本文永久链接 – https://tonybai.com/2022/12/18/go-type-system

Go是一门强类型的静态编程语言。使用Go编程，我们的每一行代码几乎都离不开类型。因此，深入学习Go，我们首先要对Go的类型系统(type system)有一个全面和深入的认知。Go类型系统可以给予我们一个全局整体的视角，以帮助我们更好地学习和理解Go语言中那些具体的与类型相关的内容。

一. 什么是类型系统

作为拥有一定Go编程经验的Gopher来说，大家对Go语言中的类型是有一定了解的，比如：Go内置了原生整型类型、浮点类型、复数类型、字符串类型、函数类型，提供了数组、切片、map、struct、channel等复合类型以及代表行为抽象的接口类型。通过Go提供的type关键字，我们还可以自定义类型等等。

那么大家是否想过这样的问题：为什么会有类型？类型可以带来哪些好处呢？回顾编程语言的发展史(见下图)，我们发现：类型是高级语言有别于机器语言与低级语言的一种重要的抽象。

从机器的视角来看，无论什么类型数据都是0101的二进制数据，但程序员直接用机器语言编码难度非常大且效率极其低下；汇编语言将层次提升到了面向多字节数据的编码，汇编指令的操作数都是固定长度字节的，比如：movb操作的是一个字节，movl操作的是四个字节。汇编指令并不关心真实存储的是什么数据，只是在各个地址之间搬移特定长度的数据。显然汇编的抽象层次依旧不高，直接用汇编写程序依然有很大难度以及较为低效。

高级语言之所以高级，就是因为它建立了类型这一重要抽象，类型抽象为开发者屏蔽了机器层面数据的复杂表示。类型下面的复杂的字节和bit操作由高级语言的编译器和运行时协助完成，开发人员只需面向类型进行编码即可，也就是说类型成为了开发者与编译器之间的“操作界面”。

面向类型编程，开发者就要了解类型的能力、其所代表的抽象的含义以及遵循类型的使用规则/约束。类型决定了你可以在该类型实例中存储的值的范围；类型决定了你可以对该类型进行的操作；类型决定了该类型的变量需要的存储空间；类型决定了与其他类型间建立连接的方法：组合、“继承”还是接口实现等。

那么类型的这些能力、规则与约束是谁赋予的呢？没错，正是编程语言的类型系统！

类型系统是高级语言的核心，它存在于语言规范中，向开发者明确了类型的能力、使用规则与约束；它存在于编译器中，保证开发者对类型的正确合规使用；它也存在于语言运行时里，为类型提供如多态这样的动态能力。

可以说，高级编程语言用类型系统赋能类型并管理类型。不过，不同语言的类型系统的设计与实现是有较大差别的，那么Go语言的类型系统又有哪些与众不同之处呢？我们接下来就来重点看看Go的类型系统。

二. Go的类型系统

下面我们从类型定义、类型推导、类型检查、类型连接等多个方面说明一下Go类型系统具备的能力与不足。

1. 类型定义

大家知道Go支持几乎所有类型，下面是Go spec中的类型分类的列表截图：

同时，Go还支持使用type关键字定义的自定义类型以及类型别名(type alias)：

type CustomType int // 底层类型为原生类型int的自定义类型CustomType

type S struct {
    a int
    b string
} // 基于struct的自定义类型S

type IntAlias = int // int的类型别名IntAlias

注：自定义类型与其底层类型(underlying type)是两个完全不同的类型，而类型别名并未引入新类型，与原类型等价。

不过有两种在其他语言中常见的类型，Go类型系统没有给予支持，一种是union联合类型，在这种类型中，其所有字段共享同一个内存空间：

// C代码

// 定义一个名为num的union类型
// 其三个成员m, ch, f共享同一个内存空间
// C编译器会以最大的字段的size为num类型变量分配内存空间
union num {
    int m;
    char ch;
    double f;
};
union num a, b, c; // 声明三个union类型变量

