go1.18泛型支持

Posted 2022-11-11 01:00 +0800 by ZhangJie ‐ 2 min read

关于泛型编程

首先什么是泛型呢？

Generic programming is a style of computer programming in which algorithms are written in terms of types to-be-specified-later that are then instantiated when needed for specific types provided as parameters.

泛型编程有啥好处呢？

cleaner code and simpler API (not always)
improve code exectution performance (not always)

没有泛型的日子

如何应付的

go1.18之前苦于没有范型编程，开发人员一般会这么做：

go编译器对内置类型有一定的范型支持，比如new、make、len、cap
go支持reflection和interace，通过这两个一定程度上可以模拟范型的能力
go支持//go:generate，通过自定义工具可以生成一些“重复”代码

痛点依然在

即便是通过反射、interface来模拟也把风险从编译时类型安全推到了运行时检查部分，生成代码也会有大量重复性代码……所以痛点依然存在。

go1.18中终于解决了这个问题，虽然现在来看还没那么尽善尽美，但是总算在路上了。

go泛型知识点

go1.19当前范型设计实现，也还没完全实现提案type parameters proposal，这个提案也并非未来go泛型实现的天花板，会一步步完善。尽管还不尽善尽美，但是将来go泛型编程应该有较大的应用场景。现在有些库已经在用泛型重写了。

自定义泛型：

1.18支持了自定义范型（customized generics），这个提法是为了与内置的泛型支持区分开。所说的内置泛型，指的是类似new、make、len、cap这样的一些函数，或者map[k]v这样的数据结构类型，这些有泛型的思想和支持。

但是我们所说的泛型主要是指自定义的泛型类型、函数、方法。

基础知识：

泛型类型 type Lockable[T any]
泛型方法 func(l *Lockable[T]) Do(f func(*T)) {…}
泛型函数 func Equal[T comprable](a, b T) bool { return a == b}
如果类型参数列表中有多个，如[a any, b, c, _ comparable]，它们的顺序没有影响的

接口表示：

tilde form：~T，波浪号+类型，表示类型集合，表示所有underlying type为T的类型
term form：T1 | T2 | …. | Tn，类型的联合

接口嵌套：

1.18之前接口内可以嵌入任意数量函数、任意类型名（只要类型名为接口名即可）
1.18中放松了嵌入类型名的限制，可以是
- 任意类型的字面量，只要不是类型参数名即可，比如string、其他接口名
- 无名接口定义
- tilde形式
- term形式
而类型参数的constraint其实就是interaface，这里的增强大大增强了constraint描述的范畴，如所有的int、uint、float，或者string
下面是些合法的接口定义
```
type L interface {
	Run() error
	Stop()
}

type M interface {
	L
	Step() error
}

type N interface {
	M
	interface{ Resume() }
	~map[int]bool
	~[]byte | string
}

type O interface {
	Pause()
	N
	string
	int64 | ~chan int | any
}
```
在一个接口A中嵌入另一个接口B，相当于把B递归的展开把方法全部作为A的方法，比如接口0相当于这样，其中的不是方法名的部分，~map[int]bool…int64|~chan int|any，可以看做不同的term union form。
注意interface { int; uint } 表示底层类型同时是int和uint的，而interface{int | uint}表示底层类型或者是int或或uint的，是两种完全不同的概念。
```
type O interface {
	Run() error
	Stop()
	Step() error
	Pause()
	Resume()
	~map[int]bool
	~[]byte | string
	string
	int64 | ~chan int | any
}
```
如果constraint中只包含一个元素，而且它是type element，那么可以省略外层的interface{}，比如[T interface{~int}]可以简化为[T ~int]
但是上述简化，有时也会遇到解析问题，比如[T *int]，这里表示的是啥意思呢？是underlying type为 int的范型类型？还是把int当做一个常量解释为一个Tint这么大的数组？现在确实是当做数组的。编译器当然可以解决这个问题，但是得做些额外的处理，后面可能会优化吧。
weired，那现在如何化解这个问题？
- 可以用完整形式，用interface裹起来
- 在最后加一个逗号结尾[T *int,]，类型参数列表最后允许加逗号的，换行的话也要用逗号连接
我擦，就不要用这种破坏可读性的方式来写，直接用interface{}包起来！
在看个奇葩的[A int, B *A]，我擦这里的A到底是啥？I don’t know！
- 尽管类型参数的constraint是一个接口，但是不代表类型参数就可以像普通接口变量那样可以有动态值、可以断言，我们把它理解成一个类型、把constraint理解成一种限制就可以了，不要总想着它是一个接口值的变量（实际上也不是）。

