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Ian Lance Taylor:Go泛型使用的一般准则

本文永久链接 – https://tonybai.com/2021/11/07/using-generics-in-go

在近期Google Open Source LiveGo Day 2021环节Go泛型的主要设计者Ian Lance Taylor做了Using Generics in Go的简短演讲(国内地址在这里)。这篇演讲的重点不是即将于Go 1.18版本降临的Go泛型的语法细节,而是介绍目前Go核心团队在设计、实现以及内部实践Go泛型的过程中积累的一些实践经验。Ian将这些经验总结成了这么一段小视频,旨在Go泛型落地之前,为Go社区提供一些Go泛型使用的通用指导原则。这里将演讲内容整理出来,供大家参考。

我们将于2022年2月的Go 1.18版本中提供泛型。

什么是泛型?

泛型可以让你先来编写数据结构和函数,然后在使用时指定其中的类型。当然,当前Go语言中的函数也有形式参数(parameter)。但有了泛型后,函数可以支持一类新的形式参数(parameter),这类形式参数被称为“类型参数(type parameter)”。当前不支持任何参数的类型也可以拥有自己的类型参数。带有类型参数的函数与类型可以通过类型实参(type argument)进行实例化。对于类型参数,我们会用“实例化”而不是调用(call),因为整个操作发生在编译阶段,而不是运行阶段。

类型参数定义了约束(constraints),这些约束限制了允许的类型实参集合,这与普通形参通过类型限制允许的实参集合类似。比如下面这个例子:

看看MapKeys这个函数,它接受一个map类型形参,返回一个包含该map所有key的切片。在Go中,我们很容易这对特定的map类型实现这个函数。上面的例子就是一个针对map[string]int类型形参的实现。但对你要使用的特定map类型,你需要编写一个该函数的不同副本,或者你也可以通过标准库的reflect(反射包)来实现这个函数。但后者实现起来很笨拙并且性能相对来说也不高。使用reflect包来实现非常复杂,这里我就不举例了。

或者,你用类型参数来实现它:

使用类型参数,你只需要实现一遍这个函数,它便可以支持所有map类型,并且编译器可以对传入的参数进行充分的类型检查。这里类型参数命名为K和V。而之前例子中类型为map[string]int的普通形参m在这个例子中的类型为map[K]V。类型参数K是map的key的类型,它应该是可比较的(comparable)。在例子代码中,我们通过为K增加表述这一要求的约束。你也可以将其视为类型参数的元类型(meta type)。它就是是一个预声明的约束comparable。类型参数V可以使任意类型,所以它的约束是预声明的约束any,该约束顾名思义,意味着V可以是任意类型。函数体与原先一样,除了变量s的类型变为了元素类型为K的切片类型,而不再是元素类型为字符串的切片了。

泛型这个新语法特性还有很多语法细节,但我在这里不会详说。重要的是你知道函数可以拥有类型参数了,另外虽然这个例子没有展示,但实际上类型本身也可以有类型参数。你可以通过https://golang.org/s/generics-proposal这个链接页面了解关于泛型特性的更多细节。

什么情况适合使用泛型

我今天要谈的不是什么是泛型或如何使用泛型,我要谈的是什么情况下适合使用泛型以及什么情况下不适合使用泛型。更明确来说,我在这里将给出一些通用的指导建议,但它们不是不可违反的硬性规定。具体情况,你自己来判断。如果你不能确定,你可以参考下面我要讲解的内容。

首先,我们先来说说Go编程的一般指导规则。我们通过编写代码来编写Go程序,而不是通过定义类型。当涉及泛型时,如果你编写Go代码时,总是在尝试定义类型参数的约束,那你可能走错路了。你应该从编写函数开始,如果你明确了类型参数会有用,那么后续为函数添加类型参数非常容易。

