基于 babel 手写 ts type checker

前言

typescript 给 javascript 扩展了类型的语法和语义，让我们可以给变量、函数等定义类型，然后编译期间检查，这样能够提前发现类型不匹配的错误，还能够在开发时提示可用的属性方法。

而且，typescript 并不像当年的 coffeescript 一样改变了语法，它是 javascript 的一个超集，只做了类型的扩展。

这些优点使得 typescript 迅速的火了起来。现在前端面试如果你不会 typescript，那么可能很难拿到 offer。

市面上关于 typescript 的教程文很多了，但是没有一篇去从编译原理的角度分析它的实现的。本文不会讲 typescript 的基础，而是会实现一个 typescript type checker，帮你理解类型检查究竟做了什么。理解了类型检查的实现思路，再去学 typescript，或许就没那么难了。

思路分析

typescript compiler 与 babel

typescript compiler 是一个 转译器，负责把 typescript 的语法转成 es2015、es5、es3 的目标 javascript，并且过程中会做类型检查。

babel 也是一个转译器，可以把 es next、typescript、flow 等语法转成目标环境支持的 js。

babel 也可以编译 typescript？ 对的，babel 7 以后就可以编译 typescript 代码，这还是 typescript 团队和 babel 团队合作一年的成果。

我们知道，babel 编译流程分为 3 个步骤：parse、transform、generate。

parse 阶段负责编译源码成 AST，transform 阶段对 AST 进行增删改，generate 阶段打印 AST 成目标代码并生成 sorucemap。

babel 可以编译 typescript 代码只是能够 parse，并不会做类型检查，我们完全可以基于 babel parse 出的 AST 来实现一下类型检查。

类型检查要做什么

我们经常用 tsc 来做类型检查，有没有想过，类型检查具体做了什么？

什么是类型

类型代表了变量存储的内容，也就是规定了这块内容占据多大的内存空间，可以对它做什么操作。比如 number 和 boolean 就会分配不同字节数的内存，Date 和 String 可以调用的方法也不同。这就是类型的作用。它代表了一种可能性，你可以在这块内存放多少内容，可能对它进行什么操作。

动态类型是指类型是在运行时确定的，而静态类型是指编译期间就知道了变量的类型信息，有了类型信息自然就知道了对它而言什么操作是合法的，什么操作是不合法的，什么变量能够赋值给他。

静态类型会在代码中保留类型信息，这个类型信息可能是显式声明的，也可能是自动推导出来的。想做一个大的项目，没有静态类型来约束和提前检查代码的话，太容易出 bug 了，会很难维护。这也是随着前端项目逐渐变得复杂，出现了 typescript 以及 typescript 越来越火的原因。

如何检查类型

我们知道了什么是类型，为什么要做静态的类型检查，那么怎么检查呢？

检查类型就是检查变量的内容，而理解代码的话需要把代码 parse 成 AST，所以类型检查也就变成了对 AST 结构的检查。

比如一个变量声明为了 number，那么给它赋值的是一个 string 就是有类型错误。

再复杂一点，如果类型有泛型，也就是有类型参数，那么需要传入具体的参数来确定类型，确定了类型之后再去和实际的 AST 对比。

typescript 还支持高级类型，也就是类型可以做各种运算，这种就需要传入类型参数求出具体的类型再去和 AST 对比。

我们来写代码实现一下：

代码实现

实现简单类型的类型检查

赋值语句的类型检查

比如这样一段代码，声明的值是一个 string，但是赋值为了 number，明显是有类型错误的，我们怎么检查出它的错误的。

let name: string;

name = 111;

首先我们使用 babel 把这段代码 parse 成 AST：

const  parser = require('@babel/parser');

const sourceCode = `
    let name: string;

    name = 111;
`;

const ast = parser.parse(sourceCode, {
    plugins: ['typescript']
});

使用 babel parser 来 parse，启用 typescript 语法插件。

可以使用 astexplerer.net 来查看它的 AST：

实现类型检查

我们需要检查的是这个赋值语句 AssignmentExpression，左右两边的类型是否匹配。

右边是一个数字字面量 NumericLiteral，很容易拿到类型，而左边则是一个引用，要从作用域中拿到它声明的类型，之后才能做类型对比。

babel 提供了 scope 的 api 可以用于查找作用域中的类型声明（binding），并且还可以通过 getTypeAnnotation 获得声明时的类型

