深入了解golang中的的泛型（Generic）

本篇文章给大家带来的内容是介绍深入理解golang中的泛型？泛型怎么使用？有一定的参考价值，有需要的朋友可以参考一下，希望对你们有所助。

什么是泛型

泛型（Generic）是一种编程技术。在强类型语言中, 允许编写代码时使用以后才指定的类型, 在实例化时指定对应的类型。

在泛型中，可以使用类型参数来代替具体的数据类型。这些类型参数可以在类、方法或接口中声明，并且可以在这些声明中使用。使用泛型的代码可以在运行时指定实际的类型参数, 这使得代码可以适用于多种不同类型的数据。

泛型可以提高代码的可读性、可维护性和可重用性。它可以减少代码的冗余程度, 并且可以提供更好的类型安全性和编译时类型检查。

我们通过一个具体的例子来解释一下为什么泛型可以减少代码的冗余：

提供一个函数, 返回 a, b 的最小值, 我们需要每一种特定的数据类型「int, float...」写一个函数; 或者使用 interface{}「需要对参数进行类型断言, 对运行性能有影响, 且无法约束传入的参数」

func minInt(a, b int) int {
    if a > b {
        return b
    }
    return a
}

func minFloat(a, b float64) float64 {
    if a > b {
        return b
    }
    return a
}

func minItf(a, b interface{}) interface{} {
    switch a.(type) {
    case int:
        switch b.(type) {
        case int:
            if a.(int) > b.(int) {
                return b
            }
            return a
        }
    case float64:
        switch b.(type) {
        case float64:
            if a.(float64) > b.(float64) {
                return b
            }
            return a
        }
    }
    return nil
}

从上面的方法我们可以看出, minInt 和 minFloat 除了参数与返回结果的类型不同之外, 其余代码均相同。那有没有一种方式可以不指定特定的类型, 在函数调用的时候再确定传入的类型？这里就引入一个概念叫泛型, 可以简单理解为宽泛的类型或者未指定具体类型。通过引入泛型, 我们就无需再指定具体的数据类型, min 函数就可以使用下面的方式：

// T 为类型参数, 在调用时确定参数的具体值, 可以为 int, 也可以为 float64；它与 a, b 一样也是参数, 需要调用时传入具体的值；不同的是，T 为类型参数，值为具体的类型, a,b 为函数参数，值为具体类型对应的值
func minIntAndFloat64[T int | float64](a, b T) T { 
    if a < b {
        return a
    }
    return b
}

minIntAndFloat64[int](1, 2) // 实例化/调用时指定具体的类型

go 中的泛型

go 在 1.8 版本中才引入了泛型。如果你的 go 版本低于 1.8, 那是无法使用泛型的。本文中的代码使用的版本为 1.9。在 1.8 版本中, 为支持泛型, 做了大量的改动。

在函数和类型声明中引入了类型参数
可以通过接口定义类型的集合, 包括没有方法的类型
类型推导, 部分场景中会对类型参数进行推导, 可以在调用函数时不指定类型参数的值

形参、实参、类型参数、类型实参、实例化

先看一个普通的 add 函数。add 为函数名, x, y 为形参, (x,y int)为参数列表。发生函数调用时, add(2, 3) 2, 3 为实参。

类比到泛型中, 我们需要一个类型参数, 当发生函数调用时传入对应的类型实参, 带有类型参数的函数叫做泛型函数。[T int | int64] 为类型参数列表, T 为类型参数, int | int64 为类型集合/类型约束。当发生函数调用时 add[int](2,3),int 即为类型实参, 这一调用我们也叫做实例化, 即确定类型实参。

在结构体声明时, 也可以指定类型参数。MyStruct[T] 是一个泛型结构体, 可以为泛型结构体定义方法。

类型集合、接口

在基础类型中, uint8 表示 0~255 的集合。那么对于类型参数, 也需要像基础类型一样, 定义类型的集合。在上面的例子中 int | string就是类型的集合。那么如何对类型的集合进行复用呢？这里就使用了接口来进行定义。下面就是一个类型集合的定义。因此, 我们可以定义一个泛型函数 add[T Signed](x, y T) T

在 go 1.8 之前, 接口的定义是方法的集合, 即实现了接口对应的方法, 就可以转换为对应的接口。在下面的例子中, MyInt 类型实现了 Add 方法, 因此可以转换为 MyInterface。

type MyInterface interface {
    Add(x, y int) int
}

type MyInt int

func (mi myInt) Add(x, y int) int {
    return x + y
}

func main() {
    var mi MyInterface = myInt(1)
    fmt.Println(mi.Add(1, 2))
}

如果我们换个角度来思考一下, MyInterface 可以看作一个类型集合, 即包含了所有实现 add 方法的类型。那么, MyInterface 就可以作为类型集合使用。例如, 我们可以定义如下泛型函数。

func I[T MyInterface](x, y int, i T) int {
    return i.Add(x, y)
}

在泛型中, 我们的类型集合不仅仅是实现接口中定义方法的类型, 还需要包含基础的类型。因此, 我们可以对接口的定义进行延伸, 使其支持基础类型。为了保证向前兼容, 我们需要对接口类型进行分类：

基础接口类型

只包含方法的集合, 既可以当作类型集合, 又可以作为数据类型进行声明。如下面的 MyInterface。还有一个特殊的接口类型 interface{}, 它可以用来表示任意类型, 即所有的类型都实现了它的空方法。在 1.8 之后可以使用 any 进行声明。

type any = interface{}

type MyInterface interface {
    Add(x, y int) int
    String() string
    String() string  // 非法: String 不能重复声明
    _(x int)         // 非法: 必须要有一个非空的名字
}

