使是立即数，有时也可能需要限制。

推断还允许不同局部性函数之间的一些转换。如果 f 返回 global 字符串，我可以在要求返回 local 字符串的函数的位置使用它：后者只是对调用者如何处理结果增加了一项限制。

反方向的承诺则不同。我不能把接受 global 参数的函数拿来，事后声称它接受 local 参数：这会对实现添加一项它并未承诺满足的要求。

有意思的是，演示中编译器也拒绝将一个带 local 参数的函数赋给普通函数类型，尽管舍弃这个承诺是安全的。这个限制到你观看时可能已经修复。通过 eta 展开，也就是用 fun x -> h x 代替 h，可以绕过这次拒绝。

eta 展开无法让不安全的转换成立。如果 f 从未承诺接受 local 实参，用另一个函数包装它也无法创造这一承诺。不同局部性的函数类型之间，有些转换是安全且受支持的，但并非所有转换都安全。

这带来的好处是，你通常不需要在每个项或变量上写 local 注解。和普通类型推断一样，局部性推断通常能算出所需模式，不过也有我们今天探讨的注意事项。