 AssignmentExpression(path, state) {
    const leftBinding = path.scope.getBinding(path.get('left'));
    const leftType = leftBinding.path.get('id').getTypeAnnotation();// 左边的值声明的类型
}

这个返回的类型是 TSTypeAnnotation 的一个对象，我们需要做下处理，转为类型字符串

封装一个方法，传入类型对象，返回 number、string 等类型字符串

function resolveType(targetType) {
    const tsTypeAnnotationMap = {
        'TSStringKeyword': 'string'
    }
    switch (targetType.type) {
        case 'TSTypeAnnotation':
            return tsTypeAnnotationMap[targetType.typeAnnotation.type];
        case 'NumberTypeAnnotation': 
            return 'number';
    }
}

这样我们拿到了左右两边的类型，接下来就简单了，对比下就知道了类型是否匹配：

AssignmentExpression(path, state) {
    const rightType = resolveType(path.get('right').getTypeAnnotation());
    const leftBinding = path.scope.getBinding(path.get('left'));
    const leftType = resolveType(leftBinding.path.get('id').getTypeAnnotation());
    if (leftType !== rightType ) {
        // error: 类型不匹配
    }
}

错误打印优化

报错信息怎么打印呢？可以使用 @babel/code-frame，它支持打印某一片段的高亮代码。

path.get('right').buildCodeFrameError(`${rightType} can not assign to ${leftType}`, Error)

效果如下：

这个错误堆栈也太丑了，我们把它去掉，设置 Error.stackTraceLimit 为 0 就行了

Error.stackTraceLimit = 0;
path.get('right').buildCodeFrameError(`${rightType} can not assign to ${leftType}`, Error));

但是这里改了之后还要改回来，也就是:

const tmp = Error.stackTraceLimit;
Error.stackTraceLimit = 0;
console.log(path.get('right').buildCodeFrameError(`${rightType} can not assign to ${leftType}`, Error));
Error.stackTraceLimit = tmp;

再来跑一下：

好看多了！

错误收集

还有一个问题，现在是遇到类型错误就报错，但我们希望是在遇到类型错误时收集起来，最后统一报错。

怎么实现呢？错误放在哪？

babel 插件中可以拿到 file 对象，有 set 和 get 方法用来存取一些全局的信息。可以在插件调用前后，也就是 pre 和 post 阶段拿到 file 对象（这些在掘金小册《babel 插件通关秘籍》中会细讲）。

所以我们可以这样做：

pre(file) {
    file.set('errors', []);
},
visitor: {
    AssignmentExpression(path, state) {
        const errors = state.file.get('errors');

        const rightType = resolveType(path.get('right').getTypeAnnotation());
        const leftBinding = path.scope.getBinding(path.get('left'));
        const leftType = resolveType(leftBinding.path.get('id').getTypeAnnotation());
        if (leftType !== rightType ) {
            const tmp = Error.stackTraceLimit;
            Error.stackTraceLimit = 0;
            errors.push(path.get('right').buildCodeFrameError(`${rightType} can not assign to ${leftType}`, Error));
            Error.stackTraceLimit = tmp;
        } 
    }
},
post(file) {
    console.log(file.get('errors'));
}

这样就可以做到过程中收集错误，最后统一打印：

这样，我们就实现了简单的赋值语句的类型检查。

函数调用的类型检查

赋值语句的检查比较简单，我们来进阶一下，实现函数调用参数的类型检查

function add(a: number, b: number): number{
    return a + b;
}
add(1, '2');

这里我们要检查的就是函数调用语句 CallExpression 的参数和它声明的是否一致。

CallExpression 有 callee 和 arguments 两部分，我们需要根据 callee 从作用域中查找函数声明，然后再把 arguments 的类型和函数声明语句的 params 的类型进行逐一对比，这样就实现了函数调用参数的类型检查。

pre(file) {
    file.set('errors', []);
},
visitor: {
    CallExpression(path, state) {
        const errors = state.file.get('errors');
        // 调用参数的类型
        const argumentsTypes = path.get('arguments').map(item => {
            return resolveType(item.getTypeAnnotation());
        });
        const calleeName = path.get('callee').toString();
        // 根据 callee 查找函数声明
        const functionDeclarePath = path.scope.getBinding(calleeName).path;
        // 拿到声明时参数的类型
        const declareParamsTypes = functionDeclarePath.get('params').map(item => {
            return resolveType(item.getTypeAnnotation());
        })

        argumentsTypes.forEach((item, index) => {
            if (item !== declareParamsTypes[index]) {
                // 类型不一致，报错
            }
        });
    }
},
post(file) {
    console.log(file.get('errors'));
}

