本文永久链接 – https://tonybai.com/2024/09/24/the-evolution-of-type-name-in-go-spec

Go语言规范（The Go Programming Language Specification）是Go语言的核心文档，定义了该语言的语法、类型系统和运行时行为。Go语言规范的存在使得开发者在实现Go编译器时可以依赖一致的标准，它确保了语言的稳定性和一致性，特别是在类型系统设计中，Go团队通过规范推动了语言的简洁性、稳定性与可维护性。对于Go开发者而言，Go语言规范也是语法特性使用的参考手册(虽然语言规范读起来比较抽象和晦涩)。

Go语言规范由Google的Go核心开发团队维护和演进，这与ISO标准的C/C++语言规范有所不同。C和C++语言的ISO标准更新较慢，需经过复杂的全球共识和审核流程，而相比之下，Go语言的管理方式就显得更加灵活，也能够迅速适应新需求。

然而，这种灵活性也带来了潜在的弊端。随着新语法特性的引入和演进，一些已有的概念的含义可能会发生变化，导致前后的不一致性，从而让开发者感到困惑。例如，Go中的Type Name(类型名称)就经历了从最初的Named Type，到Defined Type和Alias Type，最终又回归到Named Type的过程。

近期Go语言之父之一的Robert Griesemer在Go官博发表了一篇名为”What’s in an (Alias) Name?“的文章，其中就对Go spec中Type Name的历史演进做了回顾，这里我们就基于这段回顾对“类型名称(Type Name)”在Go语言规范中的演变做一下简要梳理，希望能帮助大家更好的理解Go。

1. Go规范中的Type Name（类型名称）

在Go语言规范中，Type Name是指给定类型的标识符，它为一个类型提供了唯一的名称。Type Name用于识别和引用各种类型，这包括Go内置(也叫预声明Predeclared Type)的基础类型(比如int、string)和用户自定义的类型，比如：

var x int       // int是基础类型的Type Name
type MyInt int  // MyInt是用户定义类型的Type Name

你可能会问，Go还有没有类型名称的类型吗？当然有了，有一些特殊的类型没有直接的类型名称。通常，这些类型是匿名类型(Anonymous Type)，即它们并没有通过命名来标识，主要的匿名类型包括：

• 字面量定义的复合类型（Composite Literals）

Go支持在代码中使用复合字面量来定义结构体、数组、切片、map等类型，而不为这些类型显式地定义名称。这些类型是在使用时定义的，并没有为其单独声明一个类型名称。

var data = struct { Name string; Age int }{"Alice", 30}  // 匿名结构体类型
var arr = [5]int{1,2,3,4,5} // 匿名数组类型
var arr = []int{1, 2, 3}  // 匿名切片类型
var m = map[string]int{"foo": 1, "bar": 2}  // 匿名map类型

• 匿名函数类型

Go支持函数作为一等公民，函数本身可以作为类型，当定义匿名函数（即未命名函数）时，这些函数没有类型名称。

var f = func() int { //匿名函数类型func() int
    return 42
}

Type Name是一个广泛的概念，在Go spec中，Go设计者们将其做了细分，比如Named Type、Defined Type等。那么随着Go版本的变化，Go中的Type Name的分类有哪些重要的演进和变化呢，下面我们就重点说明一下Go spec中Type Name分类的三次重要变化。

2. 初始阶段：简单而明确的Named Type (2009-2017)

Go 1.0是Go语言的首个正式发布版本，其中确立了类型名称的基础概念。在这一阶段，Go的类型系统已经具备了高度的简洁性和一致性，这也是该语言设计的核心原则之一。

在Go语言的早期阶段(2009-2017)，Go规范就确定了简单明确的Named Type的概念，它指的是通过下面语法定义的类型T：

type T existingType

这些通过类型声明定义的T被称为Named Type。而这里的existingType可以Predeclared的预声明类型（比如int、string），可以是已存在的Named Type，也可以是前面提到的匿名类型。

