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Go GC:了解便利背后的开销

本文永久链接 – https://tonybai.com/2023/06/13/understand-go-gc-overhead-behind-the-convenience

注:本文部分摘录自GopherChina 2023前的《Go高级工程师训练营》课程。

1. 简介

当今,移动互联网和人工智能的快(越)速(来)发(越)展(卷),对编程语言的高效性和便利性提出了更高的要求。Go作为一门高效、简洁、易于学习的编程语言,受到了越来越多开发者的青睐。

Go语言的垃圾回收机制(Garbage Collection,简称 GC)是其重要的运行机制之一,它可以帮助开发人员避免手动管理内存的复杂性和错误,为开发者带来开发上的便利,使开发者可以更专注于业务逻辑的实现。然而,GC的便利性背后也带来了一定的系统开销,作为成熟的Go开发者,我们需要了解GC带来的开销和优化方法,以帮助我们更好的了解和使用Go语言。

了解Go GC的原理是了解GC开销的前提条件,我们首先来简要看看Go GC的原理。

2. Go GC的简明原理

Go语言的垃圾回收器采用了并发三色标记清除算法(Concurrent Tri-Color Mark-And-Sweep),尽可能减少STW(stop the world)时间,以降低吞吐为代价换取低延迟,实现了高效的垃圾回收。

标记清除算法的基本原理是,垃圾回收器将所有的存活对象标记为“活”的,未被标记的对象则被认为是垃圾。经典的标记清除算法通常分为两个阶段:

  • 标记阶段:垃圾回收器从根对象开始,遍历所有可达对象,并将它们标记为“活”的。
  • 清除阶段:垃圾回收器从堆的起始地址开始遍历,将未被标记的对象清除,回收内存。

Go语言的垃圾回收器采用了三色标记法(Tri-Color Marking),将堆上的内存对象分为三种颜色:

  • 白色:未被标记为“活”的对象,是潜在的垃圾,后续可能会被GC回收。
  • 灰色:待扫描的对象,当扫描某个灰色对象时,GC会将其标记为黑色,然后将该对象指向的所有对象都标记为灰色,待后续标记。
  • 黑色:被标记为“活”的对象,在这轮GC中不会被回收。

垃圾回收器开始工作时不存在黑色对象,垃圾回收器会将根对象标记为灰色,并从根对象(通常是栈对象和全局对象)开始遍历。垃圾回收器会将灰色对象标记为黑色,并将该对象指向的对象标记为灰色。垃圾回收器重复这个过程,直到所有可达对象都被标记为黑色。最后,垃圾回收器清除所有未被标记为黑色的对象,即清除所有白色对象。

前面提到过,Go语言的GC采用了并发标记的技术,以减少GC对系统性能的影响。并发标记指的是在GC运行时程序仍然可以继续运行,而不必停止程序的执行。为了避免程序修改对象时对标记的影响,GC会利用混合写屏障技术,在对象被修改时进行特殊标记(若程序修改黑色对象(已被扫描完毕,不会再扫描),使之指向白色对象时,写屏障技术会将白色对象标记为灰色,避免白色对象被释放导致黑色对象出现悬挂指针的情况)。写屏障技术可以有效避免并发标记阶段的错误标记,但也会带来一定的性能开销

3. GC的开销

从上面的Go GC原理来看,GC在带来便利的同时,开销是不可避免的。

3.1 GC开销的主要来源

GC开销的主要来源包括以下几个:

  • STW时间

Go诞生初期,GC的实现不是很成熟,STW时间很长,这让很对想使用Go在生产上作为一番的开发人员打了“退堂鼓”。Go 1.5版本自举后,GC的STW时间大幅下降,又经过几个版本的打磨后,STW时间已经被Go降低到很短了,通常情况下都在1毫秒以内,甚至可以到几十微秒,STW时间的大幅缩短让Go真正走进了生产环境。

不过再短的STW对于程序执行来说也是开销,因为STW期间,所有属于业务逻辑的代码都无法向前推进(make progress)。

那么一个GC周期究竟会做几次STW呢?这里借用“Go语言原本”中的一个表格:

这个表格描述了Go垃圾回收器主要包含的五个阶段,我们看到虽然采用了并发三色标记和清除,但在一次GC周期内,还是要有2次STW,一次是结束标记,关闭写屏障,另一次是为下一个周期的并发标记做准备,开启写屏障。

STW时间依然是GC开销的主要来源之一。减少STW时间对于优化GC的性能依然至关重要,尤其是任意场景下都要保证尽可能短暂的STW,但这是Go core团队的任务。

  • 标记与清除阶段的负荷

在标记与清除阶段,GC需要遍历堆内存中的所有对象,并进行标记和清除,这也是十分消耗cpu的工作。

  • 标记辅助

GC的并发标记并非只是由特定(dedicated) goroutine去完成的,为了保证GC标记清扫的速度不低于业务goroutine分配内存的速度,保证程序不因消耗内存过快过大而被OS OOM(Out Of Memory) Killed,GC引入标记辅助技术,即让每个业务goroutine都有机会参与到GC标记工作中来!并且,这种标记辅助采用的是一种补偿机制,即该业务goroutine分配的内存越多,它要辅助标记的内存就越多。一旦某个业务goroutine被“拉壮丁”执行标记辅助工作,那么该goroutine的业务执行就会暂停,业务逻辑也就无法向前推进。