另外一种是enum枚举类型，不过enum枚举类型可一定程度上用const(可选加iota)来模拟：

// C语法
enum Weekday {
        SUNDAY,
        MONDAY,
        TUESDAY,
        WEDNESDAY,
        THURSDAY,
        FRIDAY,
        SATURDAY
};

// Go模拟实现Weekday
type Weekday int

const (
        Sunday Weekday = iota
        Monday
        Tuesday
        Wednesday
        Thursday
        Friday
        Saturday
)

Go从1.18版本开始支持泛型，这让Go类型系统具备定义带有类型参数(type parameters)的类型以及函数的能力。

2. 类型推导

Go类型系统支持自动类型推导能力，编译器可以推断出变量或函数的类型，而不需要我们明确指定：

var s = "hello" // s是string类型
a := 128        // a是int类型
f := 4.3567     // f是float64类型

除了支持普通类型推导，Go还支持泛型的自动类型实参推导，下面是一个来自go spec的例子：

func scale[Number ~int64|~float64|~complex128](v []Number, s Number) []Number

var vector []float64
scaledVector := scale(vector, 42)

例子中，通过scale调用时传入的实参类型，编译器可以自动推导出scale的类型参数Number的实参为float64。更多关于Go泛型的语法细节，可以参考《Go语言第一课》专栏的泛型篇。

3. 类型检查

Go是一门强类型静态编程语言，意味着每个变量在使用之前都必须声明其类型。有了类型后，我们就可以按照Go类型系统规定的针对这个类型有效操作对其进行操作。

Go编译器以及运行时会分别在编译期间和运行期间对变量类型作检查，目的是确保操作只用于正确的类型，并且类型系统的规则被程序所遵守，保证类型安全等。

Go是强类型语言，并且没有隐式类型转换，所有类型转换都要以明确意图的显式类型转换来实施，Go编译器会在编译期间对类型转换进行检查，只有底层类型兼容的两个类型才可以实施显式转型：

type T1 int
type T2 struct{}

var i int = 5
var t T1
var s T2
t = i     // 错误，不是同一类型
t = T1(i) // ok，底层类型兼容
s = T2(t) // 错误，底层类型不兼容

除了编译期间的静态检查之外，Go类型系统还支持运行时动态类型检查，比如：检查传给接口变量的类型实例是否实现了该接口；在运行时对数组、切片类型的下标边界进行检查，确保下标不越界，保证内存安全等。

不过Go也提供了绕过类型系统检查的手段，比如unsafe.Pointer以及反射等。

4. 类型连接

Go并非经典OO语言，它的类型虽然可以拥有自己的方法(method)，但Go却没有提供经典OO中的复杂的继承层次结构，没有父类，没有子类，更没有供类型初始化的构造函数。在Go的类型系统中，类型之间建立连接的方式只有组合，通过类型嵌入(type embedding)，我们可以实现各类组合，可以嵌入非接口类型，亦可以嵌入接口来定义新组合后的类型。

通过类型组合，我们可以将各种类型连接在一起，共同对外提供聚合后的行为，包括多态能力。Go中标准的多态能力由interface类型实现，方法在运行时被分派，这取决于传给接口类型变量的具体类型。比如下面例子中AnimalQuackInForest中的Quack会依据传入的具体类型实例而分派，先后分派给Duck.Quack、Dog.Quack和Bird.Quack：

type QuackableAnimal interface {
    Quack()
}

type Duck struct{}

func (Duck) Quack() {
    println("duck quack!")
}

type Dog struct{}

func (Dog) Quack() {
    println("dog quack!")
}

type Bird struct{}

func (Bird) Quack() {
    println("bird quack!")
}                         

func AnimalQuackInForest(a QuackableAnimal) {
    a.Quack()
}                         

func main() {
    animals := []QuackableAnimal{new(Duck), new(Dog), new(Bird)}
    for _, animal := range animals {
        AnimalQuackInForest(animal)
    }
}

