谈谈Go语言的反射三定律

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。

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:

  1. // Reader is the interface that wraps the basic Read method.
  2. type Reader interface {
  3. Read(p []byte) (n int, err error)
  4. }
  5. // Writer is the interface that wraps the basic Write method.
  6. type Writer interface {
  7. Write(p []byte) (n int, err error)
  8. }

复制代码

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:

  1. interface{}

复制代码

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,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。更准确一点来说,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。这一点很容易理解: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。 接口类型不能存储接口变量。

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。

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 和 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,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):

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

复制代码

上面这段代码打印出:

  1. 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())

上面这段代码会打印出:

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:

  1. // Interface returns v's value as an interface{}.
  2. 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:

  1. 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:

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

上面代码的打印结果是:

  1. 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:

  1. var x float64 = 3.4
  2. v := reflect.ValueOf(x)
  3. 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:

  1. 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())

上面这段代码打印结果是:

  1. 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:

  1. var x float64 = 3.4
  2. 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:

  1. 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。

这看起来很诡异,事实上并非如此,而且类似的情况很常见。考虑下面这行代码:

  1. 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:

  1. 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:

  1. 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)

复制代码

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。

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:

  1. 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,这些话题我们会在后续的文章中介绍。请大家继续关注脚本之家。

原作者 Rob Pike,翻译Oscar

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原文发布于微信公众号 - Golang语言社区(Golangweb)

原文发表时间:2017-07-18

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