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介绍:重点介绍go语言的高级功能,比如interface、 reflection、goroutine、concurrency、memory model、testing、functional、toolchains等.

Go语言反射三定律

2016-08-07 00:03 Oscar 译

简介

Reflection(反射)在计算机中表示 程序能够检查自身结构的能力,尤其是类型。它是元编程的一种形式,也是最容易让人迷惑的一部分。

阅读建议

本文中,我们将解释Go语言中反射的运作机制。每个编程语言的反射模型不大相同,很多语言索性就不支持反射(C、C++)。


由于本文是介绍Go语言的,所以当我们谈到“反射”时,默认为是Go语言中的反射。


虽然Go语言没有继承的概念,但为了便于理解,如果一个struct A 实现了 interface B的所有方法时,我们称之为“继承”。

类型和接口

反射建立在类型系统之上,因此我们从类型基础知识说起。

 

Go是静态类型语言。每个变量都有且只有一个静态类型,在编译时就已经确定。比如 int、float32、*MyType、[]byte。 如果我们做出如下声明:

 

type MyInt int

var i int
var j MyInt

 

上面的代码中,变量 i 的类型是int,j 的类型是 MyInt。


所以,尽管变量 i 和 j 具有共同的底层类型 int,但它们的静态类型并不一样。


不经过类型转换直接相互赋值时,编译器会报错。


关于类型,一个重要的分类是 接口类型(interface),每个接口类型都代表固定的方法集合。


一个接口变量就可以存储(或“指向”,接口变量类似于指针)任何类型的具体值,只要这个值实现了该接口类型的所有方法。


一组广为人知的例子是io.Reader 和 io.Writer, Reader 和 Writer 类型来源于 io包,声明如下:

// Reader is the interface that wraps the basic Read method.
type Reader interface {
    Read(p []byte) (n int, err error)
}
 
// Writer is the interface that wraps the basic Write method.
type Writer interface {
    Write(p []byte) (n int, err error)
}

 

任何实现了 Read(Write)方法的类型,我们都称之为继承了io.Reader(io.Writer)接口。


换句话说, 一个类型为 io.Reader 的变量 可以指向(接口变量类似于指针)任何类型的变量,只要这个类型实现了Read 方法:

var r io.Reader
r = os.Stdin
r = bufio.NewReader(r)
r = new(bytes.Buffer)
// and so on


要时刻牢记:不管变量 r 指向的具体值是什么,它的类型永远是 io.Reader。


再重复一次:Go语言是静态类型语言,变量 r 的静态类型是 io.Reader。

 

一个非常非常重要的接口类型是空接口,即:

interface{}

它代表一个空集,没有任何方法。


由于任何具体的值都有 零或更多个方法,因此类型为interface{}的变量能够存储任何值。

 

有人说,Go的接口是动态类型的。这个说法是错的!


接口变量也是静态类型的,它永远只有一个相同的静态类型。


如果在运行时它存储的值发生了变化,这个值也必须满足接口类型的方法集合。

 

由于反射和接口两者的关系很密切,我们必须澄清这一点。


接口类型变量的表示

Russ Cox 在2009年写了一篇文章介绍 Go中接口变量的表示形式,具体参考文章末尾的链接“Go语言接口的表示”。这里我们不需要重复所有的细节,只做一个简单的总结。

 

Interface变量存储一对值:赋给该变量的具体的值、值类型的描述符。


更准确来说,值就是实现该接口的底层数据,类型是底层数据类型的描述。举个例子:

var r io.Reader
tty, err := os.OpenFile("/dev/tty", os.O_RDWR, 0)
if err != nil {
    return nil, err
}
r = tty

 

在这个例子中,变量 r 在结构上包含一个 (value, type) 对:(tty, *os.File)。


注意:类型 *os.File 不仅仅实现了 Read 方法。


虽然接口变量只提供 Read 函数的调用权,但是底层的值包含了关于这个值的所有类型信息。


所以我们能够做这样的类型转换:

var w io.Writer
w = r.(io.Writer)

 

上面代码的第二行是一个类型断言,它断定变量 r 内部的实际值也继承了 io.Writer接口,所以才能被赋值给 w。


赋值之后,w 就指向了 (tty, *os.File) 对,和变量 r 指向的是同一个 (value, type) 对。


不管底层具体值的方法集有多大,由于接口的静态类型限制,接口变量只能调用特定的一些方法。

 