让我们看一下什么情况下类型参数很有用。

类型参数的一种有用的情况是当编写的函数的操作元素的类型为slice、map、channel等特定类型时。如果一个函数接受这些类型的形参,并且函数代码没有对参数的元素类型作出任何假设,那么使用类型参数可能会非常有用。例如,我们之前看到的MapKeys函数。那个函数返回map中所有key组成的切片。函数对Map key的类型没有做任何假设,这让MapKeys函数成为使用类型参数的一个很好的候选者。正如我之前提到过的,此类使用类型参数的函数的另外一个替代方案通常是使用反射(reflection)。那是一个更笨拙的编程模型,并且它无法进行静态类型检查,运行起来也更慢。

另一个相似的适合使用类型参数的情况是编写通用数据结构。所谓的通用数据结构,我指的是像切片或map,但Go语言没有提供原生支持的类型。比如一个链表或一个二叉树。今天,需要这类数据结构的程序会使用特定的元素类型实现它们,或使用接口类型(interface{})实现。使用类型参数替换特定元素类型可以实现一个更通用的数据结构,这个通用的数据结构将可以被其他程序所复用。用类型参数替换接口类型通常也会让数据存储的更为高效。在一些场合,使用类型参数替代接口类型意味着代码可以避免进行类型断言(type assertion),并且在编译阶段还可以进行全面的类型静态检查。比如下面这个例子:

这是使用了类型参数的二叉树结构的一个可能实现。这是一个类型使用类型参数的例子。树中每个叶子节点(leaf)都包含一个类型参数T类型的值。当我们用某个具体类型实参对这个树结构进行实例化时,类型实参的值将直接存储在叶子节点中,它们不会被存储为interface类型的值。下面是这个树类型的一个方法实现:

无需过于关注代码的实现细节或代码的风格,重点在于这是一个类型参数合理使用的示例,因为这个树结构以及上述方法的实现代码多是与元素类型T无关的。这个数据结构的确需要知道如何比较元素类型T的值,它使用一个传入的比较函数来进行元素的比较。你可以看到在上面代码的第四行,它调用了bt.cmp函数。除此之外,类型参数没有任何其他作用。

这个二叉树的例子为我们展示了另外一条一般原则:当你需要使用像比较函数这样的功能时,最好使用函数而不是方法。我们本可以将这个二叉树结构定义为其元素类型需要实现一个compare方法或less方法,我们可以通过定义一个需要compare或less方法的约束来实现。这就意味着任何用来实例化这个树结构的类型实参必须包含这样一个方法。但是这就意味着任何想用一个简单类型int来实例化这个树结构的开发者都必须定义一个带有compare方法的自定义int类型。同时这样意味着任何想用自定义类型实例化这个树结构的开发者也都要为其自定义的类型定一个compare方法,即便这本不需要。

如果我们像上面示例中代码那样,定义一个接受一个函数的树结构,那么传入一个期望的compare函数十分容易。并且如果元素恰好拥有compare方法,我们可以简单的以element.compare形式传入method expression来作为比较函数即可。换句话说,将方法转换为函数比向一个类型添加一个方法要容易的多。因此,对于通用数据结构,最好使用函数,而不是编写一个需要方法的约束。

另外一个类型参数有用的情况是当不同类型需要实现一些通用方法,并且不同类型的方法实现看起来都相同。比如考虑一下标准库sort包的sort.Interface,它需要实现它的类型实现三个方法:Len、Swap和Less。下面这个例子展示了一个sliceFn,一个为任意类型实现sort.Interface而定义的泛型类型:

对于任意slice类型,Len与Swap方法的实现都相同。Less方法需要一个比较函数,这就是sliceFn名字中Fn部分的功能,和我们在之前树结构例子中一样,当我们创建一个sliceFn时,我们传入一个函数。下面的代码演示了如何使用sliceFn对任意切片进行排序:

这里,对于任何slice类型,我们都使用类型参数去实现sort.Interface的方法。类型参数非常适合这个例子,因为对于所有切片类型来说,这些方法的实现都相同。

现在我应该说一下:Go 1.18版本很大可能会包含一个使用比较函数做切片排序的通用函数,并且这个通用函数很大可能不会使用sort.Interface,但即便这个示例今后可能没有用处,但其观点仍然是对的。

当你需要实现的相关类型的方法看起来都一样时,使用类型参数是合理的。

什么情况不宜使用泛型

现在让我们来讨论这个问题的另一面:什么情况不宜使用泛型。

什么情况下,使用类型参数不是一个好主意呢?