  • 堆内存的释放

当Go GC回收了堆内存之后,如果堆的大小变得比之前小了,那么垃圾回收器会向操作系统归还多余的内存空间。在Linux等操作系统中,操作系统会将这些内存页标记为“未使用”,但是这些内存页并不会立即返回给操作系统,而是留给程序使用,以便程序将来再次申请内存时可以直接使用已经分配的内存页,从而减少内存分配的时间和开销。当程序没有使用这些内存页一段时间后,操作系统会将这些内存页回收,并将它们标记为“可用”,并在需要时重新分配给程序。这个过程是由操作系统的虚拟内存管理机制来完成的,具体的开销取决于操作系统的实现和硬件的性能等因素。

3.2 度量GC的开销

由于标记辅助技术的存在,单纯地从每个GC cycle的执行时间以及GC间隔时间来度量GC开销似乎就不那么准确了,更为直观的反映GC开销的是GC消耗cpu的占比

不过目前上没有特别好的工具可以特别直观且直接告诉你当前Go程序执行时GC CPU占用率。我们可以通过pprof工具或类似Pyroscope这样的持续profiling的图形化工具来间接查看GC的cpu占用。

比如:通过Pyroscope提供的火焰图,查看runtime.gcBgMarkWorker(runtime后台专用的用于GC标记阶段的goroutine执行的函数)和runtime.gcAssistAlloc(标记辅助时调用的函数)的cpu消耗时间。

更为完整的Go runtime metrics指标,可以查看metrics包的文档

注:GODEBUG=gctrace=1可以输出关于每个GC周期的详细信息,关于详细信息中各个字段的解读可以参见这里。更高级的选手还可以使用Go execution tracer工具来剖析GC的开销。

GC的CPU开销占比通常在25%以下,一旦超过这个负荷比例,就要考虑做调优了,Go保证GC cpu占用不会超过50%

4. 优化GC的开销

优化GC的开销是提高系统性能和响应速度的重要手段。

前面我们分析了Go GC开销的主要来源。下面就针对每种来源说说优化开销的可能性与手段。

4.1 缩短STW时间

我们知道一旦GC STW后,所有业务逻辑都将暂停,这期间的CPU由GC 100%占用,降低STW时间是降低gc cpu占比的好方法。不过STW的算法是Go核心团队把控的,降低每个GC周期的STW时间也是Go核心团队的不二职责。从用户层面是很难影响到单次STW时间的。

不过,我们可以通过减少GC次数来间接减少STW次数,从而降低GC CPU占比。当然减少GC次数对后面的所有优化手段都有效,这是一个总开关。

那么如何减少GC次数呢?我们先来了解GC的触发时机。Go GC触发时机大体分为三种:

  • 手动触发:调用runtime.GC()
  • 常规触发:Target heap memory = Live heap + (Live heap + GC roots) * GOGC / 100
  • sysmon后台周期性强制触发GC

我们看到,这三种触发时机我们能干预的只有常规触发,而常规触发的公式中,可以调整的只有GOGC这个参数(等价于debug.SetGCPercent())。GOGC默认值为100,也就是说当新分配heap内存的数量是上一周期的活跃heap内存的一倍的时候,触发GC:

如果我们将GOGC改为200,那么GC的触发间隔将增加,频度会下降,CPU开销会降低(6.4%->3.8%),如下图:

不过这是以整个程序的内存开销增大为代价的(40MB -> 60MB),并且对一般开发者而言,GOGC的值改起来确有风险,稍有不慎可能就会触发OMM killed。之前uber曾发表一篇文章,讲述了uber是如何通过在线自动调整GOGC参数来大幅降低CPU资源开销的,可以一看。

当然除了GOGC这一个唯一可调参数外,Go社区在降低GC频率方面也有自己的小妙招,比如之前经常使用的ballast(压舱石)技术。其原理就是在程序初始化时先分配一块大内存:

func main() {

    // Create a large heap allocation of 10 GiB
    ballast := make([]byte, 10<<30)

    // Application execution continues
    // ...
    runtime.KeepAlive(ballast) // make sure the ballast won't be collected
}

这块内存仅体现在VSZ中,即该程序进程的虚拟内存中,但并不占用程序进程的常驻内存(RSS)中。但一旦分配,Go GC就会将其算作是一个“活”堆内存对象,在计算下一次GC时就会将其作为上述公式中的live heap考量。如果ballast为10GB,那么GC就会在程序每新分配10GB内存时才会被触发。

注:RSS是这个进程目前在主内存(RAM)中拥有多少内存。VSZ是该进程总共有多少虚拟内存。

Go 1.19版本引入了Soft memory limit,这个方案在runtime/debug包中添加了一个名为SetMemoryLimit的函数以及GOMEMLIMIT环境变量,通过他们任意一个都可以设定Go应用的Memory limit。

