快捷導(dǎo)航

一文帶你了解Golang中的泛型

更新時(shí)間：2023年07月28日 10:07:13 作者：Ted劉

泛型是一種可以編寫?yīng)毩⒂谑褂玫奶囟愋偷拇a的方法，可以通過編寫函數(shù)或類型來使用一組類型中的任何一個(gè)，下面就來和大家聊聊Golang中泛型的使用吧

自從2022年 Golang 1.18 發(fā)布至今已有一年多了，在1.18版本中增加了非常重磅的一個(gè)功能，那就是泛型！Golang官方也對(duì)泛型格外重視：
“Generics are the biggest change we’ve made to Go since the first open source release”（泛型是自第一個(gè)開源版本以來我們對(duì) Go 所做的最大改變）

然而由于平時(shí)工作項(xiàng)目所用Go版本較為古老，一直沒有大范圍應(yīng)用泛型這個(gè)特性，雖然之前剛發(fā)布時(shí)就了解學(xué)習(xí)過，但是也有些模糊了，這里還是希望能夠記錄一下Golang泛型，以備后續(xù)參考，我講基于Golang官方文檔、博客、youtube演講等來進(jìn)行學(xué)習(xí)。

什么是泛型

泛型是一種可以編寫?yīng)毩⒂谑褂玫奶囟愋偷拇a的方法，可以通過編寫函數(shù)或類型來使用一組類型中的任何一個(gè)。泛型為Golang增添了三個(gè)重要功能：

函數(shù)和類型的類型參數(shù)
將接口類型定義為類型集，包括沒有方法的類型。也就是我們可以定義類型集和方法集
類型推斷，允許函數(shù)調(diào)用時(shí)省略類型參數(shù)

我們從類型參數(shù)開始逐步了解

類型參數(shù) Type parameters

類型參數(shù)讓我們可以參數(shù)化函數(shù)或者具有類型的類型，與普通的參數(shù)列表類似，類型參數(shù)使用方括號(hào)來表示

函數(shù)中使用類型參數(shù)

這里有一個(gè)常見的取最小值函數(shù)，我們經(jīng)常會(huì)在代碼中寫（新版的Golang官方庫(kù)已經(jīng)支持了max以及min）：

func Min(x, y float64) float64 {
    if x < y {
        return x
    }
    return y
}

我們可以通過類型參數(shù)來替換 float64 類型來使這個(gè)函數(shù)更加通用，讓這個(gè)函數(shù)不僅僅適用于 float64 類型，可以這樣來做：

import "golang.org/x/exp/constraints"
func Min[T constraints.Ordered](x, y T) T {
    if x < y {
        return x
    }
    return y
}
m := Min[int](2, 3)

在這里我們使用了類型參數(shù) T 來替換 float64 類型使得函數(shù)通用，由于 T 是一個(gè)新的類型，所以我們要在 [] 中聲明它。

函數(shù)定義好后，與普通的函數(shù)調(diào)用類似，我們需要傳入函數(shù)的實(shí)參以及創(chuàng)建一個(gè)接收值來接受函數(shù)實(shí)際返回的結(jié)果，不同的是，我們需要在 [] 傳入具體的類型值，向函數(shù)提供類型參數(shù) int 成為實(shí)例化。

實(shí)例化將會(huì)分兩步進(jìn)行：

編譯器將整個(gè)泛型函數(shù)或類型中的所有類型實(shí)參進(jìn)行替換
編譯器驗(yàn)證每個(gè)類型參數(shù)是否滿足了各自的約束

如果編譯器在第二步執(zhí)行失敗，實(shí)例化就會(huì)失敗且程序會(huì)fail。

我們也可以直接傳入類型參數(shù)來實(shí)例化函數(shù)，而不需要傳入具體實(shí)參進(jìn)行實(shí)際調(diào)用，實(shí)例化過后我們就可以像普通函數(shù)調(diào)用一樣來調(diào)用這個(gè)實(shí)例化過后的函數(shù)了：

fmin := Min[float64]
m := fmin(2.71, 3.14)

類型中使用類型參數(shù)