Go拥有interface类型。接口类型已经支持了一定程度上的通用机制。例如:广泛使用的io.Reader接口提供了一种从任意含有信息的值,或生产类似随机数生成器的地方读取数据。

如果你对于某一类型的值所要做的全部操作仅仅是在那个值上调用一个方法,请使用interface类型,而不是类型参数。io.Reader易读且高效。没有必要使用一个类型参数像调用Read方法那样去从一个值中读取数据。例如,不要像下面这样编写代码:

我们可以不用类型参数实现相同功能的函数。省略类型参数将使得函数更简洁易读易实现,并且运行时间可能是相同的。

最后强调一点,开发者(尤其是那些熟悉C++的)可能会假设,使用特定类型实参实例化的函数往往比使用虚拟方法的代码运行稍快。我说虚拟方法,是因为C++使用的是虚拟方法。就本次演讲而言,C++所说的虚拟方法类似于Go语言中的接口方法。当然在Go语言中,具体的细节还取决于编译器。

与使用接口方法的类似代码相比,使用类型实参实例化的函数很有可能并不是更快。因此,不要出于效率考虑使用类型参数。使用类型参数的原因是它们让你的代码更清晰。如果是它们让你的代码变得更复杂,就不要使用

现在回到类型参数与接口类型之间的选择。当不同的类型使用一个共同的方法时,考虑该方法的实现。前面我们说过,如果一个方法的实现对于所有类型都相同,则使用类型参数;相反,如果每种类型的实现各不相同,请使用不同的方法,不要使用类型参数。例如,从文件读取的实现与从随机数生成器读取的实现完全不同。这意味着我们要编写两种不同的读取方法,并且两种方法都不应使用类型参数。

虽然我今天仅提到了几次,Go也有反射。反射确实允许进行某种通用编程,它允许你编写适用于任何类型的代码。如果某些操作必须支持甚至没有方法的类型,那么接口类型便不起作用。并且如果每种类型的操作都不同,请使用反射。这方面的一个典型例子是json编码包。我们不要求我们编码的每个类型都支持MarshalJSON方法,因此我们不能使用接口类型。但是对整数类型进行编码与对结构类型进行编码完全不同,因此我们不应该使用类型参数。json包使用的是反射。相关代码太复杂,这里就不展示了。如果你有兴趣,可以查看go源码。

一个简单的准则

最后,整个talk可总结为一条简单的准则,如果你发现自己多次编写完全相同的代码(样板代码),各个版本之间唯一的差别是代码使用不同的类型,请考虑是否可以使用类型参数。换一种表达方法,在你注意到自己要多次编写完全相同的代码之前,应该避免使用类型参数。

感谢聆听。希望你在泛型特性推出后,能谨慎合理的使用go泛型。


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Go 1.18对泛型的支持策略

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本文永久链接 – https://tonybai.com/2021/10/28/expectations-for-generics-in-go-1.18

2021年10月中旬,Go语言之父Rob Pike在github上的Go项目中发了一条issue:建议不在Go 1.18的标准库中使用泛型

不得不说“姜还是老的辣”!Rob Pike的理由很简单,Go泛型是Go诞生以来最大的一次语言变化,Go 1.18版本承载了太多的change,容易出错。并且Go核心开发团队也没有使用新泛型的经验,他建议Go核心开发团队应该多等待、观察和学习。我是十分赞同Rob Pike的建议的,不要把步子迈得太大。Go应该按照自己的节奏稳步前进。

Rob Pike的这个issue引发了Go核心团队与社区的热烈响应。离Go 1.18版本发布还有4个月左右的时间了,后续Go泛型到底如何落地,整个Go社区需要一个明确的方向。

今天,Go核心团队技术负责人Russ Cox在golang-dev group发文,针对Rob Pike的issue介绍了Go 1.18版本与泛型当前进展与后续的支持策略,这确定了Go核心团队与社区的努力方向。这里粗略翻译一下供大家参考。