运行一下，效果如下：

我们实现了函数调用参数的类型检查！实际上思路还是挺清晰的，检查别的 AST 也是类似的思路。

实现带泛型的类型检查

泛型是什么，其实就是类型参数，使得类型可以根据传入的参数动态确定，类型定义更加灵活。

比如这样一段代码：

function add<T>(a: T, b: T) {
    return a + b;
}
add<number>(1, '2');

怎么做类型检查呢？

这还是函数调用语句的类型检查，我们上面实现过了，区别不过是多了个参数，那么我们取出类型参数来传过去就行了。

CallExpression(path, state) {
    const realTypes = path.node.typeParameters.params.map(item => {// 先拿到类型参数的值，也就是真实类型
        return resolveType(item);
    });
    const argumentsTypes = path.get('arguments').map(item => {
        return resolveType(item.getTypeAnnotation());
    });
    const calleeName = path.get('callee').toString();
    const functionDeclarePath = path.scope.getBinding(calleeName).path;
    const realTypeMap = {};
    functionDeclarePath.node.typeParameters.params.map((item, index) => {
        realTypeMap[item.name] = realTypes[index];
    });
    const declareParamsTypes = functionDeclarePath.get('params').map(item => {
        return resolveType(item.getTypeAnnotation(), realTypeMap);
    })// 把类型参数的值赋值给函数声明语句的泛型参数

    argumentsTypes.forEach((item, index) => { // 做类型检查的时候取具体的类型来对比
        if (item !== declareParamsTypes[index]) {
            // 报错，类型不一致
        }
    });
}

多了一步确定泛型参数的具体类型的过程。

执行看下效果：

我们成功支持了带泛型的函数调用语句的类型检查！

实现带高级类型的函数调用语句的类型检查

typescript 支持高级类型，也就是支持对类型参数做各种运算然后返回最终类型

type Res<Param> = Param extends 1 ? number : string;
function add<T>(a: T, b: T) {
    return a + b;
}
add<Res<1>>(1, '2');

比如这段代码中，Res 就是一个高级类型，对传入的类型参数 Param 进行处理之后返回新类型。

这个函数调用语句的类型检查，比泛型参数传具体的类型又复杂了一些，需要先求出具体的类型，然后再传入参数，之后再去对比参数的类型。

那么这个 Res 的高级类型怎么求值呢？

我们来看一下这个 Res 类型的 AST：

它有类型参数部分（typeParameters），和具体的类型计算逻辑部分（typeAnnotation），右边的 Param extends 1 ? number : string; 是一个 condition 语句，有 Params 和 1 分别对应 checkType、extendsType，number 和 string 则分别对应 trueType、falseType。

我们只需要对传入的 Param 判断下是否是 1，就可以求出具体的类型是 trueType 还是 falseType。

具体类型传参的逻辑和上面一样，就不赘述了，我们看一下根据类型参数来值的逻辑：

function typeEval(node, params) {
    let checkType;
    if(node.checkType.type === 'TSTypeReference') {
        checkType = params[node.checkType.typeName.name];// 如果参数是泛型，则从传入的参数取值
    } else {
        checkType = resolveType(node.checkType); // 否则直接取字面量参数
    }
    const extendsType = resolveType(node.extendsType);
    if (checkType === extendsType || checkType instanceof extendsType) { // 如果 extends 逻辑成立
        return resolveType(node.trueType);
    } else {
        return resolveType(node.falseType);
    }
}

