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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语言第一课背后的那些事儿

本文永久链接 – https://tonybai.com/2021/10/25/the-things-behind-the-first-lesson-of-go-language

《Go语言第一课》正式上线一周多了,从编辑和运营老师那边反馈,成绩似乎还不错,感谢大家的捧场!今天和大家说说专栏《Go语言第一课》背后的那些事儿。

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年初策划:Gopher的《C++ Primer》

学过C++的童鞋想必都听说过或是读过《C++ Primer》这本书。


C++ Primer

从Primer这个单词所具有的“启蒙”的含义我们也可以知道,这是一门面向C++入门程序员的基础书籍。它的作者是大名鼎鼎的Stanley B.Lippman,他曾与C++之父在贝尔实验室一起主持了C++首个编译器项目cfront的开发,也曾加盟微软担任Visual C++产品的架构师,同时他还是那本C++经典《深度探索C++对象模型》一书的作者。

《C++ Primer》这本书是一部不折不扣的大部头儿,它的内容涵盖了C++的基础语法以及支持的多种编程范式,包括过程式的、基于对象(object-based)的、面向对象式的以及泛型编程,我手里的第三版影印版居然有1236页。但整本书讲解深入浅出,每次重读都会有新收获,是C++技术书籍领域永远的经典之一。据说明年会出版第六版

不管是哪种语言的程序员,想必大家都希望自己的语言有一部像《C++ Primer》这样的详实大作,作为Go开发人员的我也自然希望能有一本类似的“Go Primer”。但目前市面上包括似乎还没有哪本Go技术书籍的定位与《C++ Primer》相似,Go语言圣经《The Go Programming Language》一书的地位更接近于《The C++ Programming Language》

之前与慕课网合作了Go进阶专栏《改善Go语言编程质量的50个有效实践》,与机械工业出版社合作的更为系统的面向Go编程进阶的书籍也在后期制作中(据编辑老师反馈,应该年底前可出版)。虽然国内市场有很多gopher有进阶的需求,但有更多的开发人员有Go入门的需求。就像专栏开篇词中提到的那样,当前国内外互联网大厂、初创小厂都广泛接纳并应用Go,很多人都纷纷投身于Go语言的学习中。

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Go语言进阶专栏

于是在今年年初给自己做规划的时候,我就在想今天是否可以开始写出一本与《C++ Primer》定位类似,供Go入门开发者阅读的著作或开源电子书呢?也是在那时起,我就开始了《Go Primer》这本书的大纲规划。在我的最初想法中,Go Primer也必须是一部面向Go初学者的详实之作,但相较于C++这个宇宙第一复杂编程语言,Go语言要简单的多,因此大家不用担心Go Primer成书后的厚度。

对比一下《The C++ Programming Language》和《The Go Programming Language》大家就能知道大致厚度比例了^_^。


tcpl与tgpl两本书的厚度对比

一拍即合:从《Go Primer》到专栏《Go语言第一课》

4月末,极客时间的郭蕾总编在微信上联系我,和我说了从极客时间平台观察到的如今国内Go语言的发展趋势:

  • 就目前我们的观察来看,Go语言正在加速向企业渗透,越来越多的企业开始用Go。
  • 就目前我们的观察来看,越来越多的开发者考虑将Go语言作为第二门编程语言。
  • 云原生已经成为趋势,而Go语言是其主要采用的语言。
  • 字节跳动、美团、阿里、快手等头部公司正在大力推广Go。

郭总觉得国内很多人都想学Go,但是好的基础内容不多,希望能与我合作共同在极客时间平台上打造一门面向Go初学者的专栏,为国内Go语言的推广也做做贡献^_^。

在这之前,郭总曾给过我几个“命题专栏”,都因我的不擅长而婉拒。这次郭总开门见山,直接让我写一个关于Go入门的专栏,我顿时心动。考虑到自己也正在规划Go Primer,与专栏定位相似,借助极客时间这个国内头部的IT职业教育平台,让更多人花费较少的代价就能学到经过精心编写并与编辑老师共同打磨的专栏,同时,个人IP也能借由极客时间这个平台得到放大,何乐而不为呢^_^,于是很快就和郭总达成了合作意向。

撰写这个专栏,唯一的不足就是Go Primer这本书的计划就被延期了。

专栏打磨:编辑老师的催稿!催稿!催稿!

和之前慕课网稍宽松的时间不同,这次极客时间对专栏的上线时间有着较为严格的要求,错过档期可能就会错过的正在高峰期的市场。这样,从定下来合作那天起,我就开启了更忙碌的状态。每天晚上21点到24点或早晨4点到7点以及周末全天,都在看到我在书房埋头写稿的身影。

即便如此,我几乎还是每周被编辑老师催稿!催稿!催稿!这几个月也恰逢我在工作中最忙碌的一段时间,专栏的上线时间还因此延后过一次,大纲也做了重新策划:(。

和慕课编辑老师对专栏内容“干预”较少的风格不同,极客编辑老师全程参与大纲、开篇词与具体专栏课程内容的打磨,并且编辑老师读稿、改稿那是特别认真的。

和纯文字版专栏不同,极客时间还多了一个讲师录音频环节,这个我也是第一次录。音频编辑老师耐心的讲解,让我逐渐入道,在录了几篇后,感觉自己的录制水平与录制效率都有不小的提升。

学习建议:跟上了

今年读过一本名为《陪孩子走过初中三年》的书,书中女儿的初中班主任老师有一句名言:“跟上了”!作者对这句名言的解读是:学习上,她强调孩子们学习的时候不要掉队,意思是一要跟上老师的步子,上课认真听讲,课后老师留的作业要不打折扣地去完成;二也要跟上年级和班级的进度。只要能紧紧地跟上了,学习的问题就不会太大。

这里我也将这位老师的这句名言“跟上了”作为学习我的专栏的学习建议,只要你认真听完并看完每一篇专栏,专心思考每一讲课后的思考题,多多动手实践,多多在留言区与我交流。当完成这门专栏的学习后,你不完成Go语言的入门都难^_^。

“Go语言第一课”专栏上线后,我看到了很多学员的反馈,给我的感觉就是踊跃和积极,有些学员提出的问题非常棒,显然是认真学习认真思考后的结果。大家的这些反馈对我来说又何尝不是一种积极的鼓励呢!

专栏刚刚上线,还有很多课的稿还在撰写中,大家的反馈会对我后面的课程内容产生积极影响,这就好比美剧制作模式,通过pilot和已播放的每一集来获得大众反馈,后面的剧情很可能因大家的反馈而得到更好的打磨与改善。

后续:继续专心备稿,力争打造精品专栏

大家在专栏上的每一个留言我都认真阅读了,对于一些留言,我也做了细致的回答。再次感谢大家留言,希望大家继续踊跃反馈你的意见、建议与问题。

个人能力水平有限,专栏中也难免会出现这样或那样的错误,也希望大家批评指正^_^。

不说了,我要专心备稿了,争取把这个专栏打造成精品专栏^_^。


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