一旦设定了Memory limit,当Go堆大小达到“Memory limit减去非堆内存后的值”时,一轮GC会被触发。即便你手动关闭了GC(GOGC=off),GC亦会被触发。 不过soft memory limit不保证不会出现oom-killed。并且如果一个Go应用的live heap object超过了soft memory limit但还尚未被kill,那么此时GC可能会被频繁触发,将大量消耗cpu资源:

但为了保证在这种情况下业务依然能继续进行,soft memory limit方案保证GC最多只会使用50%的CPU算力,以保证业务处理依然能够得到cpu资源。

那么多大的值是合理的soft memory limit值呢?在Go服务独占容器资源时,一个好的经验法则是留下额外的5-10%的空间。uber在其博客中设定的limit为资源上限的70%,也是一个不错的经验值。

Memory Limit被看作是Go官方的ballast替代方案,但还是不有所不同的。Memory limit只是规定了一个上限,如果未到memory limit,Go的常规GC还是会照例执行的。GOGC=off+ soft Memory limit下的行为特征与ballast更类似,不过将GC关掉的风险还是很大的,要三思而后行。

Go GC没有采用分代机制,每次都是FullGC,减少GC次数确是降低GC CPU开销的良方。不过除此之外,我们还有一个优化GC开销的方法,我们继续看。

4.2 减少堆内存的分配和释放

GC开销大的根源在于heap object多,Go的每轮GC都是FullGC,每轮都要将所有heap object标记(mark)一遍,即便大多数heap object都是长期alive的,因此,一个直观的降低GC开销的方法就是减少heap object的数量,即减少alloc

沿着这样的思路,我们可以很直接的想出如下两种手段:

  • 把小对象聚合到一个结构体中,然后做一次分配即可

这样不仅利于减少分配次数,还有利于减少堆内存碎片,提高堆内存的利用率。如果整个结构体中没有指针对象,那么结构体的分配与释放将更加高效,具体原因可参见我的《Go GC如何检测内存对象中是否包含指针》一文。

  • 重用

Go GC开销优化的一个典型手段就是内存空间重用,即建立一个池子,需要的时候从池中申请,用完后再放回池子里,供其他goroutine重用。这个过程不再有分配与释放。

Go中最典型的重用的例子就是sync.Pool的使用,不过sync.Pool并非完全不做释放操作,它是在一定程度上提高了重用的比例罢了。

5. 小结

Go GC的自动内存管理减少了内存泄漏和悬挂指针等问题。然而,GC给开发者带来便利的同时,开销也是不可避免的,它会对系统的性能和响应速度产生影响。Go开发者需要了解这些开销。

在本文中,我们介绍了GC的基本原理、GC的开销及其主要来源,并提供了优化GC开销的一些方法。

然而,要想有效地利用 GC,开发者需要了解其内部机制和算法,并根据实际情况进行调优。

除了通过GC参数降低GC频率外,在实际编码过程中,开发者还应该尽可能地减少对象的分配以降低Go每轮FullGC扫描对象的数量。

GC的优化是一项长期的工作。开发者应该不断地监控系统的性能和行为,并根据需要进行调整和优化,以确保系统的性能和响应速度始终保持在最佳状态。

6. 参考资料


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Go语言反射编程指南

本文永久链接 – https://tonybai.com/2023/06/04/reflection-programming-guide-in-go

反射是一种编程语言的高级特性,它允许程序在运行时检视自身的结构和行为。通过反射,程序可以动态地获取类型(type)与值(value)等信息,并对它们进行操作,诸如修改字段、调用方法等,这使得程序具有更大的灵活性和可扩展性。

不过,反射虽然具有强大的功能,但也存在一些缺点。由于反射是在运行时进行的,因此它比直接调用代码的性能要差。此外,反射还可能导致代码的可读性和维护性降低,因为它使得程序行为更加难以预测和理解。因此,在使用反射时需要注意性能和可维护性。

Go从诞生伊始就在运行时支持了反射,并在标准库中提供了reflect包供开发者进行反射编程时使用。在这篇文章中,我们就来系统地了解一下如何在Go中通过reflect包实现反射编程。

注:我的Go语言精进之路一书有关于Go反射的进阶讲解,欢迎阅读。

1. Go语言反射基础

相对于C/C++等系统编程语言,Go的运行时承担的功能要更多一些,比如Goroutine调度Go内存垃圾回收(GC)等。同时反射也为开发者与运行时之间提供了一个方便的、合法的交互窗口。通过反射,开发者可以合法的窥探关于Go类型系统的一些元信息。

注:《Go语言第一课》专栏第31~34讲对Goroutine调度以及Go并发编程做了系统详细的讲解,欢迎阅读。

Go语言的反射包(reflect包)是一个内置的包,它提供了一组API,能够在运行时获取和修改Go语言程序的结构和行为。reflect包也是所有Go反射编程的基础API,是进行Go反射编程的必经之路。

在本节中,我们将会探讨reflect包的一些基础知识,包括Type和Value两个重要的反射包类型,以及如何使用TypeOf和ValueOf方法来获取类型信息和值信息。