这样，我们就可以求出这个 Res 的高级类型当传入 Params 为 1 时求出的最终类型。

有了最终类型之后，就和直接传入具体类型的函数调用的类型检查一样了。（上面我们实现过）

执行一下，效果如下：

完整代码如下（有些长，可以先跳过往后看）：

const { declare } = require('@babel/helper-plugin-utils');

function typeEval(node, params) {
    let checkType;
    if(node.checkType.type === 'TSTypeReference') {
        checkType = params[node.checkType.typeName.name];
    } else {
        checkType = resolveType(node.checkType);
    }
    const extendsType = resolveType(node.extendsType);
    if (checkType === extendsType || checkType instanceof extendsType) {
        return resolveType(node.trueType);
    } else {
        return resolveType(node.falseType);
    }
}

function resolveType(targetType, referenceTypesMap = {}, scope) {
    const tsTypeAnnotationMap = {
        TSStringKeyword: 'string',
        TSNumberKeyword: 'number'
    }
    switch (targetType.type) {
        case 'TSTypeAnnotation':
            if (targetType.typeAnnotation.type === 'TSTypeReference') {
                return referenceTypesMap[targetType.typeAnnotation.typeName.name]
            }
            return tsTypeAnnotationMap[targetType.typeAnnotation.type];
        case 'NumberTypeAnnotation': 
            return 'number';
        case 'StringTypeAnnotation':
            return 'string';
        case 'TSNumberKeyword':
            return 'number';
        case 'TSTypeReference':
            const typeAlias = scope.getData(targetType.typeName.name);
            const paramTypes = targetType.typeParameters.params.map(item => {
                return resolveType(item);
            });
            const params = typeAlias.paramNames.reduce((obj, name, index) => {
                obj[name] = paramTypes[index]; 
                return obj;
            },{});
            return typeEval(typeAlias.body, params);
        case 'TSLiteralType':
            return targetType.literal.value;
    }
}

function noStackTraceWrapper(cb) {
    const tmp = Error.stackTraceLimit;
    Error.stackTraceLimit = 0;
    cb && cb(Error);
    Error.stackTraceLimit = tmp;
}

const noFuncAssignLint = declare((api, options, dirname) => {
    api.assertVersion(7);

    return {
        pre(file) {
            file.set('errors', []);
        },
        visitor: {
            TSTypeAliasDeclaration(path) {
                path.scope.setData(path.get('id').toString(), {
                    paramNames: path.node.typeParameters.params.map(item => {
                        return item.name;
                    }),
                    body: path.getTypeAnnotation()
                });
                path.scope.setData(path.get('params'))
            },
            CallExpression(path, state) {
                const errors = state.file.get('errors');
                const realTypes = path.node.typeParameters.params.map(item => {
                    return resolveType(item, {}, path.scope);
                });
                const argumentsTypes = path.get('arguments').map(item => {
                    return resolveType(item.getTypeAnnotation());
                });
                const calleeName = path.get('callee').toString();
                const functionDeclarePath = path.scope.getBinding(calleeName).path;
                const realTypeMap = {};
                functionDeclarePath.node.typeParameters.params.map((item, index) => {
                    realTypeMap[item.name] = realTypes[index];
                });
                const declareParamsTypes = functionDeclarePath.get('params').map(item => {
                    return resolveType(item.getTypeAnnotation(), realTypeMap);
                })

                argumentsTypes.forEach((item, index) => {
                    if (item !== declareParamsTypes[index]) {
                        noStackTraceWrapper(Error => {
                            errors.push(path.get('arguments.' + index ).buildCodeFrameError(`${item} can not assign to ${declareParamsTypes[index]}`,Error));
                        });
                    }
                });
            }
        },
        post(file) {
            console.log(file.get('errors'));
        }
    }
});

module.exports = noFuncAssignLint;

就这样，我们实现了 typescript 高级类型！

总结

类型代表了变量的内容和能对它进行的操作，静态类型让检查可以在编译期间做，随着前端项目越来越重，越来越需要 typescript 这类静态类型语言。

类型检查就是做 AST 的对比，判断声明的和实际的是否一致：

• 简单类型就直接对比，相当于 if else
• 带泛型的要先把类型参数传递过去才能确定类型，之后对比，相当于函数调用包裹 if else
• 带高级类型的泛型的类型检查，多了一个对类型求值的过程，相当于多级函数调用之后再判断 if else

实现一个完整的 typescript type cheker 还是很复杂的，不然 typescript checker 部分的代码也不至于好几万行了。但是思路其实没有那么难，按照我们文中的思路来，是可以实现一个完整的 type checker 的。

（关于 babel 插件和 api 的部分，如果看不懂，可以在我即将上线的小册《babel 插件通关秘籍》中来详细了解。掌握了 babel，也就掌握了静态分析的能力，linter、type checker 这些顺带也能更深入的掌握。）