通过给现有类型赋予新名称来定义新的类型，与匿名类型等未命名类型形成鲜明对比。这种简单的分类满足了早期Go程序员的需求，为代码组织和类型系统提供了清晰的基础，提升了代码的可读性和模块化。

我们可以用示意图来展示这个阶段的Go类型名称分类：

而Named Type的定义方式也可以用下图表示：

我们看到，可以基于Predeclare Type、匿名类型以及已存在的Named Type来定义一个新的Named Type。并且，Named Type具有一些专有特性，比如可拥有自己的方法、只与自身类型赋值兼容，不与其底层类型直接兼容（除非进行显式类型转换）等。

3. 变革之始：别名类型的引入 (Go 1.9, 2017)

然而，随着Go 1.9在2017年引入别名类型(Alias Type)，情况开始变得复杂：

type T = Q // T为Q类型的别名类型

别名类型的引入是为了支持大规模代码库的重构，但它也模糊了Named Type的界限，因为别名也是一个类型名称。

为了应对这一变化，Go团队引入了”Defined Type”的概念以代替界限模糊的Named Type，用以特指通过类型定义(type T Q)创建的新类型。

这样改动后，整个Go类型系统的类型名称分类就变成如下示意图中的状态了：

Defined Type定义和Alias Type的定义分别如下：

两者看起来差别不大，但只有Defined Type才拥有专有属性，比如可拥有自己的方法、只与自身类型赋值兼容等。我们也可以为Alias Type定义方法，但那个方法属于原类型。

4. 泛型时代的到来：概念的重塑 (Go 1.18, 2022)

2022年，Go 1.18的发布标志着Go语言进入了泛型时代，这一重大特性的引入再次挑战了现有的类型分类方式。

比如类型参数也是类型，它们有名称，与Defined Type一样，两个不同命名的类型参数表示不同的类型。换句话说，类型参数是Named Type，而且它们的行为在某些方面与Go原始的Named Type类似。更重要的是，Go的Predeclare Type（如int、string等）只能通过它们的名称来访问，并且像Defined Type和类型参数一样，如果它们的名称不同，它们也会不同，这样预声明的类型也变成了Named Type。

为了适应泛型，Go规范重新引入了Named Type，并将其范围扩大到包括预声明类型、Defined Type、类型参数以及部分情况下的别名类型。

重新引入Named Type后，Defined Type依然得以保留，整个Go系统类型的最新类型名称分类状态如下图所示：

5. 当前的权衡

在”What’s in an (Alias) Name?“的文章中，Robert还提到了学院派类型系统理论中的Nominal type（名义类型）和Structural type（结构类型)两个概念，虽然Go spec目前完全没有使用这两个概念。

Nominal type，也叫名义类型。这种类型的身份（identity）明确地与其名称相关联。两个类型即使结构完全相同，如果名称不同，也被视为不同的类型。像Go 1.18以后spec中的预声明类型（如int、string等）、Defined types（通过type关键字定义的类型）和类型参数都属于这种类型，这大体与Named Type是重叠的。

而Structural type（结构类型）的类型的身份仅取决于其结构或组成，而不依赖于名称。如果两个类型的结构相同，它们就被视为相同的类型，即使它们可能有不同的名称，像Go中的接口类型(在某种意义上)、通过类型字面量创建的类型（如匿名结构体、函数类型等）等都可以归属与这种类型。值得注意的是，指向类型字面量的别名类型（如type AliasName = struct{ … }）也可看作是structural type。

不过Robert也提到了，后续Go还会继续沿用Named Type、Defined Type等术语，而不会用这些学院派的类型术语来更新Go spec，这主要有几方面考虑：

• 历史一致性：Go语言从早期就使用了named type、defined type等术语。突然改变可能会导致现有文档、教程和代码库的混乱。
• 概念特殊性：Go的类型系统有其特殊性，不完全符合传统的nominal/structural二分法。例如，Go的接口类型结合了nominal和structural的特性。这么做，也可以避免引起其他语言中该术语用法的混淆。
• 实用性考虑：”named type”、”defined type”等术语在Go的上下文中有明确的含义，直接对应于语言的特定特性和语法结构。这使得它们在讨论Go特定概念时更加实用。