1.1 Type和Value

在reflect包中,Type和Value是两个非常重要的概念,它们分别表示了反射世界中的类型信息和值信息。

Type表示一个类型的元信息,它包含了类型的名称、大小、方法集合等信息。在反射编程中,我们可以使用TypeOf函数来获取一个值的类型信息。

Value表示一个值的信息,它包含了值的类型、值本身以及对值进行操作的方法集合等信息。在反射中,我们可以使用ValueOf函数来获取一个值的Value信息。

reflect包的TypeOf和ValueOf两个函数是进入反射世界的基本入口。下面我们来看看这两个函数的基本用法示例。

1.2 如何获取类型信息(TypeOf)

获取类型信息是反射的一个重要功能。在Go语言中,我们可以使用reflect包的TypeOf函数来获取一个值的类型信息。TypeOf函数的签名如下:

func TypeOf(i any) Type

注:any是interface{}的alias type,是Go 1.18中引入的预定义标识符。

TypeOf函数接受一个任意类型的值作为参数,并返回该值的类型信息,即interface{}接口类型变量中存储的动态类型信息。例如,我们可以使用TypeOf函数获取一个字符串的类型信息:

import (
    "fmt"
    "reflect"
)

func main() {
    s := "hello, world!"
    t := reflect.TypeOf(s)
    fmt.Println(t.Name()) // string
}

用图直观表示如下:

1.4 如何获取值信息(ValueOf)

获取值信息是反射的另一个重要功能。在Go语言中,我们可以使用reflect包的ValueOf函数来获取一个值的Value信息。ValueOf函数的签名如下:

func ValueOf(i any) Value

ValueOf函数接受一个任意类型的值作为参数,并返回该值的Value信息,即interface{}接口类型变量中存储的动态类型的值的信息。例如,我们可以使用ValueOf函数获取一个整数的Value信息:

import (
    "fmt"
    "reflect"
)

func main() {
    i := 42
    v := reflect.ValueOf(i)
    fmt.Println(v.Int()) // 42
}

在上述示例中,我们首先定义了一个整数i,然后使用ValueOf函数获取其Value信息,并调用Int方法获取其值。

用图直观表示如下:

以上就是reflect包TypeOf和ValueOf函数的基本用法的示例,下面我们再来详细看看获取不同类型的类型信息和值信息的细节。

2. 检视类型信息和调用类型方法

reflect.Type实质上是一个接口类型,它封装了reflect可以提供的类型信息的所有方法(Go 1.20版本中的reflect.Type):

// $GOROOT/src/reflect/type.go

type Type interface {
    // Methods applicable to all types.

    // Align returns the alignment in bytes of a value of
    // this type when allocated in memory.
    Align() int

    // FieldAlign returns the alignment in bytes of a value of
    // this type when used as a field in a struct.
    FieldAlign() int

    // Method returns the i'th method in the type's method set.
    // It panics if i is not in the range [0, NumMethod()).
    //
    // For a non-interface type T or *T, the returned Method's Type and Func
    // fields describe a function whose first argument is the receiver,
    // and only exported methods are accessible.
    //
    // For an interface type, the returned Method's Type field gives the
    // method signature, without a receiver, and the Func field is nil.
    //
    // Methods are sorted in lexicographic order.
    Method(int) Method

    // MethodByName returns the method with that name in the type's
    // method set and a boolean indicating if the method was found.
    //
    // For a non-interface type T or *T, the returned Method's Type and Func
    // fields describe a function whose first argument is the receiver.
    //
    // For an interface type, the returned Method's Type field gives the
    // method signature, without a receiver, and the Func field is nil.
    MethodByName(string) (Method, bool)

    // NumMethod returns the number of methods accessible using Method.
    //
    // For a non-interface type, it returns the number of exported methods.
    //
    // For an interface type, it returns the number of exported and unexported methods.
    NumMethod() int

    // Name returns the type's name within its package for a defined type.
    // For other (non-defined) types it returns the empty string.
    Name() string

    // PkgPath returns a defined type's package path, that is, the import path
    // that uniquely identifies the package, such as "encoding/base64".
    // If the type was predeclared (string, error) or not defined (*T, struct{},
    // []int, or A where A is an alias for a non-defined type), the package path
    // will be the empty string.
    PkgPath() string

    // Size returns the number of bytes needed to store
    // a value of the given type; it is analogous to unsafe.Sizeof.
    Size() uintptr

    // String returns a string representation of the type.
    // The string representation may use shortened package names
    // (e.g., base64 instead of "encoding/base64") and is not
    // guaranteed to be unique among types. To test for type identity,
    // compare the Types directly.
    String() string

    // Kind returns the specific kind of this type.
    Kind() Kind

    // Implements reports whether the type implements the interface type u.
    Implements(u Type) bool

    // AssignableTo reports whether a value of the type is assignable to type u.
    AssignableTo(u Type) bool

    // ConvertibleTo reports whether a value of the type is convertible to type u.
    // Even if ConvertibleTo returns true, the conversion may still panic.
    // For example, a slice of type []T is convertible to *[N]T,
    // but the conversion will panic if its length is less than N.
    ConvertibleTo(u Type) bool

    // Comparable reports whether values of this type are comparable.
    // Even if Comparable returns true, the comparison may still panic.
    // For example, values of interface type are comparable,
    // but the comparison will panic if their dynamic type is not comparable.
    Comparable() bool