注：类型与接口之间的实现关系是隐式的，类型无需使用类implements关键字显式告知要实现的interface类型。

Go中的函数是一等公民，函数类型也可展现出一定的运行时多态能力，函数类型实例的最终执行结果取决于运行时传入的函数对象值。

三. 小结

Go提供了强大而又有趣的类型系统，不过Go没有提供enum、union类型，也不支持运算符重载(operator overloading)、函数重载、结构化错误处理以及可选/默认函数参数等。这与Go的设计者做出的保持Go简单的决策不无关系。同时类型系统在保证Go这门的语言的安全性方面也是功不可没。

如果你认真对待Go编程，你应该投入时间，了解它的类型系统和它的特殊性，这将是非常值得你花时间的。

四. 参考资料

• Type Systems in Software Explained With Examples – https://thevaluable.dev/type-system-software-explained-example/
• The Go type system for newcomers – https://rakyll.org/typesystem/
• Deep Dive Into the Go Type System – https://code.tutsplus.com/tutorials/deep-dive-into-the-go-type-system–cms-29065
• Understanding Golang Type System – https://thenewstack.io/understanding-golang-type-system/
• A Closer Look at Golang From an Architect’s Perspective – https://thenewstack.io/a-closer-look-at-golang-from-an-architects-perspective/
• https://go101.org/article/type-system-overview.html
• https://baziotis.cs.illinois.edu/compilers/the-weird-type-system-of-golang.html
• https://blog.ankuranand.com/2018/11/29/a-closer-look-at-go-golang-type-system/
• 《Type Systems for Programming Languages》 – https://ropas.snu.ac.kr/~kwang/520/pierce_book.pdf
• 《Programming with Types》 – https://book.douban.com/subject/35325133/
• Type Systems in Programming Languages – https://www.tektutorialshub.com/programming/type-systems-in-programming-languages/
• 《Category Theory for Programmers》 – https://book.douban.com/subject/30357114/
• Type system(维基百科) – https://en.wikipedia.org/wiki/Type_system
• 类型系统的比较 – https://en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_type_systems

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切片(slice)是Go语言中的一种重要的也是最常用的同构数据类型。在Go语言编码过程中，我们多数情况下会使用slice替代数组，一来是因为其动态可扩展，二来在多数场合传递slice的开销要比传递数组要小(这里有一些例外)。

切片算是“半个”零值可用的类型，为什么这么说呢？

当我们声明一个切片类型实例但在未显式初始化的情况下，我们不能直接对其做下标操作，比如：

var sl []int
sl[0] = 5 // 错误：引发panic

但是我们可以通过Go内置的append函数对其进行追加操作，即便sl目前的值为nil：

var sl []int
sl = append(sl, 5) // ok

到这里，我要提出本文要讨论的topic了：为什么append函数要通过返回值返回切片结果呢？再泛化一点：当你在函数设计环节遇到要传入传出切片类型时，你会如何设计函数的参数与返回值呢？下面我们就来探讨一下。

我们在$GOROOT/src/builtin/builtin.go中找到了append预置函数的原型：

func append(slice []Type, elems ...Type) []Type

显然参照“append”函数的设计，通过参数传入slice，通过返回值传出更新过的切片肯定是一个正确的方案，比如下面的第一版MyAppend函数：

func myAppend1(sl []int, elems ...int) []int {
    return append(sl, elems...)
}

func main() {
    var in = []int{1, 2, 3}
    fmt.Println("in slice:", in) // 输出：in slice: [1 2 3]
    fmt.Println("out slice:", myAppend1(in, 4, 5, 6)) // 输出：out slice: [1 2 3 4 5 6]
}

