1. 引言
在本教程中，我们将深入探讨 Scala 中的 类型类（Type Class） 概念。类型类是一种强大的编程范式，在函数式编程中被广泛使用。它最初是在 Haskell 中提出的，用于实现 特设多态（ad-hoc polymorphism）。虽然 Scala 本身没有原生支持类型类，但我们可以借助一些内置特性，比如 特质（traits） 和 隐式类（implicit classes），来实现类似的功能。
2. 什么是类型类？
简单来说，类型类是一组满足某个契约（contract）的类型，这个契约通常由一个 trait 来定义。通过类型类，我们可以在不修改原有函数代码的前提下，让函数具备更强的特设多态能力。这种灵活性正是类型类模式的最大优势。
更正式地说：
类型类是一种类型系统构造，用于支持特设多态。它是通过给参数化多态类型中的类型变量添加约束来实现的。这种约束通常涉及一个类型类
T和一个类型变量a，意味着a只能被实例化为支持与T关联的重载操作的类型。
为了更好地理解这个定义，我们先解释一下其中的关键术语：
- 类型系统（Type System）：这是编译器中的一个逻辑系统，用于为变量、表达式或函数等编程结构分配“类型”这一属性。例如 Int、String、Long 都是我们常见的类型。
- 特设多态（Ad-hoc Polymorphism）和参数化多态（Parametric Polymorphism）：这部分内容我们在 Scala 中的多态性 一文中已有介绍。
在接下来的章节中，我们将通过具体示例来进一步理解类型变量及其约束。
3. 示例问题
我们先构造一个简单的例子，来演示如何定义和使用类型类。假设我们要为一个学校信息系统设计一个打印机制，用于展示若干对象的信息。
一开始，我们只有 StudentId 这个类型，它封装了整数形式的学生 ID，以提升类型安全性。但随着时间推移，我们可能会新增 StaffId、Score 等数据封装类型，而我们不希望每次新增类型时都修改原有的打印逻辑。
此时，类型类模式的灵活性就派上用场了。我们先定义这些类型：
case class StudentId(id: Int)
case class StaffId(id: Int)
case class Score(s: Double)
有了这些类型，我们就可以开始构建类型类来解决打印问题了。
4. 定义类型类 T
在这一节中，我们将定义类型类，即定义一个契约或约束：
trait Printer[A] {
def getString(a: A): String
}
你可能会疑惑：为什么我们只定义了一个 trait，就称之为类型类了？其实，类型类不仅仅是一个 trait，而是在特定上下文中使用 trait 的一种方式 —— 即“类型类构造器模式”。单独使用 trait 并不构成类型类。
回顾之前的定义：这是通过给参数化多态类型中的类型变量添加约束来实现的。在我们的例子中，上面的 trait 是一个参数化多态类型，因为它使用了未绑定的类型参数 A，这意味着在继承它时我们可以用任何类型来替代 A。
我们将在下一节中定义具体的类型变量。
5. 定义打印函数
我们使用类型类的目的，是为了实现特设多态。因此，我们定义一个函数来使用这个类型类：
def show[A](a: A)(implicit printer: Printer[A]): String = printer.getString(a)
每当我们需要以人类友好的方式展示数据对象时，都可以调用这个函数。但目前它还不能打印任何内容，因为我们还没有为它定义任何类型变量（即定义中提到的 a）。
注意，这个方法有两个参数列表。第一个列表是普通的函数参数（虽然是抽象的），第二个参数列表是带有 implicit 关键字的 printer 参数。这部分内容在 隐式类 一文中已有详细介绍。
6. 定义类型变量 a
再次引用类型类的定义：***a 只能被实例化为支持与 T 关联的重载操作的类型***。
在我们的例子中，这意味着类型变量 a 必须是 Printer 的子类型，或者直接实现它，以便可以重载 getString 方法。此外，由于 show 方法期望的是隐式参数，因此类型变量也必须是隐式的：
implicit val studentPrinter: Printer[StudentId] = new Printer[StudentId] {
def getString(a: StudentId): String = s"StudentId: ${a.id}"
}
现在我们就可以调用 show 方法来打印 StudentId 类型了：
it should "print StudentId types" in {
val studentId = StudentId(25)
assertResult(expected = "StudentId: 25")(actual = show(studentId))
}
7. 扩展类型类
到目前为止，我们已经实现了一个可用的类型类。在本节中，我们将看到类型类的真正威力：在不修改原有函数的前提下，扩展其支持的类型。
我们之前提到，类型类模式能让我们实现特设多态，也就是说，我们可以在不改动 show 方法的情况下，让它支持更多类型。
我们通过添加新的类型变量来实现这一点。现在我们希望 show 方法也能支持 StaffId 和 Score 类型，使下面的测试能够通过：
it should "custom print different types" in {
val studentId = StudentId(25)
val staffId = StaffId(12)
val score = Score(94.2)
assertResult(expected = "StudentId: 25")(actual = show(studentId))
assertResult(expected = "StaffId: 12")(actual = show(staffId))
assertResult(expected = "Score: 94.2%")(actual = show(score))
}
现在我们来定义这些类型变量。通常，我们会将它们放在类型类的伴生对象中（这也是为什么有些人称类型类模式为 隐式对象 的原因）：
object Printer {
implicit val studentPrinter: Printer[StudentId] = new Printer[StudentId] {
def getString(a: StudentId): String = s"StudentId: ${a.id}"
}
implicit val staffPrinter: Printer[StaffId] = new Printer[StaffId] {
def getString(a: StaffId): String = s"StaffId: ${a.id}"
}
implicit val scorePrinter: Printer[Score] = new Printer[Score] {
def getString(a: Score): String = s"Score: ${a.s}%"
}
}
✅ 完成！以后每当我们需要支持新的类型时，只需在 Printer 的伴生对象中添加一个新的隐式值即可。
8. 总结
在本文中，我们探讨了函数式编程中的类型类模式在 Scala 中的实现方式。
类型类是一种非常强大的工具，它不仅提升了代码的可复用性，还能在不修改原有逻辑的前提下扩展功能，是 Scala 函数式编程的重要组成部分。
一如既往，本文中的示例代码可以在 GitHub 上找到。