手摸手Go 接口与反射

Go是强类型/静态类型语言，每个变量在编译时就已经确定是哪种静态类型。反射(reflection)是程序在运行时可以访问、检测、修改自身状态或行为的一种能力。在Java出现后迅速流行起来的概念，Go也提供了这种在运行时更新、检查变量值、调用变量的方法和变量支持的内在操作的机制,一定程度上弥补了静态语言在动态行为上的不足。

正常来讲，程序在编译时会将变量转换为内存地址，变量名不会被编译器写入可执行部分，那么运行时程序就无法获取自身的信息。支持反射的语言则需要在程序编译期将变量的反射信息，如字段名、类型信息、结构体信息等整合到可执行文件中，并给程序提供接口访问反射信息。这样程序运行时即可获取类型的反射信息，并有能力操作修改它。

反射是把双刃剑，虽然代码更加灵活了但是

  • 代码阅读起来也困难了
  • 一定程度上破坏了静态类型语言的编译期检查 运行时会有panic风险
  • 降低了系统性能

我们为什么需要反射？

  1. 无法预定义参数类型
  2. 函数需要根据入参来动态执行

需要注意的是：Go中只有接口类型才可以反射，而反射又是建立在类型系统之上，so我们先来复习下类型与接口的知识

类型

Go是静态类型语言。每个变量都有一个静态类型，编译时就已经确定的类型:int、float32、*MyType、[]byte等等

type MyInt int

var i int
var j MyInt

上面的栗子中，i与j具有不同的静态类型（i是int类型，j为MyInt类型），尽管他们的基础类型都是int，但是他们之间不经过转换无法相互赋值。

类型的一个重要类别是接口类型，接口可以存储任何非接口的具体值，只要该值实现了接口方法即可。

接口

接口是多个方法声明的集合，侧重于做什么，不关系怎么做 谁来做。它更像是一种调用契约或协议(protocol)。接口解除了类型依赖，屏蔽了方法实现细节，但接口的实现机制存在运行时开销。

Go的接口机制比较简洁，不像Java需要显示声明实现的接口，Go只要目标类型方法集中包含了接口声明的全部方法，就被称为实现了该接口，无须显示声明。

如果一个接口没有声明任何方法，那么就是一个空接口interface{}，类似Java的Object对象可以被赋值为任意类型的对象。但

Go语言的接口类型不是任意类型 只是任意类型可以通过类型转换成接口变量

接下来我们来看看接口的数据结构，总结起来接口结构如下:

interface structure

具体可以细分为

  • 不包含任何方法的接口interface{}
  • 包含一组方法的接口

Go语言使用runtime.eface表示不包含任何方法的接口，runtime.iface表示包含一组方法的接口。

  1. 不包含任何方法的接口
type eface struct {
    _type *_type
    data  unsafe.Pointer
}
eface
  1. 包含一组方法的接口
type iface struct {
    tab  *itab
    data unsafe.Pointer
}
type itab struct {
    inter *interfacetype
    _type *_type
    hash  uint32 // copy of _type.hash. Used for type switches.
    _     [4]byte
    fun   [1]uintptr // variable sized. fun[0]==0 means _type does not implement inter.
}
iface

可以看到不论空eface还是非空iface都包含了_type数据类型

type _type struct {
   size       uintptr //类型大小
   ptrdata    uintptr // 含有所有指针类型前缀大小
   hash       uint32 //类型hash值 避免在哈希表中计算
   tflag      tflag //额外类型信息标志
   align      uint8 // 类型变量对齐方式
   fieldalign uint8 // 类型结构字段对齐方式
   kind       uint8 // 类型种类
  alg        *typeAlg //存储hash和equal两个操作 map的key就是适用key的_type.alg.hash(k)获取的hash值
   // gcdata stores the GC type data for the garbage collector.
   // If the KindGCProg bit is set in kind, gcdata is a GC program.
   // Otherwise it is a ptrmask bitmap. See mbitmap.go for details.
   gcdata    *byte
   str       nameOff //类型名字的偏移
   ptrToThis typeOff
}

当然不同类型需要的描述是不一样的，大多是利用_type组合其他基础类型而成

接下来我们通过一个栗子拆解下接口内存中的结构究竟如何

type Animal interface {
    Say()
}

type Dog struct {
}

func (d *Dog) Say() {
    fmt.Println("wang wang")
}

//1
var animal Animal
dog := &Dog{}
//2
animal=dog
//3
var e interface{}
e = dog
  1. 初始化定义一个接口变量var animal Animal
iface init
  1. 将实现接口的对象赋值给接口变量animal=dog
iface full
  1. 定义一个空接口变量var e interface{}
empty
  1. 将实现接口的对象赋值给空接口变量e = dog
empty interface

