Pony语言学习（八）：引用能力（Reference Capabilities）

（如果你有更好的翻译，请务必联系我。我们需要和Rust术语做到翻译看齐）

一.总览（特译：https://tutorial.ponylang.io/reference-capabilities.html）：

我们已经学了很多有关Pony类型系统的知识，之后是表达式语法，在有关引用能力的这章里，我们会学到另一Pony类型系统组件级别的知识点。目前好像没有一款主流编程语言支持这一特性。那么什么是引用能力？

Pony语言还支持一种不同的能力——引用能力。对象能力（object capabilities）允许你在对象上作些文章，引用能力却阻止你为了做更多事而申请使用更多内存。比如说，你可以使用这块内存但仅仅是为了读取它，而不是更改它。这就是引用能力，它拒绝操作的权限。

引用能力是使得Pony语言与众不同的核心。在简介里，你或许读到过Pony的优点：

而引用能力就是Pony语言拿来实现上述这些超赞的特性的。不要害怕，咱们现在开始吧！

官方指导：https://www.ponylang.io/learn/#reference-capabilities。你可以里面提到的网址进行广泛的对象能力的理解性学习

二、引用能力

（一）.基础概念

虽然其中有些你可能已经熟能成诵了，但为了完整性，还是要啰嗦几句：

1.难以创建能分享的可变数据（Shared mutable data is hard）：

在并发开发中，最需重视的问题就是可变数据。设想有两个不同的线程均有权访问某一块数据并且都想更新它（同时！）。最好的情况是，它们两个各有一份不同版本的数据，而最坏的情况是它们都在试图更新一块garbage。最标准的方法（主流）是使用锁来防止数据写入同时发生。这种情况下就导致性能大大降低且作为使用者难以获得权限，从而引出无数bug！

2.不变数据可以被安全分享（Immutable data can be safely shared）：

既然数据是不变的，那么也就是说永远不会更新，从而也就避免了由更新引发的并发性问题。

3.孤立数据是安全的（Isolated data is safe）：

如果一块数据只有一个引用我们就叫它是孤立的（isolated）（注：0引用如果处理的好的话学名叫垃圾）。既然只有对此只有一个引用，孤立数据就不可能被多个线程分享（此处类比一夫一妻制），所以也不存在并发性问题。

4.孤立数据可能很复杂（Isolated data may be complex）：

所谓的孤立数据可能是指一个字节，抑或是一大块带很多引用的数据结构。而我们就看这块数据能不能被当成一个整体，如果能，我们就可以把它设置成isolated。当然，还有一个孤立边界（isolation boundary）需要了解。isolated数据满足：

1. 在孤立边界外必须有一个对于边界内的对象的引用。
2. 对于边界内，可以有任意数量的引用，但都不能指向边界外的对象。

5.每个actor都是一个独立线程（Every actor is single threaded）：

只含有一个actor的代码永远不会并发运行。只有我们想要在actor间分享数据时才可能出现问题。

（二）类型修饰符：

在C/C++中，你可能使用过const来修饰类型，你也见过某些场景让你说出int const和const int的区别。const在那里就是类型修饰符。在Pony的引用能力实现中，我们使用类型修饰符的方法。在数组那节我们见到了Array[T] ref 和Array[T] val。下面我们就来看看具体实现。

（三）引用能力列表：

• Isolated，写作 iso，表示孤立数据结构。如果你有一个iso变量，你就知道没有其他变量可以访问这份数据（相当于不存在其他引用，包括二次及以上引用）。因此你可以随意更改它，最后把它交给另一个actor（之后意味着你放弃了这个引用的所有权，把它送给了另一个actor）。
• Value，写作 val，表示那些不可变的数据结构。如果你有一个val 变量，你就知道没有人可以改变它的数据。从而你可以随便读它的数据并和其他actor分享（区别分享和送给，分享意味着你保留了引用的所有权）。
• Reference，写作 ref，表示可变的数据结构并且是非孤立的，换句话说，就是普通的数据。如果你有一个ref 变量，你就知道你可以随意进行读写，且很多变量都可以访问到同样的数据（你不能同时读和写，但别人可以同时读）。但你不能和其他actor分享。
• Box，写作box，表示那些对你来说是只读的变量。这些数据可能是不变的，与其他actor共享的或者说有其他变量可以改变它的数据（打个比方，可以是一个actor有一个reference，你有一个box，特别像服务器和客户端）。box 变量可以被用于安全地读取数据。可能听上去没什么意义，但它允许你为val 和 ref 变量写出同样的代码（毕竟Pony并不支持重载），只要代码不写入数据。
• Transition，写作 trn，表示当你同一时间拥有对某一数据的box引用，还想向其中写入数据。当然了，你也可以把trn 变量转换成val 变量，从而保证可以被安全地传递到其他actor。
• Tag，写作tag，表示那些只是用来当标识的变量。你既不能读也不能写，但你可以储存或比较不同的tag 变量（了解Erlang / Elixir的读者可能联想到原子，想到这里非常好。对那些不熟悉原子概念的读者，我挑了一篇写的比较好的erlang原子介绍：https://blog.csdn.net/cloveses/article/details/77945856）。

引用能力的书写：

String iso // An isolated string
String trn // A transition string
String ref // A string reference
String val // A string value
String box // A string box
String tag // A string tag

延伸阅读：

如何创建不同引用能力的对象：

后面我们会学到一个更好的方法：复原能力（Recovering Capabilities）

阅读任务：https://tutorial.ponylang.io/reference-capabilities/guarantees.html

三、耗散和解构读取（Consume and Destructive Read）:

（一）耗散：

在日常编码中，把一个变量移动到另一个变量很是常见，换句话说，就是给数据改了个名。在Pony里，我们使用consume关键字，把数据从变量的壳子里抽出来，放到另一个变量里，此时原先的那个变量也就仅仅是个空壳：

fun test(a: Wombat iso) =>
  var b: Wombat iso = consume a // Allowed!
  var c: Wombat tag = a // Not allowed!