    // Methods applicable only to some types, depending on Kind.
    // The methods allowed for each kind are:
    //
    //  Int*, Uint*, Float*, Complex*: Bits
    //  Array: Elem, Len
    //  Chan: ChanDir, Elem
    //  Func: In, NumIn, Out, NumOut, IsVariadic.
    //  Map: Key, Elem
    //  Pointer: Elem
    //  Slice: Elem
    //  Struct: Field, FieldByIndex, FieldByName, FieldByNameFunc, NumField

    // Bits returns the size of the type in bits.
    // It panics if the type's Kind is not one of the
    // sized or unsized Int, Uint, Float, or Complex kinds.
    Bits() int

    // ChanDir returns a channel type's direction.
    // It panics if the type's Kind is not Chan.
    ChanDir() ChanDir

    // IsVariadic reports whether a function type's final input parameter
    // is a "..." parameter. If so, t.In(t.NumIn() - 1) returns the parameter's
    // implicit actual type []T.
    //
    // For concreteness, if t represents func(x int, y ... float64), then
    //
    //  t.NumIn() == 2
    //  t.In(0) is the reflect.Type for "int"
    //  t.In(1) is the reflect.Type for "[]float64"
    //  t.IsVariadic() == true
    //
    // IsVariadic panics if the type's Kind is not Func.
    IsVariadic() bool

    // Elem returns a type's element type.
    // It panics if the type's Kind is not Array, Chan, Map, Pointer, or Slice.
    Elem() Type

    // Field returns a struct type's i'th field.
    // It panics if the type's Kind is not Struct.
    // It panics if i is not in the range [0, NumField()).
    Field(i int) StructField

    // FieldByIndex returns the nested field corresponding
    // to the index sequence. It is equivalent to calling Field
    // successively for each index i.
    // It panics if the type's Kind is not Struct.
    FieldByIndex(index []int) StructField

    // FieldByName returns the struct field with the given name
    // and a boolean indicating if the field was found.
    FieldByName(name string) (StructField, bool)

    // FieldByNameFunc returns the struct field with a name
    // that satisfies the match function and a boolean indicating if
    // the field was found.
    //
    // FieldByNameFunc considers the fields in the struct itself
    // and then the fields in any embedded structs, in breadth first order,
    // stopping at the shallowest nesting depth containing one or more
    // fields satisfying the match function. If multiple fields at that depth
    // satisfy the match function, they cancel each other
    // and FieldByNameFunc returns no match.
    // This behavior mirrors Go's handling of name lookup in
    // structs containing embedded fields.
    FieldByNameFunc(match func(string) bool) (StructField, bool)

    // In returns the type of a function type's i'th input parameter.
    // It panics if the type's Kind is not Func.
    // It panics if i is not in the range [0, NumIn()).
    In(i int) Type

    // Key returns a map type's key type.
    // It panics if the type's Kind is not Map.
    Key() Type

    // Len returns an array type's length.
    // It panics if the type's Kind is not Array.
    Len() int

    // NumField returns a struct type's field count.
    // It panics if the type's Kind is not Struct.
    NumField() int

    // NumIn returns a function type's input parameter count.
    // It panics if the type's Kind is not Func.
    NumIn() int

    // NumOut returns a function type's output parameter count.
    // It panics if the type's Kind is not Func.
    NumOut() int

    // Out returns the type of a function type's i'th output parameter.
    // It panics if the type's Kind is not Func.
    // It panics if i is not in the range [0, NumOut()).
    Out(i int) Type

    common() *rtype
    uncommon() *uncommonType
}

我们看到这是一个“超级接口”,严格来说并不符合Go接口设计的惯例。

注:Go崇尚小接口。以Type接口为例,可以对Type接口做进一步分解,分解成若干内聚的小接口,然后将Type看成小接口的组合。

对于不同类型,Type接口的有些方法是冗余的,比如像上面的NumField、NumIn和NumOut方法对于一个int变量的类型信息来说就毫无意义。Type类型的注释中也提到:“Not all methods apply to all kinds of types”。

一旦通过TypeOf进入反射世界,拿到Type类型变量,那么我们就可以基于上述方法“翻看”类型的各种信息了。

对于像int、float64、string这样的基本类型来说,其类型信息的检视没有太多可说的。但对于其他类型,诸如复合类型、指针类型、函数类型等,还是有一些可聊聊的,我们下面逐一简单地看一下。

2.1 复合类型

2.1.1 数组类型

在Go中,数组类型是一种典型的复合类型,它有若干属性,包括数组长度、数组是否支持可比较、数组元素的类型等,看下面示例:

import (
    "fmt"
    "reflect"
)

func main() {
    arr := [5]int{1, 2, 3, 4, 5}
    typ := reflect.TypeOf(arr)
    fmt.Println(typ.Kind())       // array
    fmt.Println(typ.Len())        // 5
    fmt.Println(typ.Comparable()) // true

    elemTyp := typ.Elem()
    fmt.Println(elemTyp.Kind())       // int
    fmt.Println(elemTyp.Comparable()) // true
}

注:通过类型信息无法间接得到值信息,反之不然,稍后系统说明reflect.Value时会提到。

在这个例子,我们输出了arr这个数组类型变量的Kind信息。什么是Kind信息呢?reflect包中是如此定义的:

// A Kind represents the specific kind of type that a Type represents.
// The zero Kind is not a valid kind.
type Kind uint

const (
    Invalid Kind = iota
    Bool
    Int
    Int8
    Int16
    Int32
    Int64
    Uint
    Uint8
    Uint16
    Uint32
    Uint64
    Uintptr
    Float32
    Float64
    Complex64
    Complex128
    Array
    Chan
    Func
    Interface
    Map
    Pointer
    Slice
    String
    Struct
    UnsafePointer
)

我们可以将Kind当做是Go type信息的元信息,对于基本类型来说,如int、string、float64等,它的kind和它的type的表达是一致的。但对于像数组、切片等类型,kind更像是type的type。

以两个数组类型为例:

var arr1 [10]string
var arr2 [8]int

这两个数组类型的类型分别是[10]string和[8]int,但它们在反射世界的reflect.Type的Kind信息却都为Array。

再比如下面两个指针类型:

var p1 *float64
var p2 *MyFoo

这两个指针类型的类型分别是*float64和*MyFoo,但它们在反射世界的reflect.Type的Kind信息却都为Pointer。

Kind信息可以帮助开发人员在反射世界中区分类型,以对不同类型作不同的处理。比如对于Kind为Int的reflect.Type,你不能使用其Len()方法,否则会panic;但对于Kind为Array的则可以。开发人员使用反射提供的Kind信息可以处理不同类型的数据。

2.1.2 切片类型

在Go中切片是动态数组,可灵活、透明的扩容,多数情况下切片都能替代数组完成任务。在反射世界中通过reflect.Type我们可以获取切片类型的信息,包括元素类型等。下面是一个示例:

package main

import (
    "fmt"
    "reflect"
)

func main() {
    s := make([]int, 5, 10)
    typ := reflect.TypeOf(s)
    fmt.Println(typ.Kind()) // slice
    fmt.Println(typ.Elem()) // int
}

如果我们使用上面的变量typ调用Type类型的Len和Cap方法会发生什么呢?在运行时,你将得到类似”panic: reflect: Len of non-array type []int”的报错!

那么问题来了!切片长度、容量到底是否是slice type的信息范畴呢? 我们来看一个例子:

var a = make([]int, 5, 10)
var b = make([]int, 7, 8) 

变量a和b的类型都是[]int。显然长度、容量等并不在切片类型的范畴,而是与切片变量值绑定的,下面的示例印证了这一点:

func main() {
    s := make([]int, 5, 10)
    val := reflect.ValueOf(s)
    fmt.Println(val.Len()) // 5
    fmt.Println(val.Cap()) // 10
}

我们获取了切片变量s的reflect.Value信息,通过Value我们得到了变量s的长度和容量信息。

2.1.3 结构体类型

结构体类型是与反射联合使用的重要类型,下面代码展示了如何通过reflect.Type获取结构体类型的相关信息:

package main

import (
    "fmt"
    "reflect"
)

type Person struct {
    Name string `json:"name"`
    Age  int    `json:"age"`
    gender  string
}

func (p Person) SayHello() {
    fmt.Printf("Hello, my name is %s, and I'm %d years old.\n", p.Name, p.Age)
}
func (p Person) unexportedMethod() {
}

func main() {
    p := Person{Name: "Tom", Age: 20, gender: "male"}
    typ := reflect.TypeOf(p)
    fmt.Println(typ.Kind())                   // struct
    fmt.Println(typ.NumField())               // 3
    fmt.Println(typ.Field(0).Name)            // Name
    fmt.Println(typ.Field(0).Type)            // string
    fmt.Println(typ.Field(0).Tag)             // json:"name"
    fmt.Println(typ.Field(1).Name)            // Age
    fmt.Println(typ.Field(1).Type)            // int
    fmt.Println(typ.Field(1).Tag)             // json:"age"
    fmt.Println(typ.Field(2).Name)            // gender
    fmt.Println(typ.Method(0).Name)           // SayHello
    fmt.Println(typ.Method(0).Type)           // func(main.Person)
    fmt.Println(typ.Method(0).Func)           // 0x109b6e0
    fmt.Println(typ.MethodByName("SayHello")) // {SayHello func(main.Person)}
    fmt.Println(typ.MethodByName("unexportedMethod")) // {  <nil> <invalid Value> 0} false
}

从上面例子可以看到,我们可以使用NumField、Field、NumMethod、Method和MethodByName等方法获取结构体的字段信息和方法信息。其中,Field方法返回的是StructField类型的值,包含了字段的名称、类型、标签等信息;Method方法返回的是Method类型的值,包含了方法的名称、类型和函数值等信息。

不过要注意:通过Type可以得到结构体中非导出字段的信息(如上面示例中的gender),但无法获取结构体类型的非导出方法信息(如上面示例中的unexportedMethod)