前面是一個(gè)函數(shù)中使用類型參數(shù)的例子，還有一個(gè)在類型中使用類型參數(shù)的例子：

type Tree[T interface{}] struct {
    left, right *Tree[T]
    value       T
}
func (t *Tree[T]) Lookup(x T) *Tree[T] { ... }
var stringTree Tree[string]

這是一個(gè)通用的二叉樹類型定義，我們?cè)俅尾捎昧祟愋蛥?shù) T 來作為一個(gè)通用性的數(shù)據(jù)類型，這里定義了類型 Tree[T] 同時(shí)定義了它所具有的方法 Lookup(x T) *Tree[T]。

最后一行通過 var 對(duì)變量 stringTree 做了一次實(shí)例化，傳入?yún)?shù)類型為 string

類型集

func min(x,y float64)float64
func Gmin[T constraints.Ordered](x, y T) T

普通函數(shù) min() 每個(gè)參數(shù)值都有一個(gè)類型，例如min函數(shù)中，限定了 x，y 及返回值只有在 float64 類型時(shí)才有效；而函數(shù) Gmin() 類型參數(shù)列表中每個(gè)類型參數(shù)都有一個(gè)類型，由于類型參數(shù)本身就是一種類型，因此類型參數(shù)的類型定義了類型集，這種元類型告訴了我們那些類型對(duì)該參數(shù)類型有效，因此這個(gè)元類型實(shí)際定義了類型集，我們可以稱之為類型約束。

在 Gmin() 中，類型越是是從約束包中導(dǎo)入的，這個(gè)包也是 Golang 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中新增的包。這個(gè)Ordered約束描述了具有可排序值的所有類型的集合，或者換句話說，約束了能夠使用 < 運(yùn)算符（或 <= 、 > 等）進(jìn)行比較的類型范圍。所以只有具有可排序值的類型才能傳遞給GMin，在GMin函數(shù)體中，該類型參數(shù)的值可以用于與 < 等運(yùn)算符進(jìn)行比較。

接口類型定義為類型集 Type sets define by interface

在Golang中的類型約束必須是接口，接口類型可以用作值類型，也可以用作元類型。接口定義了方法，所以我們可以選擇需要存在某些方法的類型約束。但是在例子中的constraints.Ordered也是一個(gè)接口類型，并且 < 運(yùn)算符也并不是一個(gè)方法，那它是如何工作的呢？

在Golang的規(guī)范中，如果我們有一個(gè)接口定義了一組方法，帶有方法 a b c，那我們就可以說接口定義了一個(gè)帶有方法 a b c 的方法集，實(shí)現(xiàn)了這些方法的每個(gè)類型也就實(shí)現(xiàn)了該接口。如圖所示，類型 P Q R 都實(shí)現(xiàn)了接口

我們可以換個(gè)角度來看待這個(gè)規(guī)范，那就是接口定義了一組類型，這些類型都要具有接口中的方法。從這個(gè)角度來看，每個(gè)接口方法集都可以延伸出無限的類型，作為接口類型集元素的任何類型都實(shí)現(xiàn)該接口。要檢查某一類型是否實(shí)現(xiàn)了接口，僅需檢查該類型是否是該類型集的元素。

通過視角的轉(zhuǎn)換，就我們的目的而言，類型集視圖比方法集視圖有一個(gè)優(yōu)勢(shì)：我們可以顯式地將類型添加到集合中，從而以新的方式控制類型集。

Golang通過對(duì)接口類型語(yǔ)法的擴(kuò)展來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。在下面的示例中，我們有一個(gè)具有int\string\bool三種類型的接口示例，并且該接口定義了這三種類型的集合

實(shí)際聲明的constraints.Ordered：

package constraints
type Ordered interface {
    Integer|Float|~string
}

這表明，Ordered接口是所有 int\float\string 類型的集合，豎線"|"表示這些類型的聯(lián)合（類型集）。Ordered接口沒有定義任何方法。"~"表示我們接受任意的基礎(chǔ)類型為string的類型集，包括類型string本身以及使用定義聲明的所有類型，例如type MyString string

我們?nèi)绻朐诮涌谥幸?guī)定方法，那么仍然是向后兼容的，在1.18版本后，接口可以像之前一樣包含方法或嵌入接口，同時(shí)我們也可以嵌入非接口類型、聯(lián)合和底層類型集。