接口组合

可以通过接口组合的形式声明新的接口, 从而尽可能的复用接口。从下面的例子可以看出, ReadWriter是 Reader 和 Write 的类型集合的交集。

type Reader interface {
        Read(p []byte) (n int, err error)
        Close() error
}

type Writer interface {
        Write(p []byte) (n int, err error)
        Close() error
}

// ReadWriter&#39;s methods are Read, Write, and Close.
type ReadWriter interface {
        Reader  // includes methods of Reader in ReadWriter&#39;s method set
        Writer  // includes methods of Writer in ReadWriter&#39;s method set
}

通用接口

上面说的接口都必须要实现具体的方法, 但是类型集合中无法包含基础的数据类型。如: int, float, string...。通过下面的定义, 可以用来表示包含基础数据类型的类型集合。在 golang.org/x/exp/constraints 中定义了基础数据类型的集合。我们可以看到 ～ 符号, 它表示包含潜在类型为 int | int8 | int16 | int32 | int64 的类型, | 表示取并集。Singed 就表示所有类型为 int 的类型集合。

// Signed is a constraint that permits any signed integer type.
// If future releases of Go add new predeclared signed integer types,
// this constraint will be modified to include them.
type Signed interface {
     ~int | ~int8 | ~int16 | ~int32 | ~int64
}

type myInt int // 潜在类型为 int

func add[T constraints.Integer](x, y T) T {
        return x + y
}

func main() {
        var x, y myInt = 1, 2
        fmt.Println(add[myInt](x, y))
}

下面来看一些特殊的定义

// 潜在类型为 int, 并且实现了 String 方法的类型
type E interface {
    ~int
    String() string
}

type mInt int // 属于 E 的类型集合
func (m mInt) String() string {
    return fmt.Sprintf("%v", m)
}

// 潜在类型必须是自己真实的类型
type F interface {
    ~int
    // ~mInt  invalid use of ~ (underlying type of mInt is int)
    // ~error illegal: error is an interface
}

// 基础接口可以作为形参和类型参数类型, 通用类型只能作为类型参数类型, E 只能出现在类型参数中 [T E]
var x E                    // illegal: cannot use type E outside a type constraint: interface contains type constraints
var x interface{} = E(nil) // illegal: cannot use interface E in conversion (contains specific type constraints or is comparable)

类型推导

由于泛型使用了类型参数, 因此在实例化泛型时我们需要指定类型实参。看下面的 case, 我们在调用函数的时候并没有指定类型实参, 这里是编译器进行了类型推导, 推导出类型实参, 不需要显性的传入。

func add[T constraints.Integer](x, y T) T {
    return x + y
}

func main() {
    fmt.Println(add(1, 1)) // add[int](1,1)
}

有时候, 编译器无法推导出具体类型。则需要指定类型, 或者更换写法, 也许可以推断出具体类型。

// 将切片中的值扩大
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
}

func ScaleAndPrint(p Point) {
    r := Scale(p, 2)
    r.string() // 非法, Scale 返回的是 []int32
}

type Point []int32

func (p Point) string() {
    fmt.Println(p)
}

// 方法更新，这样传入的是 Point 返回的也是 Point
func Scale[T ~[]E, E constraints.Integer](s T, c E) T {
    r := make([]E, len(s))
    for i, v := range s {
        r[i] = v * c
    }
    return r
}

泛型的使用

go 是在 1.8 版本中开始引入泛型的。下面主要介绍一下什么时候使用泛型：

内置容器类型

在 go 中, 提供以下容器类型：map, slice, channel。当我们用到容器类型时, 且逻辑与容器具体的类型无关, 这个时候可以考虑泛型。这样我们可以在调用时指定具体的类型实参, 从而避免了类型断言。例如,下面的例子, 返回 map 中的 key。

// comparable 是一个内置类型, 只能用于对类型参数的约束。在 map 中, key 必须是可比较类型。
func GetKeys[K comparable, V any](m map[K]V) []K {
    res := make([]K, 0, len(m))
    for k := range m {
        res = append(res, k)
    }
    return res
}

通用的结构体

对于一些通用的结构体, 我们应该使用泛型。例如, 栈、队列、树结构。这些都是比较通用的结构体, 且逻辑都与具体的类型无关, 因此需要使用泛型。下面是一个栈的例子：

type Stack[T any] []T

func (s *Stack[T]) Push(item T) {
    *s = append(*s, item)
}

func (s *Stack[T]) Pop() T {
    if len(*s) == 0 {
        panic("can not pop item in emply stack")
    }
    lastIndex := len(*s) - 1
    item := (*s)[lastIndex]
    *s = (*s)[:lastIndex]
    return item
}

func main() {
    var s Stack[int]
    s.Push(9)
    fmt.Println(s.Pop())
    s.Push(9)
    s.Push(8)
    fmt.Println(s.Pop(), s.Pop())
}

通用的函数

有些类型会实现相同的方法, 但是对于这些类型的处理逻辑又与具体类型的实现无关。例如: 两个数比大小, 只要实现 Ordered 接口即可进行大小比较:

func Min[T constraints.Ordered](x, y T) T {
    if x < y {
        return x
    }

    return y
}

func main() {
    fmt.Println(Min(5, 6))
    fmt.Println(Min(6.6, 9.9))
}

总结

go 在引入泛型算是一次较大的改动。我们只有弄清楚类型参数、类型约束、类型集合、基础接口、通用接口、泛型函数、泛型类型、泛型接口等概念, 才能不会困惑。核心改动点还是引入了类型参数, 使用接口来定义类型集合。

当然，也不能为了使用泛型而使用泛型。还是要具体的 case 具体来分析。简单的指导原则就是, 当你发现你的代码除了类型不同外, 其余代码逻辑都相同; 或者你写了许多重复代码, 仅仅是为了支持不同类型; 那么你可以考虑使用泛型。

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