我们继续往下看:

var empty interface{}
empty = w

 

这里的空接口变量 empty 也包含(tty, *os.File) 对。


这很容易理解:空接口变量可以存储任何具体值以及该值的所有描述信息。

 

细心的朋友可能会发现,这里没有使用类型断言,因为变量 w 满足 空接口的所有方法(传说中的“无招胜有招”)。


在前一个例子中,我们把一个具体值从 io.Reader 转换为 io.Writer 时,需要显式的类型断言,是因为io.Writer 的方法集合 不是 io.Reader 的子集。

 

另外需要注意的一点是,(value, type) 对中的 type 必须是 具体的类型(struct或基本类型),不能是 接口类型。


接口类型存储的底层数据的 value 不能是接口类型的。

 

关于接口,我们就介绍到这里,下面我们看看Go语言的反射三定律。


-------------前方高能-------------

反射第一定律:反射可以将“接口类型变量”转换为“反射类型对象”

注:这里反射类型指 reflect.Type 和 reflect.Value。

 

从用法上来讲,反射提供了一种机制,允许程序在运行时检查接口变量内部存储的(value, type) 对。


在最开始,我们先了解下 reflect 包的两种类型:Type 和 Value。


这两种类型使访问接口内的数据成为可能。


它们对应两个简单的方法,分别是reflect.TypeOf reflect.ValueOf,分别用来读取接口变量的 reflect.Type 和 reflect.Value 部分。


当然,从reflect.Value 也很容易获取到 reflect.Type。目前我们先将它们分开。

 

首先,我们下看 reflect.TypeOf:

package main
 
import (
    "fmt"
    "reflect"
)

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

 

这段代码会打印出:

type: float64

 

你可能会疑惑:为什么没看到接口?


这段代码看起来只是把一个 float64类型的变量 x 传递给 reflect.TypeOf,并没有传递接口。


事实上,不管你看到或看不到,接口就在那里。


查阅一下TypeOf 的文档,你会发现 reflect.TypeOf 的函数签名里包含一个空接口:

// TypeOf returns the reflection Type of the value in the interface{}.
func TypeOf(i interface{}) Type

 

我们调用 reflect.TypeOf(x) 时,x 被存储在一个空接口变量中被传递过去; 然后reflect.TypeOf 对空接口变量进行拆解,恢复其类型信息。

 

函数 reflect.ValueOf 也会对底层的值进行恢复(这里我们忽略细节,只关注可执行的代码):

var x float64 = 3.4
fmt.Println("value:", reflect.ValueOf(x))

 

上面这段代码打印出:

value: <float64 Value>

 

类型 reflect.Type 和reflect.Value 都有很多方法,我们可以检查和使用它们。


这里我们举几个例子。类型 reflect.Value有一个方法 Type(),它会返回一个 reflect.Type类型的对象。


Type和 Value都有一个名为 Kind 的方法,它会返回一个常量,表示底层数据的类型,常见值有:Uint、Float64、Slice等。


Value类型也有一些类似于Int、Float的方法,用来提取底层的数据。


Int方法用来提取 int64, Float方法用来提取 float64,参考下面的代码:

var x float64 = 3.4
v := reflect.ValueOf(x)
fmt.Println("type:", v.Type())
fmt.Println("kind is float64:", v.Kind() == reflect.Float64)
fmt.Println("value:", v.Float())


上面的代码会打印出:

type: float64
kind is float64: true
value: 3.4


还有一些用来修改数据的方法,比如SetInt、SetFloat,在讨论它们之前,我们要先理解“可修改性”(settability),这一特性会在“反射第三定律”中进行详细说明。

 

反射库提供了很多值得列出来单独讨论的属性。


首先是介绍下Value 的 getter 和 setter 方法。


为了保证API 的精简,这两个方法操作的是某一组类型范围最大的那个。


比如,处理任何含符号整型数,都使用 int64。也就是说 Value 类型的Int 方法返回值为 int64类型,SetInt方法接收的参数类型也是 int64 类型。


实际使用时,可能需要转化为实际的类型:

var x uint8 = 'x'
v := reflect.ValueOf(x)
fmt.Println("type:", v.Type())                            // uint8.
fmt.Println("kind is uint8: ", v.Kind() == reflect.Uint8) // true.
x = uint8(v.Uint())                // v.Uint returns a uint64.