如果没有意外的严重问题,Go 1.18版本将包含对泛型的支持。泛型是Go1发布以来最重要的变化,当然也是我们有史以来最大的一次语言变化。这封邮件粗略解释了泛型的加入对我们和用户的意义。

任何Go的新功能特性,无论是语言还是库,都带有不确定性,包括不确定如何使用它们,不确定如何不使用它们,以及不确定有哪些微小的bug已经通过了现有的测试集。泛型也不能避免这种不确定性;事实上,因为泛型是一个大型的新功能,所以它的不确定性也相应地更大。

因为我们不知道使用泛型的最佳实践是什么,所以我们的文档将无法就何时使用泛型和何时不使用泛型给出精确、明确的答案。即便我们仍然可以并将给出粗略的泛型使用指南。作为比较,我们是在不间断地写了一整年的Go代码后,才写出了Effective Go的最初版本的。我们在泛型方面同样还没有较高水平使用经验,所以我们当然会提供关于如何使用泛型的文档,但我们短期内不能提供任何关于泛型代码风格和最佳实践方面的指南性文档。很简单,因为我们也欠缺这方面的实践与经验。

因为我们不知道编写泛型包的最佳实践是什么,所以我们发布的最初的泛型代码–特别是通过提案程序的maps和slices包–将首先放在golang.org/x/exp中,那里不能保证向后兼容。一旦我们有了更多的经验,我们希望能将其中一些包推广到标准库中。唯一例外的是constraints包,它是编写某些泛型代码的基础,它将在Go 1.18中就被添加到标准库中。

因为我们没有任何关于泛型的生产经验,所以我们会在发布说明中明确指出,在生产中使用泛型的时候应该适当谨慎。这并不是对Go核心团队出色工作的批评。这只是一个观察,泛型与大多数Go的变化不同。当我们重写垃圾收集器改变调用惯例时,我们会在测试和生产中使用新的实现来运行谷歌的所有Go程序,这样就能很好地验证变化,揪出难以发现的错误。相比之下,用正在进行中的Go 1.18工具链重建非泛型代码并不能验证对泛型的支持,这意味着我们无法建立同样的信心。

综上所述,Go 1.18与其他Go 1.x版本一样具有向后兼容的承诺:我们不会破坏用Go 1.18构建的代码,包括使用泛型的代码。在最坏的情况下,如果我们发现Go 1.18的语义有一些致命的问题,并需要改变它们(例如在Go 1.19中),我们将使用go.mod文件的go版本指示符来确定该module中的源文件是使用Go 1.18还是Go 1.19+的语义。(我们预计不需要这样做!)

我们预想到一些包的作者可能会急于采用泛型。如果您正在更新您的软件包以使用泛型,请考虑将新的泛型API隔离到自己的文件中,并为其使用Go 1.18的构建标签(//go:build go1.18),以便Go 1.17用户可以继续构建和使用非泛型部分。

同样值得注意的是,第三方工具可能不会在Go 1.18发布时完全支持泛型。我们正在与许多工具的作者交谈,并试图确保他们得到适当的更新,但各个工具都有自己的时间表。

我们收到的一个常见的问题是:考虑到所有这些不确定性,为什么不把泛型变成可选项加入Go 1.18?答案是,在这一点上,减少不确定性的唯一方法是让其默认可用。当我们在Go 1.5版本中让vendor机制作为可选项加入时,发生的情况是几乎没有人真正使用它,直到Go 1.6版本默认开启它。所以Go 1.5版本没有减少我们对Go开发者使用vendor情况的不确定性。另一方面,Go 1.5版本无疑将生态系统分为”在标准Go下运行的代码”和 “在启用vendoring后运行的代码”两个部分。我们希望在这里尽可能地避免这种结果。

这里每个人可以做的最重要的事情就是写一些泛型代码,如果你发现了bug,不清楚的编译器错误等等,请让我们知道。我最近写了一些泛型数据结构,对整体的体验非常满意。我希望你也会这样;如果没有,请提交bug。谢谢!


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