至此，想必你应该了解了接口的数据结构及工作机制，接下来我们看看反射是如何工作的

反射

反射三大定律

1. Reflection goes from interface value to reflection object 接口数据-->反射对象

简单来说，反射是一种检查存储在接口变量中的类型和值的机制，reflect包定义了这两个重要的类型Type和Value，任意接口值在反射中都可以理解为由　reflect.Type和 reflect.Value两部分组成，可以通过reflect.TypeOf()和reflect.ValueOf()函数来获取任意对象的Type 和Value。

func TypeOf(i interface{}) Type
func ValueOf(i interface{}) Value
reflectTypeValue

举个栗子

 var x float64 = 3.4
 fmt.Println("type:", reflect.TypeOf(x))

你可能会迷惑,你不是说接口变量才支持反射的吗？别着急 我们来仔细看看reflect.TypeOf和reflect.ValueOf是如何实现的

func TypeOf(i interface{}) Type {
    eface := *(*emptyInterface)(unsafe.Pointer(&i))
    return toType(eface.typ)
}

func ValueOf(i interface{}) Value {
    if i == nil {
        return Value{}
    }
    escapes(i)
    return unpackEface(i)
}

很简单，当我们调用reflect.TypeOf(x)时，x已经存储进了一个空接口变量，reflect.TypeOf然后拆箱空接口变量获取类型信息。

reflect.TypeOf和reflect.ValueOf提供了大量的方法可以让我们检查和操作它们。

type Type interface {
    // 从内存中申请一个类型值时对齐的字节数.
    Align() int
    // 此类型作为结构体字段时对齐的字节数
    FieldAlign() int
  //获取类型的指定函数信息
    Method(int) Method
 //通过方法名获取方法信息
    MethodByName(string) (Method, bool)
    //该类型可导出方法数量
    NumMethod() int
  // 返回包中定义类型的名称 为定义类型返回空字符串
    Name() string
    // 返回类型的包路径即唯一标识包的路径 如“encoding/base64”
  // 预定义类型、未定义类型、[]int返回空字符串
    PkgPath() string
  // 返回存储该类型值需要的字节数 类似unsafe.Sizeof
    Size() uintptr
  // 返回该类型的字符串表示形式。
    String() string
    // 返回类型的特定种类
    Kind() Kind
    // 判断该类型是否实现了u类型的接口
    Implements(u Type) bool
    // 判断该类型是否可赋值给u类型
    AssignableTo(u Type) bool
    // 判断该类型是否可转换为u类型
    ConvertibleTo(u Type) bool
    // 判断该类型的值是否可比较
    Comparable() bool
    // 方法仅适用于某些类型
    // 取决于具体类型
    //  Int*, Uint*, Float*, Complex*: Bits
    //  Array: Elem, Len
    //  Chan: ChanDir, Elem
    //  Func: In, NumIn, Out, NumOut, IsVariadic.
    //  Map: Key, Elem
    //  Ptr: Elem
    //  Slice: Elem
    //  Struct: Field, FieldByIndex, FieldByName, FieldByNameFunc, NumField

    // 返回类型占用的bit值
    //非 sized or unsized Int, Uint, Float, or Complex 会panic
    Bits() int
    // 返回channel类型 非chan类型panic
    ChanDir() ChanDir
  // 判断函数是否有可变参数 非函数类型会panic
    IsVariadic() bool
    // 返回元素类型
    // 非 Array, Chan, Map, Ptr, or Slice会panic
    Elem() Type
    // It panics if the type's Kind is not Struct.
    // It panics if i is not in the range [0, NumField()).
  // 返回结构体类型第i个字段
    Field(i int) StructField
    // 等价于Field（i）
    // It panics if the type's Kind is not Struct.
    FieldByIndex(index []int) StructField
    // 根据名字返回字段信息
    // and a boolean indicating if the field was found.
    FieldByName(name string) (StructField, bool)
  //利用函数查找字段名符合条件的字段信息 使用广度优先的策略 如果发现多个匹配则不返回匹配项
    FieldByNameFunc(match func(string) bool) (StructField, bool)
    // It panics if the type's Kind is not Func.
    // It panics if i is not in the range [0, NumIn()).
  // 返回函数第i个入参
    In(i int) Type
    // It panics if the type's Kind is not Map.
  // 返回map的key类型
    Key() Type
    // It panics if the type's Kind is not Array.
  // 返回数组类型的长度
    Len() int
    // It panics if the type's Kind is not Struct.
  // 返回结构体类型字段数量
    NumField() int
    // It panics if the type's Kind is not Func.
  // 返回函数类型入参数量
    NumIn() int
    // It panics if the type's Kind is not Func.
  // 返回函数类型出参数量
    NumOut() int
    // It panics if the type's Kind is not Func.
    // It panics if i is not in the range [0, NumOut()).
  // 返回函数类型第i个出参
    Out(i int) Type

    common() *rtype
    uncommon() *uncommonType
}

Value

type Value struct {
    // typ 包含由Value表示值的类型
    typ *rtype
    // 指针值数据，如果设置flagIndir则指向数据
    // 当设置flagIndir或typ.pointers()为true时有效
    ptr unsafe.Pointer

