簡(jiǎn)單易懂的 Go 泛型使用和實(shí)現(xiàn)原理介紹
原文：A gentle introduction to generics in Go by Dominik Braun
萬(wàn)俊峰Kevin：我看了覺得文章非常簡(jiǎn)單易懂，就征求了作者同意，翻譯出來(lái)給大家分享一下。
本文是對(duì)泛型的基本思想及其在 Go 中的實(shí)現(xiàn)的一個(gè)比較容易理解的介紹，同時(shí)也是對(duì)圍繞泛型的各種性能討論的簡(jiǎn)單總結(jié)。首先，我們來(lái)看看泛型所解決的核心問(wèn)題。
問(wèn)題
假設(shè)我們想實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的 tree 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)持有一個(gè)值。在 Go 1.18 之前，實(shí)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)的典型方法如下。
type?Node?struct?{
????value?interface{}
}
這在大多數(shù)情況下都很好用，但它也有一些缺點(diǎn)。
首先，interface{} 可以是任何東西。如果我們想限制 value 可能持有的類型，例如整數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)，我們只能在運(yùn)行時(shí)檢查這個(gè)限制。
func?(n?Node)?IsValid()?bool?{
????switch?n.value.(type)?{
????????case?int,?float32,?float64:
????????????return?true
????????default:
????????????return?false
????}
}
這樣并不可能在編譯時(shí)限制類型，像上面這樣的類型判斷在許多 Go 庫(kù)中都是很常見的做法。這里有 go-zero 項(xiàng)目中的例子。
第二，對(duì) Node 中的值進(jìn)行處理是非常繁瑣和容易出錯(cuò)的。對(duì)值做任何事情都會(huì)涉及到某種類型的斷言，即使你可以安全地假設(shè)值持有一個(gè) int 值。
number,?ok?:=?node.value.(int)
if?!ok?{
????//?...
}
double?:=?number?*?2
這些只是使用 interface{} 的一些不便之處，它沒有提供類型安全，并有可能導(dǎo)致難以恢復(fù)的運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤。
解決方法
我們不打算接受任意數(shù)據(jù)類型或具體類型，而是定義一個(gè)叫做 T 的 占位符類型 作為值的類型。請(qǐng)注意，這段代碼還不會(huì)通過(guò)編譯。
type?Node[T]?struct?{
????value?T
}
首先需要聲明泛型類型 T，這是在結(jié)構(gòu)或函數(shù)名稱后面方括號(hào)里面使用的。
T 可以是任何類型，只有在實(shí)例化一個(gè)具有明確類型的 Node 時(shí)，T 才會(huì)被推導(dǎo)為該類型。
n?:=?Node[int]{
????value:?5,
}
泛型 Node 被實(shí)例化為 Node[int]（整數(shù)節(jié)點(diǎn)），所以 T 是一個(gè) int。
類型約束
上面的實(shí)現(xiàn)里，T 的聲明缺少一個(gè)必要的信息：類型約束。
類型約束用于進(jìn)一步限制可以作為 T 的可能類型。Go 本身提供了一些預(yù)定義的類型約束，但也可以使用自定義的類型約束。
type?Node[T?any]?struct?{
????value?T
}
任意類型（any）約束允許 T 實(shí)際上是任何類型。如果節(jié)點(diǎn)值需要進(jìn)行比較，有一個(gè) comparable 類型約束，滿足這個(gè)預(yù)定義約束的類型可以使用 == 進(jìn)行比較。
type?Node[T?comparable]?struct?{
????value?T
}
任何類型都可以作為一個(gè)類型約束。Go 1.18 引入了一種新的 interface 語(yǔ)法，可以嵌入其他數(shù)據(jù)類型。
type?Numeric?interface?{
????int?|?float32?|?float64
}
這意味著一個(gè)接口不僅可以定義一組方法，還可以定義一組類型。使用 Numeric 接口作為類型約束，意味著值可以是整數(shù)或浮點(diǎn)數(shù)。