2.1.4 channel类型

channel是Go特有的类型,channel与切片很像,它的类型信息包括元素类型、chan读写特性,但channel的长度与容量与channel变量是绑定的,看下面示例:

package main

import (
    "fmt"
    "reflect"
)

func main() {
    ch := make(chan<- int, 10)
    ch <- 1
    ch <- 2
    typ := reflect.TypeOf(ch)
    fmt.Println(typ.Kind())      // chan
    fmt.Println(typ.Elem())      // int
    fmt.Println(typ.ChanDir())   // chan<-

    fmt.Println(reflect.ValueOf(ch).Len()) // 2
    fmt.Println(reflect.ValueOf(ch).Cap()) // 10
}

基于反射和channel可以实现一些高级操作,比如之前写过一篇《使用反射操作channel》,大家可以移步看看。

2.1.5 map类型

map是go常用的内置的复合类型,它是一个无序键值对的集合,通过反射可以获取其键和值的类型信息:

package main

import (
    "fmt"
    "reflect"
)

func main() {
    m := map[string]int{"a": 1, "b": 2, "c": 3}
    typ := reflect.TypeOf(m)
    fmt.Println(typ.Kind()) // map
    fmt.Println(typ.Key())  // string
    fmt.Println(typ.Elem()) // int        

    fmt.Println(reflect.ValueOf(m).Len()) // 3
}

我们看到,和切片一样,map变量的长度信息是与map变量的Value绑定的,另外要注意:map变量不能获取容量信息

2.2 指针类型

指针类型是一个大类,通过Type可以获得指针的kind和其指向的变量的类型信息:

package main

import (
    "fmt"
    "reflect"
)

func main() {
    i := 10
    p := &i
    typ := reflect.TypeOf(p)
    fmt.Println(typ.Kind())                      // ptr
    fmt.Println(typ.Elem())                      // int
}

2.3 接口类型

接口即契约。在Go中非作为约束的接口类型本质就是一个方法集合,通过reflect.Type可以获得接口类型的这些信息:

package main

import (
    "fmt"
    "reflect"
)

type Animal interface {
    Speak() string
}

type Cat struct{}

func (c Cat) Speak() string {
    return "Meow"
}

func main() {
    var a Animal = Cat{}
    typ := reflect.TypeOf(a)
    fmt.Println(typ.Kind())         // struct
    fmt.Println(typ.NumMethod())    // 1
    fmt.Println(typ.Method(0).Name) // Speak
    fmt.Println(typ.Method(0).Type) // func(main.Cat) string
}

2.4 函数类型

函数在Go中是一等公民,我们可以将其像普通int类型那样去使用,传参、赋值、做返回值都是ok的。下面是通过Type获取函数类型信息的示例:

package main

import (
    "fmt"
    "reflect"
)

func foo(a, b int, c *int) (int, bool) {
    *c = a + b
    return *c, true
}

func main() {
    typ := reflect.TypeOf(foo)
    fmt.Println(typ.Kind())                      // func
    fmt.Println(typ.NumIn())                     // 3
    fmt.Println(typ.In(0), typ.In(1), typ.In(2)) // int int *int
    fmt.Println(typ.NumOut())                    // 2
    fmt.Println(typ.Out(0))                      // int
    fmt.Println(typ.Out(1))                      // bool
}

我们看到和其他类型不同,函数支持NumOut、NumIn、Out等方法。其中In是输出参数的集合,Out则是返回值参数的集合。

注:上述示例foo纯粹为了演示,不要计较其合理性问题。

3. 获取与修改值信息

掌握了如何在反射世界获取一个变量的类型信息后,我们再来看看如何在反射世界获取并修改一个变量的值信息。之前在《使用reflect包在反射世界里读写各类型变量》一文中详细讲解了使用reflect读写变量的值信息,大家可以移步那篇文章阅读。

注:并不是所有变量都可以修改值的,可以使用Value的CanSet方法判断值是否可以设置。

4. 调用函数与方法

通过反射我们可以在反射世界调用函数,也可以调用特定类型的变量的方法。

下面是一个通过reflect.Value调用函数的简单例子:

package main

import (
    "fmt"
    "reflect"
)

func add(a, b int) int {
    return a + b
}

func main() {
    // 获取函数类型变量
    val := reflect.ValueOf(add)
    // 准备函数参数
    args := []reflect.Value{reflect.ValueOf(1), reflect.ValueOf(2)}
    // 调用函数
    result := val.Call(args)
    fmt.Println(result[0].Int()) // 输出:3
}

从示例看到,我们通过Value的Call方法来调用函数add。add有两个入参,我们不能直接传入int类型,因为这是在反射世界,我们要用反射世界的“专用参数”,即ValueOf后的值。Call的结果就是反射世界的返回值的Value形式,通过Value.Int方法可以还原反射世界的Value为int。

注:通过reflect.Type无法调用函数和方法。

方法的调用与函数调用类似,下面是一个例子:

import (
    "fmt"
    "reflect"
)

type Rectangle struct {
    Width  float64
    Height float64
}

func (r Rectangle) Area(factor float64) float64 {
    return r.Width * r.Height * factor
}

func main() {
    r := Rectangle{Width: 10, Height: 5}
    val := reflect.ValueOf(r)
    method := val.MethodByName("Area")
    args := []reflect.Value{reflect.ValueOf(1.5)}
    result := method.Call(args)
    fmt.Println(result[0].Float()) // 输出:75
}

