shapeless 是一个类型相关的库，提供了很多有趣的功能。
本文介绍其中一个重要功能：自动派生 typeclass 实例。

Hlist

Shapeless 实现了 HList，不同于 Scala 标准库的 Tuple 的扁平结构，HList 是递归定义的，和标准库 List 类似。
HList 可以简单理解成每个元素类型可以不同 List

简化后的 HList

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sealed trait HList
case object HNil extends HNil
case class ::[+H, +T <: HList](head : H, tail : T) extends HList

很容易看出 HList 可以对应到任意 case class，例如

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case class Foo(a: Int, b: String, c: Boolean)
Int :: String :: Boolean :: HNil

而 shapeless 也提供 Generic 对象实现任意 case class 实例和对应的 HList 之间的转换。

Generic 对象

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trait Generic[T] extends Serializable {
  def to(t : T) : Repr
  def from(r : Repr) : T
}
object Generic {
  type Aux[T, Repr0] = Generic[T] { type Repr = Repr0 }
  ...
}

Miles 设计这个对象不局限于 case class，只是很松散的定义 T 和 Repr 之间互相转换方法。
很多人可能疑惑这个方法为什么不设计成两个类型参数 Generic[A, B]，这实际上是为了使用 Generic.Aux 绕过编译器限制。
具体可以查看此处

case class 和 HList 互相转换

由于 HList 和 case class 可以一一对应，所以我们很容易想到

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Generic.Aux[Foo, Int :: String :: Boolean :: HNil]

这样的 Generic 对象就可以实现 Foo 和 Int :: String :: Boolean :: HNil 之间的相互转换。
而且 shapeless 会自动使用 macro 生成这样的 Generic 对象

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scala> case class Foo(a: Int, b: String, c: Boolean)
defined class Foo
scala> Generic[Foo]
res0: shapeless.Generic[Foo]{type Repr = shapeless.::[Int,shapeless.::[String,shapeless.::[Boolean,shapeless.HNil]]]} = anon$macro$4$1@42db6e8e

自动派生 typeclass 实例

现在假设我们要设计一个 typeclass

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trait Show[A] {
  def show(a: A): String
}

其功能是可以将任意 case class 实例显示成字符串。为了简化问题，我们定义以下显示规则。

  • Int 类型直接显示为数值
  • Boolean 类型直接显示为 true 或 false
  • String 类型用引号包围，例如 "str"
  • case class 显示为 [] 包围的属性列表，属性之间逗号隔开 [field1, field2, field3...]

我们很容易实现基本类型的 Show 实例

基本类型 Show 实例

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implicit val intShow: Show[Int] = new Show[Int] {
  def show(a: Int) = a.toString
}
implicit val stringShow: Show[String] = new Show[String] {
  def show(a: String) = "\"" + a + "\""
}
implicit val booleanShow: Show[Boolean] = new Show[Boolean] {
  def show(a: Boolean) = if(a) "true" else "false"
}

现在来看看如何派生任意 case class 的 Show 实例。当然我们可以通过反射或者 macro 实现，这里我们展示 shapeless 如何利用 scala 编译器自动推导出需要实例

任意 case class 的 Show 实例

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implicit val hnilShow: Show[HNil] = new Show[HNil] {
  def show(a: HNil) = ""
}
implicit def hlistShow[H, T <: HList](
  implicit hs: Show[H],
           ts: Show[T]
): Show[H :: T] = new Show[H :: T]{
  def show(a: H :: T) = hs.show(a.head) + "," + ts.show(a.tail)
}
implicit def caseClassShow[A, R <: HList](
 implicit    gen: Generic.Aux[A, R],
 hlistShow: Show[R]
): Show[A] = new Show[A] {
  def show(a: A) = hlistShow.show(gen.to(a))
}
implicitly[Show[Foo]]

编译器自动推导出 Show[Foo] 的过程如下


编译器自动推导过程

Shapeless 巧妙的利用编译器自动推导功能，推导出了任意 case class 对象的 Show 实例。
整个过程虽然理解起来很复杂，但规则却意外的简单：编译器自动推导。
这样实例派生过程就转化成了 Generic 对象和对应 HList 的 typeclass 派生。

当然，现实应用过程中，我们经常需要属性名和递归以及嵌套定义情况，本文中的实现不支持这些场景，后续文章中，我会介绍这些情况处理。