6. 小结

本文基于Robert的文章讲述了Go语言类型系统中的类型名称的演变历程。我们回顾了Type Name在Go语言规范中的重要变化，从最初的简单Named Type到后来的Defined Type和Alias Type，再到引入泛型时代后的重新定义Named Type。每一次变化不仅反映了Go语言的不断发展，也展示了Go团队在应对复杂性和保持语言简洁性之间的平衡。

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本文永久链接 – https://tonybai.com/2024/09/23/go-weak-package-preview

在介绍Go 1.23引入的unique包的《Go unique包：突破字符串局限的通用值Interning技术实现》一文中，我们知道了unique包底层是基于internal/weak包实现的，internal/weak是一个弱指针功能的Go实现。所谓弱指针(Weak Pointer，也称为弱引用)是与强指针相对而言的，强指针(Strong Pointer，也可称作强引用)就是下面代码片段中的这种常规指针：

var p *T = new(T) // 假设T类型对象被分配到堆上

只要p指向堆上的T对象，那么T对象就无法被GC回收。但弱指针并非如此，它也可以指向堆上的某个内存对象(比如T类型对象)，但它无法像强指针那样阻止GC回收该对象。

Go unique包的实现者Michael Knyszek近期提议在标准库引入weak包(实际上是将internal/weak公开暴露给Go开发者)，该提议被Russ Cox代表的Go提案评审委员会所接受，最早将于Go 1.24版本落地。

在这篇短文中，我们来前瞻一下weak包的API设计、原理、应用场景以及社区对该提案一些观点。

注：weak包尚未落地，本文中的代码在Go 1.23中均无法运行，可以视作伪代码。

1. weak包的API

weak包的核心是Pointer[T]类型，它代表了对类型T的弱指针。以下目前Michael Knyszek为weak包设计的主要API：

type Pointer[T any] struct { ... }

func Make[T any](ptr *T) Pointer[T]

func (p Pointer[T]) Value() *T

Make函数用于创建一个弱指针，而Value方法则用于获取弱指针指向的实际值。如果原始对象已被垃圾回收，Value方法将返回nil。这个设计秉承了Go一贯的简洁，允许开发者轻松创建和使用弱指针，同时保持了Go语言的类型安全特性。

2. weak包弱指针的工作原理

在开篇时，我已经对弱指针的作用做了简单说明，这里结合上述weak包的API和提案中的设计原理再扩展一下。

弱指针的核心思想是允许引用内存而不阻止垃圾回收器回收它。垃圾回收器在回收对象时，会自动将所有指向该对象的弱指针设置为nil。这确保了弱指针不会产生悬空引用(dangling pointer)。

下图是weak包弱指针的工作原理示意图，展示了weak pointer的核心工作原理，包括间接对象的使用和垃圾回收时的行为：

简单看一下这张图：程序创建一个对象并通过weak.Make创建一个weak.Pointer(弱指针)，在Go运行时内部，weak.Pointer通过8字节的间接对象引用原始对象。这个间接对象是weak.Pointer的内部字段，按当前internal/weak的实现来看，该字段是一个unsafe.Pointer。这个间接对象包含了实际的弱引用。

值得注意的是，弱指针的比较基于它们最初创建时使用的指针。即使原始对象被回收，两个由相同指针创建的弱指针仍然会被认为是相等的。这个特性使得弱指针可以安全地用作map的键。

3. weak包的典型使用场景

weak包的引入将为Go带来更灵活的内存管理机制，它允许开发者创建不会阻止垃圾回收的引用，从而在保持内存效率的同时，实现更复杂的数据结构和算法。特别是在处理缓存、规范化映射(Canonicalization mapping)等场景时。