    // flag保存有关值的元数据
    // 最低位是flag标志位：
    //  - flagStickyRO: 通过未导出未嵌入的字段获取 故只读
    //  - flagEmbedRO: 通过未导出嵌入字段获取故只读
    //  - flagIndir: val保存指向数据的指针
    //  - flagAddr: v.CanAddr 为 true (表示 flagIndir)
    //  - flagMethod: v 为方法值
    // 接下来的5位给出值的类型
    // 重复typ.Kind() 方法值除外.
    // 剩余23+位给方法值的方法编号
    // 如果flag.kind() != Func, 代码可假定未设置flagMethod
    // 如果ifaceIndir(typ), 代码可假设设置了flagIndir
    flag
}

2. Reflection goes from reflection object to interface value 反射对象 -->接口数据

像物理反射一样，Go的反射也会生成自己的逆。给出一个reflect.Value我们可以使用Interface()方法获取接口的值。实际上就是将该类型和值信息打包成接口表示形式并返回。

// Interface returns v's value as an interface{}.
func (v Value) Interface() interface{}

例如：

y := v.Interface().(float64) // y will have type float64.
fmt.Println(y)
reflect3

当然reflect.Value通过Value.Type()也可以直接获取reflect.Type

reflect2

3. To modify a reflection object,the value must be settable 若数据可修改 可通过反射对象来修改它

我们先来看个栗子：

    var a float64
    fmt.Println(a)
    va := reflect.ValueOf(a)
  va.SetFloat(11) 
    fmt.Println(a)

输出：

panic: using unaddressable value

为何？看似操作没问题。其实仔细想想，Go是值传递va := reflect.ValueOf(a)中我们相当于传递了a的拷贝给了reflect.ValueOf，因此即使va.SetFloat(11)修改成功了也无法到达修改a原始值的目的，故而利用这种Type是否CanSet来避免这种问题。正确做法

  • 首先根据变量地址获取reflect.Value即 va := reflect.ValueOf(&a)
  • va.SetFloat(11)此时依然无法成功 因为此时的va仍然是一个拷贝值，如若修改需要使用va.Elem()获取*va 
    var a float64
    fmt.Println(a)
    va := reflect.ValueOf(&a)
  va.Elem().SetFloat(11) 
    fmt.Println(a) // 11

反射的应用

反射广泛应用在对象序列化，fmt相关的函数以及ORM(Object Relational Mapping)等等

例如：JSON序列化

Go内置的Json序列化提供了两个方法

func Marshal(v interface{}) ([]byte, error) 
func Unmarshal(data []byte, v interface{}) error

序列化和反序列化参数中都有interface{}类型的变量，所以当我们调用这个函数时需要使用reflect包中的方法后期参数的reflect.Value和reflect.Type，进而调用其get、set方法。

序列化

func newTypeEncoder(t reflect.Type, allowAddr bool) encoderFunc {
    ......

    switch t.Kind() {
    case reflect.Bool:
        return boolEncoder
    case reflect.Int, reflect.Int8, reflect.Int16, reflect.Int32, reflect.Int64:
        return intEncoder
    case reflect.Uint, reflect.Uint8, reflect.Uint16, reflect.Uint32, reflect.Uint64, reflect.Uintptr:
        return uintEncoder
    case reflect.Float32:
        return float32Encoder
    case reflect.Float64:
        return float64Encoder
    case reflect.String:
        return stringEncoder
    case reflect.Interface:
        return interfaceEncoder
    case reflect.Struct:
        return newStructEncoder(t)
    case reflect.Map:
        return newMapEncoder(t)
    case reflect.Slice:
        return newSliceEncoder(t)
    case reflect.Array:
        return newArrayEncoder(t)
    case reflect.Ptr:
        return newPtrEncoder(t)
    default:
        return unsupportedTypeEncoder
    }
}
reflect json

总结

Go作为静态语言，相对于动态语言，在灵活性上受到某些限制。但是通过reflect包提供类似动态语言的功能，你可以运行时获取参数的Value和Type进而完成一些特定的需求。其转换关系如图

reflect4
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