Go 泛型的这 3 个核心设计,你都知道吗?

大家好,我是煎鱼。

Go1.18 的泛型是闹得沸沸扬扬,虽然之前写过很多篇针对泛型的一些设计和思考。但因为泛型的提案之前一直还没定型,所以就没有写完整介绍。

如今已经基本成型,就由煎鱼带大家一起摸透 Go 泛型。本文内容主要涉及泛型的 3 大概念,非常值得大家深入了解。

如下:

  • 类型参数。
  • 类型约束。
  • 类型推导。

类型参数

类型参数,这个名词。不熟悉的小伙伴咋一看就懵逼了。

泛型代码是使用抽象的数据类型编写的,我们将其称之为类型参数。当程序运行通用代码时,类型参数就会被类型参数所取代。也就是类型参数是泛型的抽象数据类型

简单的泛型例子:


func Print(s []T) {
    for _, v := range s {
        fmt.Println(v)
    }
}

代码有一个 Print 函数,它打印出一个片断的每个元素,其中片断的元素类型,这里称为 T,是未知的。

这里引出了一个要做泛型语法设计的点,那就是:T 的泛型类型参数,应该如何定义

在现有的设计中,分为两个部分:

  • 类型参数列表:类型参数列表将会出现在常规参数的前面。为了区分类型参数列表和常规参数列表,类型参数列表使用方括号而不是小括号。
  • 类型参数约束:如同常规参数有类型一样,类型参数也有元类型,被称为约束(后面会进一步介绍)。

结合完整的例子如下:

// Print 可以打印任何片断的元素。
// Print 有一个类型参数 T,并有一个单一的(非类型)的 s,它是该类型参数的一个片断。
func Print[T any](s []T) {
    // do something...
}

在上述代码中,我们声明了一个函数 Print,其有一个类型参数 T,类型约束为 any,表示为任意的类型,作用与 interface{} 一样。他的入参变量 s 是类型 T 的切片。

函数声明完了,在函数调用时,我们需要指定类型参数的类型。如下:

    Print[int]([]int{1, 2, 3})

在上述代码中,我们指定了传入的类型参数为 int,并传入了 []int{1, 2, 3} 作为参数。

其他类型,例如 float64:

    Print[float64]([]float64{0.1, 0.2, 0.3})

也是类似的声明方式,照着套就好了。

类型约束

说完类型参数,我们再说说 “约束”。在所有的类型参数中都要指定类型约束,才能叫做完整的泛型。

以下分为两个部分来具体展开讲解:

  • 定义函数约束。
  • 定义运算符越苏

为什么要有类型约束

为了确保调用方能够满足接受方的程序诉求,保证程序中所应用的函数、运算符等特性能够正常运行。

泛型的类型参数,类型约束,相辅相成。

定义函数约束

问题点

我们看看 Go 官方所提供的例子:

func Stringify[T any](s []T) (ret []string) {
    for _, v := range s {
        ret = append(ret, v.String()) // INVALID
    }
    return ret
}

该方法的实现目的是:任何类型的切片都能转换成对应的字符串切片。但程序逻辑里有一个问题,那就是他的入参 T 是 any 类型,是任意类型都可以传入。

其内部又调用了 String 方法,自然也就会报错,因为只像是 int、float64 等类型,就可能没有实现该方法。

你说要定义有效的类型约束,那像是上面的例子,在泛型中如何实现呢?

要求传入方要有内置方法,就得定义一个 interface 来约束他。

单个类型

例子如下:

type Stringer interface {
    String() string
}

在泛型方法中应用:

func Stringify[T Stringer](s []T) (ret []string) {
    for _, v := range s {
        ret = append(ret, v.String())
    }
    return ret
}

再将 Stringer 类型放到原有的 any 类型处,就可以实现程序所需的诉求了。

多个类型

如果是多个类型约束。例子如下:

type Stringer interface {
    String() string
}

type Plusser interface {
    Plus(string) string
}

func ConcatTo[S Stringer, P Plusser](s []S, p []P) []string {
    r := make([]string, len(s))
    for i, v := range s {
        r[i] = p[i].Plus(v.String())
    }
    return r
}

与常规的入参、出参类型声明一样的规则。

定义运算符约束

完成了函数约束的定义后,剩下一个要啃的大骨头就是 “运算符” 的约束了。

问题点

我们看看 Go 官方的例子:

func Smallest[T any](s []T) T {
    r := s[0] // panic if slice is empty
    for _, v := range s[1:] {
        if v < r { // INVALID
            r = v
        }
    }
    return r
}

经过上面的函数例子,我们很快能意识到这个程序根本无法运行成功。

其入参是 any 类型,程序内部是按 slice 类型来获取值,且在内部又进行运算符比较,那如果真是 slice,内部就可能每个值类型都不一样。

如果一个是 slice,一个是 int 类型,又如何进行运算符的值对比?