以缓存为例，使用弱指针，我们可以创建不会阻止被缓存对象被垃圾回收的缓存系统，这对于管理内存敏感的大型缓存系统特别有用。下面提案中Russ Cox举的一个使用weak包实现简单缓存的示例(可理解为伪代码)：

type Cache[K any, V any] struct {
    f func(*K) V
    m atomic.Map[uintptr, func() V]
}

func NewCache[K comparable, V any](f func(*K)V) *Cache[K, V] {
    return &Cache[K, V]{f: f}
}

func (c *Cache[K, V]) Get(k *K) V {
    kw := uintptr(unsafe.Pointer((k))
    vf, ok := c.m.Load(kw)
    if ok {
        return vf()
    }
    vf = sync.OnceValue(func() V { return c.f(k) })
    vf, loaded := c.m.LoadOrStore(kw, vf) // 原issue中似乎少了第二个参数vf
    if !loaded {
        // Stored kw→vf to c.m; add the cleanup.
        runtime.AddCleanup(k, c.cleanup, kw)
    }
    return vf()
}

func (c *Cache[K, V]) cleanup(kw uintptr) {
    c.m.Delete(kw)
}

var cached = NewCache(expensiveComputation)

这段代码定义了一个泛型缓存结构Cache，它有两个类型参数K和V，以及两个成员字段f和m：

• f是一个函数，接受*K类型的指针，返回V类型的值，这是用于计算缓存值的函数。
• m是一个原子映射，键是K类型的弱指针，值是返回V的函数。

NewCache是缓存的创建函数，接受一个计算函数f，返回初始化的Cache指针。

Cache类型的Get方法用于获取缓存的值，它首先创建键k的弱指针kw，然后以该弱指针为键尝试从缓存(atomicMap)中加载值。如果找到，直接返回缓存的值。如果未找到，使用sync.OnceValue创建一个只执行一次的函数，调用c.f(k)计算值。之后，尝试将新计算的函数存储到缓存中。 如果成功存储（即之前没有这个键），添加一个清理函数，最后返回计算后的Value值。

这个实现允许缓存中的键在不再被程序其他部分引用时被垃圾回收，从而避免了内存长期占用或是泄漏。

4. 社区声音

针对该weak包提案，Go社区的主要声音是支持的，认为weak包将为Go带来更灵活的内存管理机制，但也表示了对无法用好weak包这个低级机制的担忧，希望在正式文档或Go Tour中包含更多使用关于weak包的示例和最佳实践。

Go新版GC的主要设计者Richard L. Hudson提出了对sweeping storms和清理大型缓存中过时weak条目的担忧，并提出了使用ephemerons（一种更复杂的弱引用机制）的可能性，但也认识到其实现复杂度和性能开销较高。

也有一些Go社区开发者保持了对weak包的谨慎态度，比如fasthttp的维护者、VictorialMetrics的联创Aliaksandr Valialkin 就建议：在决定如何在Go中实现弱指针之前，最好先分析其他编程语言中弱指针的最常见的生产用例，并首先思考一下在标准库中为这些实际用例提供更高级别的解决方案而不是暴露较低级别的弱指针的方案是否会更好。

也有gopher提出：能否在提案中添加2-3个没有弱指针就无法解决的实际问题的例子，但Michael Knyszek并未回应。

5. 小结

weak包的引入让Go的工具箱更加完整，它为开发者提供了更细粒度的内存控制，同时其核心API也保持了Go简单易用的特性。

对于Go开发者来说，weak包使得某些复杂的内存管理场景变得更容易处理，但也需要开发者更好地理解垃圾回收机制和弱引用的工作原理。

社区对weak包的引入持积极态度，但也关注其实现细节、性能影响和最佳实践，同时也意识到了使用weak指针时可能面临的挑战。

不过，开发者在使用weak包时还是需要谨慎，毕竟过度使用弱指针可能会使代码变得难以理解和维护，最好的方法是将它用在最适合的场景下。

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