第二个属性是反射类型变量(reflection object)的 Kind 方法 会返回底层数据的类型,而不是静态类型。


如果一个反射类型对象包含一个用户定义的整型数,看代码:

type MyInt int
var x MyInt = 7
v := reflect.ValueOf(x)


上面的代码中,虽然变量 v 的静态类型是MyInt,不是 int,Kind 方法仍然返回 reflect.Int。


换句话说, Kind 方法不会像 Type 方法一样区分 MyInt 和int。

反射第二定律:反射可以将“反射类型对象”转换为“接口类型变量”

和物理学中的反射类似,Go语言中的反射也能创造自己反面类型的对象。

 

根据一个 reflect.Value 类型的变量,我们可以使用 Interface 方法恢复其接口类型的值。


事实上,这个方法会把 type 和 value 信息打包并填充到一个接口变量中,然后返回。其函数声明如下:

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

 

然后,我们可以通过断言,恢复底层的具体值:

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

 

上面这段代码会打印出一个 float64 类型的值,也就是 反射类型变量 v 所代表的值。

 

事实上,我们可以更好地利用这一特性。


标准库中的 fmt.Println 和fmt.Printf 等函数都接收空接口变量作为参数,fmt 包内部会对接口变量进行拆包(前面的例子中,我们也做过类似的操作)。


因此,fmt 包的打印函数在打印 reflect.Value 类型变量的数据时,只需要把 Interface 方法的结果传给 格式化打印程序:

fmt.Println(v.Interface())

 

你可能会问:问什么不直接打印 v ,比如 fmt.Println(v)?


答案是 v 的类型是 reflect.Value,我们需要的是它存储的具体值。


由于底层的值是一个float64,我们可以格式化打印:

fmt.Printf("value is %7.1e\n", v.Interface())

 

上面的代码会打印出:

3.4e+00

 

同样,这次也不需要对 v.Interface() 的结果进行类型断言。


空接口值内部包含了具体值的类型信息,Printf 函数会恢复类型信息。

 

简单来说,Interface 方法和ValueOf 函数作用恰好相反,唯一一点是,返回值的静态类型是 interface{}。

 

我们重新表述一下:Go的反射机制可以将“接口类型的变量”转换为“反射类型的对象”,然后再将“反射类型对象”转换过去。

 

反射第三定律:如果要修改“反射类型对象”,其值必须是“可写的”(settable)

这条定律很微妙,也很容易让人迷惑。但是如果你从第一条定律开始看,应该比较容易理解。

 

下面这段代码不能正常工作,但是非常值得研究:

var x float64 = 3.4
v := reflect.ValueOf(x)
v.SetFloat(7.1) // Error: will panic.

 

如果你运行这段代码,它会抛出抛出一个奇怪的异常:

panic: reflect.Value.SetFloat using unaddressable value

 

这里问题不在于值 7.1 不能被寻址,而是因为变量 v 是“不可写的”。


“可写性”是反射类型变量的一个属性,但不是所有的反射类型变量都拥有这个属性。

 

我们可以通过 CanSet 方法检查一个 reflect.Value 类型变量的“可写性”。


对于上面的例子,可以这样写:

var x float64 = 3.4
v := reflect.ValueOf(x)
fmt.Println("settability of v:", v.CanSet())

 

上面这段代码会打印出:

settability of v: false

 

对于一个不具有“可写性”的 Value类型变量,调用 Set 方法会报出错误。


首先,我们要弄清楚什么“可写性”。

 

“可写性”有些类似于寻址能力,但是更严格。


它是反射类型变量的一种属性,赋予该变量修改底层存储数据的能力。


“可写性”最终是由一个事实决定的:反射对象是否存储了原始值。


举个代码例子:

var x float64 = 3.4
v := reflect.ValueOf(x)

 

这里我们传递给 reflect.ValueOf 函数的是变量 x 的一个拷贝,而非 x 本身。


想象一下,如果下面这行代码能够成功执行:

v.SetFloat(7.1)

 

答案是:如果这行代码能够成功执行,它不会更新 x ,虽然看起来变量 v 是根据 x 创建的。


相反,它会更新x 存在于 反射对象 v 内部的一个拷贝,而变量 x 本身完全不受影响。


这会造成迷惑,并且没有任何意义,所以是不合法的。


“可写性”就是为了避免这个问题而设计的。

 

如果你觉得这个设定很诡异,我举一个常见的类似情况来说明一下。


考虑下面这行代码:

f(x)

 