type?Node[T?Numeric]?struct?{
????value?T
}
重獲類型安全
相對(duì)于使用 interface{}，泛型類型參數(shù)的巨大優(yōu)勢(shì)在于，T 的最終類型在編譯時(shí)就會(huì)被推導(dǎo)出來(lái)。為 T 定義一個(gè)類型約束，完全消除了運(yùn)行時(shí)檢查。如果用作 T 的類型不滿足類型約束，代碼就不會(huì)編譯通過(guò)。
在編寫泛型代碼時(shí)，你可以像已經(jīng)知道 T 的最終類型一樣寫代碼。
func?(n?Node[T])?Value()?T?{
????return?n.value
}
上面的函數(shù)返回 n.Value，它的類型是 T。因此，返回值是 T，如果 T 是一個(gè)整數(shù)，那么返回類型就已知是 int。因此，返回值可以直接作為一個(gè)整數(shù)使用，不需要任何類型斷言。
n?:=?Node[int]{
????value:?5,
}
double?:=?n.Value()?*?2
在編譯時(shí)恢復(fù)類型安全使 Go 代碼更可靠，更不容易出錯(cuò)。
泛型使用場(chǎng)景
在 Ian Lance Taylor 的 When To Use Generics 中列出了泛型的典型使用場(chǎng)景，歸結(jié)為三種主要情況：
使用內(nèi)置的容器類型，如 slices、maps和channels實(shí)現(xiàn)通用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如 linked list或tree編寫一個(gè)函數(shù)，其實(shí)現(xiàn)對(duì)許多類型來(lái)說(shuō)都是一樣的，比如一個(gè)排序函數(shù)
一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)你不想對(duì)你所操作的值的內(nèi)容做出假設(shè)時(shí)，可以考慮使用泛型。我們例子中的 Node 并不太關(guān)心它持有的值。
當(dāng)不同的類型有不同的實(shí)現(xiàn)時(shí)，泛型就不是一個(gè)好的選擇。另外，不要把 Read(r io.Reader) 這樣的接口函數(shù)簽名改為 Read[T io.Reader](r T) 這樣的通用簽名。
性能
要了解泛型的性能及其在 Go 中的實(shí)現(xiàn)，首先需要了解一般情況下實(shí)現(xiàn)泛型的兩種最常見方式。
這是對(duì)各種性能的深入研究和圍繞它們進(jìn)行的討論的簡(jiǎn)要介紹。你大概率不太需要關(guān)心 Go 中泛型的性能。
虛擬方法表
在編譯器中實(shí)現(xiàn)泛型的一種方法是使用 Virtual Method Table。泛型函數(shù)被修改成只接受指針作為參數(shù)的方式。然后，這些值被分配到堆上，這些值的指針被傳遞給泛型函數(shù)。這樣做是因?yàn)橹羔樋雌饋?lái)總是一樣的，不管它指向的是什么類型。
如果這些值是對(duì)象，而泛型函數(shù)需要調(diào)用這些對(duì)象的方法，它就不能再這樣做了。該函數(shù)只有一個(gè)指向?qū)ο蟮闹羔槪恢浪鼈兊姆椒ㄔ谀睦铩Ｒ虼耍枰粋€(gè)可以查詢方法的內(nèi)存地址的表格：Virtual Method Table。這種所謂的動(dòng)態(tài)調(diào)度已經(jīng)被 Go 和 Java 等語(yǔ)言中的接口所使用。
Virtual Method Table 不僅可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)泛型，還可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)其他類型的多態(tài)性。然而，推導(dǎo)這些指針和調(diào)用虛擬函數(shù)要比直接調(diào)用函數(shù)慢，而且使用 Virtual Method Table 會(huì)阻止編譯器進(jìn)行優(yōu)化。
單態(tài)化
一個(gè)更簡(jiǎn)單的方法是單態(tài)化（Monomorphization），編譯器為每個(gè)被調(diào)用的數(shù)據(jù)類型生成一個(gè)泛型函數(shù)的副本。
func?max[T?Numeric](a,?b?T)?T?{
????//?...
}
larger?:=?max(3,?5)
由于上面顯示的max函數(shù)是用兩個(gè)整數(shù)調(diào)用的，編譯器在對(duì)代碼進(jìn)行單態(tài)化時(shí)將為 int 生成一個(gè) max 的副本。
func?maxInt(a,?b?int)?int?{
????//?...