那么我能耗散一个字段（field）吗？NO！耗散变量意味着它会成为空壳。你没有办法确保是否有其它别名会访问这块字段。我们使用解构读取来解决这个问题。

（二）解构读取:

我们之前提到过，Pony中的赋值语句会返回变量的旧值（记得吗，万物皆表达式，赋值语句也是表达式，所以它也要返回），这就叫解构读取（destructive read）：

class Aardvark
  var buddy: Wombat iso

  new create() =>
    buddy = recover Wombat end

  fun ref test(a: Wombat iso) =>
    var b: Wombat iso = buddy = consume a // Allowed!

四、复原能力（Recovering Capabilities）：

recover表达式允许你提升引用能力。一个可变的引用能力（iso trn ref）可以成为任意引用能力，而一个不可变的引用能力（val box）可以成为任何一个不可变的或不透明的（tag）引用能力。

（一）哪里有用？：

recover表达式最直接的应用就是获得一个你可以传给其他actor的 iso 变量。但它还可以用来做其他事情，比如：

• 创建一个周期的不变数据结构，也就是，你在recover表达式里创造了一个复杂的可变数据结构后，将ref 型结果提升到val 型。
• 将一个iso 变量作为ref 借用过来，对其做一系列可变的复杂操作，最后以iso 形式返回。
• 从一个iso 解压出一个可变字段最后又以iso 形式返回

（二）接收方自动复原：

当你有一个iso或trn型的接收方时，你通常不能调用ref 型的方法。这是因为接收方也是方法的一个参数，这意味着，函数体和调用方可以同时访问接收方。同时这也意味着，你需要给receiver换个名，iso型 => tag型，trn型 => box型，两种结果类型均不是ref的子类型。

但是有一个办法可以绕过这样繁琐的步骤。如果方法所有的参数相对于调用方是可发送的（sendable），那么这个方法的返回值不是 可发送的 就是 不被调用方使用的， 于是我们就可以“自动复原”接收方。

五、假名（Aliasing）：

Aliasing means having more than one reference to the same object, within the same actor. This can be the case for a variable or a field.

在Pony里，我们可以为某些引用能力加假名，但不是全部。

（一）假名和拒绝保护（Aliasing and deny guarantees）： 

如果我们尝试为一个iso变量加假名，我们就破坏了iso引用能力的原则——只有一个引用：

fun test(a: Wombat iso) =>
  var b: Wombat iso = a // Not allowed!

按上文讲，iso => tag, trn => box，那么其他的引用能力呢？

在以下三种情况下你需要假名：

1. 当你给你一个变量或字段赋值时
2. 当你把值当作参数传给方法时
3. 当你调用一个方法时，接收方调用的假名就被创建了。它和this对函数体有同样的权限。

（二）临时类型（Ephemeral types）：

在Pony里，万物皆表达式，而表达式便就有值，那么cosume a的值是什么？事实上，它不是a的类型，而是a的临时类型。为了区别，我们在之后加一个^表示临时：

fun test(a: Wombat iso): Wombat iso^ =>
  consume a

（三）假名类型：

An alias type is a way of saying “whatever we can safely alias this thing as”.

 类型A=> 假名类型 A!

fun test(a: A) =>
  var b: A! = a
//Here, we’re using A as a type variable, which we’ll cover later.
//So A! means “an alias of whatever type A is”.

阅读任务：传递与分享引用（Passing and Sharing References）、能力子类型（Capability Subtyping）、组合能力（Combining Capabilities）

六、箭头类型（视角）（Arrow Types aka Viewpoints）：

（一）使用this->视角：

例如：

class Wombat
  var _friend: Wombat

  fun friend(): this->Wombat => _friend

在组合能力里我们学到了源自box 的ref / val 返回一个box。如果我们想让上面这个类智能地返回对象，即接收方是ref时就返回ref，val亦如此。我们使用this->来实现。

（二）使用类型参数视角（Using a type parameter as a viewpoint）：

（建议先学完泛型再回来看）来自标准库的例子：

class ListValues[A, N: ListNode[A] box] is Iterator[N->A]

这里，N被限制为是ListNode[A] box的子类型，同时这个类还实现了一个接口Iterator，使得我们可以迭代类型N -> A 的值

（三）使用box->视角:

同样来自标准库的例子：

interface Comparable[A: Comparable[A] box]
  fun eq(that: box->A): Bool => this is that
  fun ne(that: box->A): Bool => not eq(that)

这意味着不论A指向什么，我们只需要读取that。

阅读任务:引用能力表