到这里，有些初学者会提出：切片不是动态数组吗？是不是可以既作为输入参数，又兼作输出参数呢？我理解提出这个问题的小伙伴们希望设计出像下面这样的函数原型：

func myAppend2(sl []int, elems ...int)

这里sl作为输入参数传入myAppend2，然后在myAppend2对其进行update后，myAppend2函数的调用者将得到更新后的sl。但实际情况是这样的吗？我们来看一下：

func myAppend2(sl []int, elems ...int) {
    sl = append(sl, elems...)
}

func main() {
    var inOut = []int{1, 2, 3}
    fmt.Println("in slice:", inOut)
    myAppend2(inOut, 4, 5, 6)
    fmt.Println("out slice:", inOut)
}

运行这段程序，我们得到如下结果：

in slice: [1 2 3]
out slice: [1 2 3]

我们看到myAppend2并未如我们预期的那样工作，传入的切片并未在myAppend2中得到预期的更新，这是为什么呢？首先这是与切片在运行时的表示有关的。在我的专栏和《Go语言精进之路》一书中都有对切片在运行时表示的细致讲解，这里简单说说：

切片在运行时由三个字段构成，reflect包中有切片在类型系统中表示的对应的定义：

// $GOROOT/src/reflect/value.go
type SliceHeader struct {
    Data uintptr  // 指向底层数组的指针
    Len  int      // 切片长度
    Cap  int      // 切片容量
}

此外，Go函数采用“值拷贝”的参数传递方式，这意味着myAppend2传递的切片sl实质上仅仅传递的是切片“描述符” – SliceHeader。myAppend2函数体内改变的是形参sl的各个字段的值，但myAppend2的实参并未受到任何影响，即执行完myAppend2后，inOut的len和cap依旧保持不变，而其底层数组是否改变了呢？在这个例子中肯定是“改变”了，但改变的是inOut长度(len)范围之外，cap之内的元素，通过对inOut的常规访问是无法获取到这些元素的。

那么我们该如何让slice作为in/out参数呢？答案是使用指向切片的指针，我们来看下面例子：

func myAppend3(sl *[]int, elems ...int) {
    (*sl) = append(*sl, elems...)
}

func main() {
    var inOut = []int{1, 2, 3}
    fmt.Println("in slice:", inOut) // in slice: [1 2 3]
    myAppend3(&inOut, 4, 5, 6)
    fmt.Println("out slice:", inOut) // out slice: [1 2 3 4 5 6]
}

我们看到myAppend3函数使用*[]int类型的形参的确解决了切片参数作为输入输出参数的问题：myAppend3对切片的更改操作都反映到inOut变量所代表的这个slice上了，即便在myAppend3内切片进行了动态扩容，inOut也能“捕捉”到这点。

不过我在Go标准库中查找了一下，使用指向切片的指针作为参数的函数“少得可怜”：

$grep "*\[\]" */*go|grep func
grep: cmd/cgo: Is a directory
grep: cmd/go: Is a directory
grep: runtime/cgo: Is a directory
log/log.go:func itoa(buf *[]byte, i int, wid int) {
log/log.go:func (l *Logger) formatHeader(buf *[]byte, t time.Time, file string, line int) {
regexp/onepass.go:func mergeRuneSets(leftRunes, rightRunes *[]rune, leftPC, rightPC uint32) ([]rune, []uint32) {
regexp/onepass.go:  extend := func(newLow *int, newArray *[]rune, pc uint32) bool {
runtime/mstats.go:func readGCStats(pauses *[]uint64) {
runtime/mstats.go:func readGCStats_m(pauses *[]uint64) {
runtime/proc.go:func saveAncestors(callergp *g) *[]ancestorInfo {

综上，当我们在函数设计时遇到切片类型数据时，如果要对切片做更新操作，优先还是要参考append函数的设计方案，即通过切片作为输入参数和返回值的方式实现该操作逻辑，必要时也可以使用指向切片的指针的方式传递切片，就像myAppend3那样。

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