类型参数作用域：

参考这里：http://localhost:55556/generics/555-type-constraints-and-parameters.html#:~:text=Go specification says,of the type.
举个例子：type G[S ~[]E, E int] struct{}，这里的E后面有作为了S的声明，对于函数、方法也是类似的。就是说一个类型参数（比如E）的作用域从这个类型、函数、方法定义开始就有效，直到定义结束。所以这里的E是有效的，对于S它自然要找E在哪定义的，怎么找，在当前scope里面找，因为specification这么定义的，它当然在这个scope里找定义了。跟从左往右、从右往左这种表面上的顺序无关。

类型参数实例化、类型推导：

其实包括泛型类型中的类型参数实例化，和泛型函数、泛型方法中的类型参数实例化

实例化时参数列表省略问题：

泛型类型中：省略类型参数列表不能省略，要写完整的
泛型函数、泛型方法：当可以推断时，可以部分省略或完全省略

实例化时传递的实参问题：

基本接口类型any、error可以作为类型参数的实例化参数。
如果一个类型参数A的constraint满足另一个类型参数B的constraint，那么可以传递A的实例化作为B对应的类型参数的实例化参数

类型参数上的操作

看这里吧：http://localhost:55556/generics/777-operations-on-values-of-type-parameter-types.html，实在是费解，这么多特殊规则，谁能记得住怎么写
有些操作是有效的，有些则是无效的。通俗地说，某个操作是否有效，要看其对类型参数对constraint所表示的type set中每个类型是否都有效，都有效才算是有效的。
go自定义泛型不是通过c++模版那样重复生成代码实现的，这也是和代码生成的不同之处。有一条principle rule就是：在go里面，每个有类型的表达式计算都必须有一个指定的类型，这里的类型可以是普通类型，也可以是类型参数。这条原则很关键，比方说typeset包含多个候选类型参数值，函数体里对值的操作表达式对应的类型需要有一个核心类型来表示。比如下面这个：
```
// 如果T是chan int，那么从c读到的是int，如果T是chan bool，那么从c读初的是bool，
// 一个是int，一个是bool，不能统一到同一个类型，这就叫core type missing，
// 此时定义一个类型参数作个衔接就可以了。
func read[T chan int|chan bool](c T) {
	_ = <-c

}

// 改成这样就可以了
func read[T chan E, E int|bool](c T) {
  _ = <-c
}
```
这里的限制多写写可能会更好理解，多看多学吧，理解go泛型还真有点费解，哈哈哈 🙂

go泛型技术细节

go1.18中的generics（范型）实现思路：

stenciling（蜡印）这种方式会为范型函数的每种用到的类型参数实例化一个函数，这种好处是会减少函数调用开销，缺点是会导致binary尺寸过大，也可能会导致一些当前无法预见的问题。
dictionary（字典）这种方式不会像stenciling那样为每个类型参数实例化一个，而是就生成一个函数实例，但是多给它传入一个dictionary指针参数，这个指针参数里包含了实际用到的类型参数（parameterized type）对应的具体类型参数（concrete type），有了这个信息就能知道实参的size、alignment等信息，这样在安排内存、栈帧、函数参数、返回值的时候就知道该如何组织了，后续的就没什么复杂的了。这种方式的一个问题，是需要考虑如何优化调用的性能开销。
gcshape，它描述的是在内存allocator、garbage collector视角看起来描述信息长得类似的type，这种type相同的可以实例化一个，这样的话可能有多次实例化，就暗含了stenciling的思想，虽然还是多了传字典，但是省了因为底层type不一样时所要做的额外工作。

本文小结

本文简单总结了go泛型编程的一些知识点、注意事项，以及简要介绍了go泛型的设计实现原理。内容没有展开太多，感兴趣的可以参考文章末了列出的参考文献。

参考内容

泛型编程：https://en.wikipedia.org/wiki/Generic_programming
初识go泛型：http://localhost:55556/generics/444-first-look-of-custom-generics.html
类型参数限制：http://localhost:55556/generics/555-type-constraints-and-parameters.html
类型参数实例化：http://localhost:55556/generics/666-generic-instantiations-and-type-argument-inferences.html
对类型参数值的操作：http://localhost:55556/generics/777-operations-on-values-of-type-parameter-types.html
go泛型目前的状态：http://localhost:55556/generics/888-the-status-quo-of-go-custom-generics.html
go1.18 generics设计实现:https://github.com/golang/proposal/blob/master/design/generics-implementation-dictionaries-go1.18.md

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