近似元素

可能有的同学想到了重载运算符,但...想太多了,Go 语言没有支持的计划。为此做了一个新的设计,那就是允许限制类型参数的类型范围。

语法如下:

InterfaceType  = "interface" "{" {(MethodSpec | InterfaceTypeName | ConstraintElem) ";" } "}" .
ConstraintElem = ConstraintTerm { "|" ConstraintTerm } .
ConstraintTerm = ["~"] Type .

例子如下:

type AnyInt interface{ ~int }

上述声明的类型集是 ~int,也就是所有类型为 int 的类型(如:int、int8、int16、int32、int64)都能够满足这个类型约束的条件。

包括底层类型是 int8 类型的,例如:

type AnyInt8 int8

也就是在该匹配范围内的。

联合元素

如果希望进一步缩小限定类型,可以结合分隔符来使用,用法为:

type AnyInt interface{
 ~int8 | ~int64
}

就可以将类型集限定在 int8 和 int64 之中。

实现运算符约束

基于新的语法,结合新的概念联合和近似元素,可以把程序改造一下,实现在泛型中的运算符的匹配。

类型约束的声明,如下:

type Ordered interface {
    ~int | ~int8 | ~int16 | ~int32 | ~int64 |
        ~uint | ~uint8 | ~uint16 | ~uint32 | ~uint64 | ~uintptr |
        ~float32 | ~float64 |
        ~string
}

应用的程序如下:

func Smallest[T Ordered](s []T) T {
    r := s[0] // panics if slice is empty
    for _, v := range s[1:] {
        if v < r {
            r = v
        }
    }
    return r
}

确保了值均为基础数据类型后,程序就可以正常运行了。

类型推导

程序员写代码,一定程度的偷懒是必然的。

在一定的场景下,可以通过类型推导来避免明确地写出一些或所有的类型参数,编译器会进行自动识别。

建议复杂函数和参数能明确是最好的,否则读代码的同学会比较麻烦,可读性和可维护性的保证也是工作中重要的一点。

参数推导

函数例子。如下:

func Map[F, T any](s []F, f func(F) T) []T { ... }

公共代码片段。如下:

var s []int
f := func(i int) int64 { return int64(i) }
var r []int64

明确指定两个类型参数。如下:

r = Map[int, int64](s, f)

只指定第一个类型参数,变量 f 被推断出来。如下:

r = Map[int](s, f)

不指定任何类型参数,让两者都被推断出来。如下:

r = Map(s, f)

约束推导

神奇的在于,类型推导不仅限与此,连约束都可以推导。

函数例子,如下:

func Double[E constraints.Number](s []E) []E {
    r := make([]E, len(s))
    for i, v := range s {
        r[i] = v + v
    }
    return r
}

基于此的推导案例,如下:

type MySlice []int

var V1 = Double(MySlice{1})

MySlice 是一个 int 的切片类型别名。变量 V1 的类型编译器推导后 []int 类型,并不是 MySlice。

原因在于编译器在比较两者的类型时,会将 MySlice 类型识别为 []int,也就是 int 类型。

要实现 “正确” 的推导,需要如下定义:

type SC[E any] interface {
    []E 
}

func DoubleDefined[S SC[E], E constraints.Number](s S) S {
    r := make(S, len(s))
    for i, v := range s {
        r[i] = v + v
    }
    return r
}

基于此的推导案例。如下:

var V2 = DoubleDefined[MySlice, int](MySlice{1})

只要定义显式类型参数,就可以获得正确的类型,变量 V2 的类型会是 MySlice。

那如果不声明约束呢?如下:

var V3 = DoubleDefined(MySlice{1})

编译器通过函数参数进行推导,也可以明确变量 V3 类型是 MySlice。

总结

今天我们在文章中给大家介绍了泛型的三个重要概念,分别是:

  • 类型参数:泛型的抽象数据类型。
  • 类型约束:确保调用方能够满足接受方的程序诉求。
  • 类型推导:避免明确地写出一些或所有的类型参数。

在内容中也涉及到了联合元素、近似元素、函数约束、运算符约束等新概念。本质上都是基于三个大概念延伸出来的新解决方法,一环扣一环。

你学会 Go 泛型了吗,设计的如何,欢迎一起讨论:)

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参考

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