Golang 泛型浅析

本文尝试梳理下泛型的基本知识，并有限的分析下 Golang 泛型的实现原理和机制，期望能够帮助人们加深对泛型的理解，并能够对 golang 的泛型实现原理和实现机制有初步的了解。

什么是泛型

首先来说说什么是泛型，泛型其实是一个很宽泛的概念，不一而足。本文中的泛型特指计算机编程语言中的泛型, 即编程语言中的函数，方法，类定义等与特定的类型参数无关，相关的函数，方法和类的实例化是根据具体的调用参数来进行。泛型是和编译紧密相关的技术，尤其是针对 golang 这种静态类型的语言来说，更是如此。

为什么要实现泛型

作为一种提高编程效能的基本范式，目前市面上主流的编程语言都已经早早支持了泛型，比如 C++ 的 template, Java 的类型擦除技术等，其主要目的都是为了最大限度的避免重复代码，利用编译器来做类型检查，避免额外的装箱/拆箱等操作，来提高程序的性能。泛型最常用的地方就是集合类库，使得集合类针对不同的类型能够复用，并且最大化开发者的费效比，减少维护成本。

Golang 泛型现状

那为什么 golang 到现在才要实现泛型呢，从 2009 年正式发布至今，golang 已经走过了 13 个年头，而 golang 流行度也是一路走来，水涨船高。但是其实如果从编程语言的特性角度来看，golang 其实已经落后了太多。社区之前也有很多的努力和尝试，包括各种泛型提案和实现方式，但最后都被否决了。Golang 核心作者给出的解释是泛型并不是不可或缺的特性。属于重要但不紧急，应该把精力集中在更重要的事情上，例如 GC 的延迟优化，编译器自举等。

但是鉴于目前泛型是 golang 社区呼声最高的，希望被尽快实现的语言特性，因此，泛型最后被提上了实现的日程，相关提议已经是被接受的状态，具体细节在这https://github.com/golang/go/issues/43651

目前社区已经进入了紧锣密鼓的开发阶段，打算最快在 go1.17,最晚在 g1.18 的版本中发布。

Golang 泛型语法简介

下面我们来介绍几种基本的泛型语法。

通过内置的 any 接口类型化参数来实现泛型

比如下面的函数：

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

这里的[T any]即为类型参数，意思是该函数支持任何类型的 slice 。但是在调用该函数的时候，需要显式指定类型参数类型。如果想用该函数打印字符串 slice，则需要显式指定类型参数为 string, 以帮助编译器实行类型推导。

Print([]string{"Hello, ", "World\n"})

如果不显式指定，则编译报错。

Print([]{"Hello, ", "World\n"})

typeparam_basic.go2:18:14: expected type, found '{'

通过扩展的接口类型实现泛型(对参数实现约束和限制)

例如下面的接口定义：

 type Addable interface {    type int, int8, int16, int32, uint, uint8, uint16, uint32}

相关的泛型函数的类型参数指定为 Addable 类型:

func Add[T Addable](a, b T) T {    return a + b}

则调用方式为：

c := Add(2, 3)

顺利编译通过。如果将调用参数改为不在 Addable 接口中指定的 float 类型，如：

c := Add(2.1, 3.2)

则编译报错：

extended_inf.go2:14:10: float64 does not satisfy Addable (float64 or float64 not found in int, int8, int16, int32, uint, uint8, uint16, uint32)

通过内置的扩展接口类型实现泛型(对泛型参数实现约束和限制)

例如 golang 语言泛型 sample 代码中，有个 Set 的泛型类型, 该类型定义如下：

// A Set is a set of elements of some type.type Set[Elem comparable] struct {m map[Elem]struct{}}

该类型定义中，comparable 也是一个编译器内置的特定的扩展接口类型，该类型必须支持“==“ 方法，也就是任何支持等于比较操作的类型，都是该 Set 所支持的类型。

在这里我们先简单介绍上面几种基本的语法，当然泛型的使用方式远不止这些，具体的语法规则，可以看示例代码和后续 golang 更新的官方 spec，这里不再赘述。

Golang 泛型的实现机制

通常，把高级语言编译成机器本地可以执行的汇编代码，大致需要进行词法分析，语法分析，语义分析，生成中间代码，优化，以及最终生成目标代码等几个步骤。其中词法分析，语法分析，语义分析属于前端，而 golang 支持泛型只是前端的改动，本质上是语法糖。例如词法分析器要能正确解析泛型新引入的’[‘ ‘]’ 括号，语法分析器能正确识别并判断代码是否符合泛型的语法规则，并构造正确的语法树 AST。而到了语义分析阶段，编译器需要能根据前面提到的类型参数和接口限制，来正确的推导出参数的实际类型，检查类型是否实现了相关接口定义的方法，实例化支持特定类型的函数，以及进行函数调用的类型检查等等。