}
larger?:=?maxInt(3,?5)
最大的優(yōu)勢(shì)是，Monomorphization 帶來(lái)的運(yùn)行時(shí)性能明顯好于使用 Virtual Method Table。直接方法調(diào)用不僅更有效率，而且還能適用整個(gè)編譯器的優(yōu)化鏈。不過(guò)，這樣做的代價(jià)是編譯時(shí)長(zhǎng)，為所有相關(guān)類型生成泛型函數(shù)的副本是非常耗時(shí)的。
Go 的實(shí)現(xiàn)
這兩種方法中哪一種最適合 Go？快速編譯很重要，但運(yùn)行時(shí)性能也很重要。為了滿足這些要求，Go 團(tuán)隊(duì)決定在實(shí)現(xiàn)泛型時(shí)混合兩種方法。
Go 使用 Monomorphization，但試圖減少需要生成的函數(shù)副本的數(shù)量。它不是為每個(gè)類型創(chuàng)建一個(gè)副本，而是為內(nèi)存中的每個(gè)布局生成一個(gè)副本：int、float64、Node 和其他所謂的 "值類型" 在內(nèi)存中看起來(lái)都不一樣，因此泛型函數(shù)將為所有這些類型復(fù)制副本。
與值類型相反，指針和接口在內(nèi)存中總是有相同的布局。編譯器將為指針和接口的調(diào)用生成一個(gè)泛型函數(shù)的副本。就像 Virtual Method Table 一樣，泛型函數(shù)接收指針，因此需要一個(gè)表來(lái)動(dòng)態(tài)地查找方法地址。在 Go 實(shí)現(xiàn)中的字典與虛擬方法表的性能特點(diǎn)相同。
結(jié)論
這種混合方法的好處是，你在使用值類型的調(diào)用中獲得了 Monomorphization 的性能優(yōu)勢(shì)，而只在使用指針或接口的調(diào)用中付出了 Virtual Method Table 的成本。
在性能討論中經(jīng)常被忽略的是，所有這些好處和成本只涉及到函數(shù)的調(diào)用。通常情況下，大部分的執(zhí)行時(shí)間是在函數(shù)內(nèi)部使用的。調(diào)用方法的性能開銷可能不會(huì)成為性能瓶頸，即使是這樣，也要考慮先優(yōu)化函數(shù)實(shí)現(xiàn)，再考慮調(diào)用開銷。
更多閱讀
Vicent Marti: Generics can make your Go code slower (PlanetScale)
Andy Arthur: Generics and Value Types in Golang (Dolthub)
Virtual method table (Wikipedia)
Monomorphization (Wikipedia)
Dynamic dispatch (Wikipedia)
對(duì)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的影響
作為 Go 1.18 的一部分，不改變標(biāo)準(zhǔn)庫(kù) 是一個(gè)謹(jǐn)慎的決定。目前的計(jì)劃是收集泛型的經(jīng)驗(yàn)，學(xué)習(xí)如何適當(dāng)?shù)厥褂盟鼈儯⒃跇?biāo)準(zhǔn)庫(kù)中找出合理的用例。
Go 有一些關(guān)于通用包、函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的提議：
constraints, providing type constraints (#47319)maps, providing generic map functions (#47330)slices, providing generic slice functions (#47203)sort.SliceOf, a generic sort implementation (#47619)sync.PoolOfand other generic concurrent data structures (#47657)
關(guān)于 go-zero 泛型的計(jì)劃
對(duì) go-zero 支持用泛型改寫，我們持謹(jǐn)慎態(tài)度，因?yàn)橐坏┦褂梅盒停敲?Go 版本必須從 1.15 升級(jí)到 1.18，很多用戶的線上服務(wù)現(xiàn)在還未升級(jí)到最新版，所以 go-zero 的泛型改寫會(huì)延后 Go 兩三個(gè)版本，確保用戶線上服務(wù)大部分已經(jīng)升級(jí)到 Go 1.18
go-zero 也在對(duì)泛型做充分的調(diào)研和嘗試。
其中的 mr 包已經(jīng)新開倉(cāng)庫(kù)支持了泛型：
https://github.com/kevwan/mapreduce
其中的 fx 包也已新開倉(cāng)庫(kù)嘗試支持泛型，但是由于缺少 template method，未能完成，期待后續(xù) Go 泛型的完善
https://github.com/kevwan/stream
當(dāng)后續(xù) go-zero 支持泛型的時(shí)候，我們就會(huì)合入這些已經(jīng)充分測(cè)試的泛型實(shí)現(xiàn)。
項(xiàng)目地址
https://github.com/zeromicro/go-zero
歡迎使用 go-zero 并 star 支持我們！
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