用作約束的接口可以指定名稱（例如Order），也可以是內(nèi)聯(lián)在類型參數(shù)列表中的接口，例如：

[S interface{~[]E}, E interface{}]

這里類型參數(shù)列表中有兩個(gè)類型參數(shù)，分別是 S 和 E，S定義的是一個(gè)切片類型的類型參數(shù)，其元素類型可以是任何類型，由于 interface{} 在約束時(shí)可以省略封裝，因此可以簡(jiǎn)單寫為：

[S ~[]E, E interface{}]
// Go1.18中引入的any即為interface{}: interface{} => any
[S ~[]E, E any]

作為類型集的接口是一種新機(jī)制，是Go中類型約束的關(guān)鍵。

類型推斷 type inference

函數(shù)參數(shù)類型推斷

有了類型參數(shù)，就需要傳遞類型參數(shù)，這可能會(huì)導(dǎo)致代碼冗長(zhǎng)

func GMin[T constraints.Ordered](x, y T) T { ... }
var a, b, m float64
m = GMin[float64](a, b) // explicit type argument

這里我們指定了實(shí)例化的參數(shù)類型 float64，實(shí)際上，編譯器可以從實(shí)參推斷出類型參數(shù)，這樣可以使代碼更為簡(jiǎn)潔清晰：

var a, b, m float64
m = GMin(a, b) // no type argument

這種從函數(shù)參數(shù)的類型推斷出參數(shù)類型的推斷稱為函數(shù)參數(shù)類型推斷。如果推斷成功，函數(shù)就和普通函數(shù)一樣正常使用，如果不成功，編譯器會(huì)報(bào)錯(cuò)，我們還是需要指定類型。

函數(shù)參數(shù)類型推斷僅適用于在函數(shù)參數(shù)中使用的類型參數(shù)，不適用于在函數(shù)結(jié)果或僅在函數(shù)體中使用的類型參數(shù)。

約束類型推斷

從一個(gè)整數(shù)切片的縮放示例看起：

// Scale returns a copy of s with each element multiplied by c.
// This implementation has a problem, as we will see.
func Scale[E constraints.Integer](s []E, c E) []E {
    r := make([]E, len(s))
    for i, v := range s {
        r[i] = v * c
    }
    return r
}

這個(gè)函數(shù)適用于所有整數(shù)類型的切片，看起來和之前的沒有什么不同，但是存在一個(gè)問題，讓我們繼續(xù)揭開這個(gè)問題：

假設(shè)我們有一個(gè) Point 類型，它是一個(gè) int32 類型元素的切片，同時(shí)他具有自己的一個(gè)方法 String():

type Point []int32
func (p Point) String() string {
    // Details not important.
}

這時(shí)候我們想要去放大 Point 為2倍，我們可以調(diào)用 Scale 函數(shù)：

// ScaleAndPrint doubles a Point and prints it.
func ScaleAndPrint(p Point) {
    r := Scale(p, 2)
    fmt.Println(r.String()) // DOES NOT COMPILE
}

看起來沒有什么問題，但是編譯就會(huì)報(bào)錯(cuò)。

問題在于，調(diào)用 Scale() 函數(shù)后，會(huì)返回一個(gè) []E 類型的值，由于傳入的實(shí)參類型為 int32，因此函數(shù)的實(shí)際返回值為 []int32 而不是 Point，而 []int32 類型不具有其他方法。為了解決這個(gè)問題，我們要這樣做：

// Scale returns a copy of s with each element multiplied by c.
func Scale[S ~[]E, E constraints.Integer](s S, c E) S {
    r := make(S, len(s))
    for i, v := range s {
        r[i] = v * c
    }
    return r
}

通過引入新的參數(shù)類型 S 及約束，使得返回值類型為 S 而不是 []E，函數(shù)唯一的變化為，在實(shí)際調(diào)用時(shí)傳遞 S 而不是 []E，同樣返回值會(huì)返回 type Point。

這里也就引出了約束類型推斷的概念，也就是說，我們無需通過指定約束類型來實(shí)例化調(diào)用函數(shù)，類似于：