幸运的是，golang 团队已经给我们提供了两种途径来预先感受下泛型新特性，一种是通过https://go2goplay.golang.org/ 网站，用户可以在上面写合法的泛型代码，并编译执行，但是可能需要翻墙，且没有太多编译细节，这里不展开。

       我们重点讲下通过本地下载编译 go2go 工具来编译泛型代码。具体的 go2go 工具的编译过程，可以参考这篇文档, https://golang.org/doc/install/source。

编译完成后，执行 go tool go2go 命令：

 我们可以看到 go2go 工具支持的命令选项。

下面我们来编译一个最基本的泛型示例代码，内容如下:

import(   "fmt")
func Print[T any](s []T) {       for _, v := range s {              fmt.Println(v)        } }
func main(){     Print([]string{"Hello, ", "World\n"})}

输入命令：

go tool go2go translate typeparam_basic.go2

注意 go2go 工具目前只支持.go2 后缀的源码文件。

编译完成后，我们看代码长这个样子:

// Code generated by go2go; DO NOT EDIT.

//line /Users/zhaoliu/Desktop/go_generics_demo/typeparam_basic.go2:1package main
//line /Users/zhaoliu/Desktop/go_generics_demo/typeparam_basic.go2:1import "fmt"
//line /Users/zhaoliu/Desktop/go_generics_demo/typeparam_basic.go2:13func main() {//line /Users/zhaoliu/Desktop/go_generics_demo/typeparam_basic.go2:13 instantiate୦୦Print୦string([]string{"Hello, ", "World\n"})//line /Users/zhaoliu/Desktop/go_generics_demo/typeparam_basic.go2:15}//line /Users/zhaoliu/Desktop/go_generics_demo/typeparam_basic.go2:7func instantiate୦୦Print୦string(s []string,) {	for _, v := range s {		fmt.Println(v)	}}
//line /Users/zhaoliu/Desktop/go_generics_demo/typeparam_basic.go2:11type Importable୦ int
//line /Users/zhaoliu/Desktop/go_generics_demo/typeparam_basic.go2:11var _ = fmt.Errorf

可以看到工具已经自动为我们插入注释，并且实例化了一个支持 string slice 类型的函数，且为了避免和已有代码中的其它函数重名，造成错误，工具引入了两个不常用的 Unicode 字符，并插入到实例化的函数名称中，最后工具把生成的代码，重新命名为.go 后缀的文件，并写到文件系统。接下来我们就可以正常的编译执行生成的.go 代码。

进一步的，我们可以通过编译 debug go2go 的源码，来看看究竟工具如何做这些做事情的，通过 debug go2go 工具，我们发现，其实 go2go 帮我们把使用泛型的 golang 代码，通过重写 AST 的方式，转换成 go 1.x 版本的代码， 如下所示:

// rewriteAST rewrites the AST for a file.func rewriteAST(fset *token.FileSet, importer *Importer, importPath string, tpkg *types.Package, file *ast.File, addImportableName bool) (err error) {	t := translator{		fset:         fset,		importer:     importer,		tpkg:         tpkg,		types:        make(map[ast.Expr]types.Type),		typePackages: make(map[*types.Package]bool),	}	t.translate(file)
	// Add all the transitive imports. This is more than we need,	// but we're not trying to be elegant here.	imps := make(map[string]bool)
	for _, p := range importer.transitiveImports(importPath) {		imps[p] = true	}	for pkg := range t.typePackages {    ......

上面的 AST 转换工具相关的代码和思路应该会被正式的 golang 编译器实现所借鉴。

总结：

由于 golang 泛型的实现涉及到编译器前端的诸多技术细节和语言的历史背景，本人不可能也没有能力通过短短一篇文章把所有的方面讲解清楚，目前社区通过多个分支并行开发来提供支持，感兴趣的读者可以自行下载源码阅读研究，本文主要是抛砖引玉，期望有更多的读者参与到开源技术的研究和推广中来并与大家分享。

       泛型代码适用的范围主要在集合，数学库，以及一些通用的算法和框架类库中, 滥用泛型会增加代码的编写和维护成本，得不偿失。最后，我们用 golang 编译器核心作者之一 Robert Griesemer 的话来总结本文: “泛型是带类型检查的宏指令，使用宏指令前请三思”。

参考：

https://go.googlesource.com/proposal/+/refs/heads/master/design/43651-type-parameters.md

https://github.com/golang/go/issues/43651

https://blog.golang.org/generics-proposal