上面的代码中,我们把变量 x 的一个拷贝传递给函数,因此不期望它会改变 x 的值。


如果期望函数 f 能够修改变量 x,我们必须传递 x 的地址(即指向x 的指针)给函数 f,如下:

f(&x)

 

你应该很熟悉这行代码,反射的工作机制是一样的。


如果你想通过反射修改变量 x,就咬吧想要修改的变量的指针传递给反射库。

 

首先,像通常一样初始化变量 x,然后创建一个指向它的 反射对象,名字为 p:

var x float64 = 3.4
p := reflect.ValueOf(&x) // Note: take the address of x.
fmt.Println("type of p:", p.Type())
fmt.Println("settability of p:", p.CanSet())

 

这段代码的输出是:

type of p: *float64
settability of p: false

 

反射对象 p 是不可写的,但是我们也不像修改 p,事实上我们要修改的是 *p。


为了得到 p 指向的数据,可以调用 Value 类型的 Elem 方法。


Elem 方法能够对指针进行“解引用”,然后将结果存储到反射 Value类型对象 v中:

v := p.Elem()
fmt.Println("settability of v:", v.CanSet())

 

在上面这段代码中,变量 v 是一个可写的反射对象,代码输出也验证了这一点:

settability of v: true

 

由于变量 v 代表 x,因此我们可以使用 v.SetFloat 修改 x 的值:

v.SetFloat(7.1)
fmt.Println(v.Interface())
fmt.Println(x)

 

上面代码的输出如下:

7.1
7.1

 

反射不太容易理解,reflect.Type 和 reflect.Value 会混淆正在执行的程序,但是它做的事情正是编程语言做的事情。


你只需要记住:只要反射对象要修改它们表示的对象,就必须获取它们表示的对象的地址。

 

结构体(struct)

在前面的例子中,变量 v 本身并不是指针,它只是从指针衍生而来。


把反射应用到结构体时,常用的方式是使用反射修改一个结构体的某些字段。


只要拥有结构体的地址,我们就可以修改它的字段。


一个例子

下面通过一个简单的例子对结构体类型变量 t 进行分析。

 

首先,我们创建了反射类型对象,它包含一个结构体的指针,因为后续会修改。

 

然后,我们设置 typeOfT 为它的类型,并遍历所有的字段。

 

注意:我们从 struct 类型提取出每个字段的名字,但是每个字段本身也是常规的reflect.Value 对象。

type T struct {
    A int
    B string
}
t := T{23, "skidoo"}
s := reflect.ValueOf(&t).Elem()
typeOfT := s.Type()
for i := 0; i < s.NumField(); i++ {
    f := s.Field(i)
    fmt.Printf("%d: %s %s = %v\n", i,
        typeOfT.Field(i).Name, f.Type(), f.Interface())
}

 

上面这段代码的输出如下:

0: A int = 23
1: B string = skidoo

 

这里还有一点需要指出:变量 T 的字段都是首字母大写的(暴露到外部),因为struct中只有暴露到外部的字段才是“可写的”。

 

由于变量 s 包含一个“可写的”反射对象,我们可以修改结构体的字段:

f.Interface())s.Field(0).SetInt(77)
s.Field(1).SetString("Sunset Strip")
fmt.Println("t is now", t)

 

上面代码的输出如下:

t is now {77 Sunset Strip}

 

如果变量 s 是通过 t ,而不是&t 创建的,调用 SetInt 和 SetString 将会失败,因为 t 的字段不是“可写的”。

 

结论

最后再次重复一遍反射三定律:

  1. 反射可以将“接口类型变量”转换为“反射类型对象”。

  2. 反射可以将“反射类型对象”转换为“接口类型变量”。

  3. 如果要修改“反射类型对象”,其值必须是“可写的”(settable)。


一旦你理解了这些定律,使用反射将会是一件非常简单的事情。它是一件强大的工具,使用时务必谨慎使用,更不要滥用。

 

关于反射,我们还有很多内容没有讨论,包括基于管道的发送和接收、内存分配、使用slice和map、调用方法和函数,由于本文已经非常长了,这些话题在后续的文章中介绍。

 

原作者 Rob Pike,翻译Oscar


下期预告:Go语言并发模型:像Unix Pipe 那样使用channel (https://blog.golang.org/pipelines)


相关链接:

原文链接:https://blog.golang.org/laws-of-reflection

reflect 包:https://golang.org/pkg/reflect/



 
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