通过MethodByName获取反射世界的method value,然后同样是通过Call方法实现方法Area的调用。

注:reflect目前不支持对非导出方法的调用。

5. 动态创建类型实例

reflect更为强大的功能是可以在运行时动态创建各种类型的实例。下面是在反射世界动态创建各种类型实例的示例。

5.1 基本类型

下面以int、float64和string为例演示一下如何通过reflect在运行时动态创建基本类型的实例。

  • 创建int类型实例
func main() {
    val := reflect.New(reflect.TypeOf(0))
    val.Elem().SetInt(42)
    fmt.Println(val.Elem().Int()) // 输出:42
}
  • 创建float64类型实例
func main() {
    val := reflect.New(reflect.TypeOf(0.0))
    val.Elem().SetFloat(3.14)
    fmt.Println(val.Elem().Float()) // 输出:3.14
}
  • 创建string类型实例
func main() {
    val := reflect.New(reflect.TypeOf(""))
    val.Elem().SetString("hello")
    fmt.Println(val.Elem().String()) // 输出:hello
}

更为复杂的类型的实例,我们继续往下看。

5.2 数组类型

使用reflect在运行时创建一个[3]int类型的数组实例,并设置数组实例各个元素的值:

func main() {
    typ := reflect.ArrayOf(3, reflect.TypeOf(0))
    val := reflect.New(typ)
    arr := val.Elem()
    arr.Index(0).SetInt(1)
    arr.Index(1).SetInt(2)
    arr.Index(2).SetInt(3)
    fmt.Println(arr.Interface()) // 输出:[1 2 3]
    arr1, ok := arr.Interface().([3]int)
    if !ok {
        fmt.Println("not a [3]int")
        return
    }

    fmt.Println(arr1) // [1 2 3]
}

5.3 切片类型

使用reflect在运行时创建一个[]int类型的切片实例,并设置切片实例中各个元素的值:

func main() {
    typ := reflect.SliceOf(reflect.TypeOf(0)) // 切片元素类型
    val := reflect.MakeSlice(typ, 3, 3) // 动态创建切片实例
    val.Index(0).SetInt(1)
    val.Index(1).SetInt(2)
    val.Index(2).SetInt(3)
    fmt.Println(val.Interface()) // 输出:[1 2 3]

    sl, ok := val.Interface().([]int)
    if !ok {
        fmt.Println("sl is not a []int")
        return
    }
    fmt.Println(sl) // [1 2 3]
}

5.4 map类型

使用reflect在运行时创建一个map[string]int类型的实例,并设置map实例中键值对:

func main() {
    typ := reflect.MapOf(reflect.TypeOf(""), reflect.TypeOf(0))
    val := reflect.MakeMap(typ)
    key1 := reflect.ValueOf("one")
    value1 := reflect.ValueOf(1)
    key2 := reflect.ValueOf("two")
    value2 := reflect.ValueOf(2)
    val.SetMapIndex(key1, value1)
    val.SetMapIndex(key2, value2)
    fmt.Println(val.Interface()) // 输出:map[one:1 two:2]

    m, ok := val.Interface().(map[string]int)
    if !ok {
        fmt.Println("m is not a map[string]int")
        return
    }

    fmt.Println(m)
}

5.5 channel类型

使用reflect在运行时创建一个chan int类型的实例,并从该channel实例接收数据:

func main() {
    typ := reflect.ChanOf(reflect.BothDir, reflect.TypeOf(0))
    val := reflect.MakeChan(typ, 0)
    go func() {
        val.Send(reflect.ValueOf(42))
    }()

    ch, ok := val.Interface().(chan int)
    if !ok {
        fmt.Println("ch is not a chan int")
        return
    }
    fmt.Println(<-ch) // 42
}

5.6 结构体类型

使用reflect在运行时创建一个struct类型的实例,并设置该实例的字段值并调用该实例的方法:

type Person struct {
    Name string
    Age  int
}

func (p Person) Greet() {
    fmt.Printf("Hello, my name is %s and I am %d years old\n", p.Name, p.Age)
}

func (p Person) SayHello(name string) {
    fmt.Printf("Hello, %s! My name is %s\n", name, p.Name)
}

func main() {
    typ := reflect.StructOf([]reflect.StructField{
        {
            Name: "Name",
            Type: reflect.TypeOf(""),
        },
        {
            Name: "Age",
            Type: reflect.TypeOf(0),
        },
    })
    ptrVal := reflect.New(typ)
    val := ptrVal.Elem()
    val.FieldByName("Name").SetString("Alice")
    val.FieldByName("Age").SetInt(25)

    person := (*Person)(ptrVal.UnsafePointer())
    person.Greet()         // 输出:Hello, my name is Alice and I am 25 years old
    person.SayHello("Bob") // 输出:Hello, Bob! My name is Alice
}

我们看到:上面代码在反射世界中动态创建了一个带有两个字段Name和Age的struct类型,注意该struct类型与Person并非同一个类型,但他们的内存结构是一致的。这就是上面代码尾部基于反射世界创建出的匿名struct显式转换为Person类型后能正常工作的原因。

注:目前reflect不支持在运行时为动态创建的结构体类型添加新方法。

5.7 指针类型

使用reflect在运行时创建一个指针类型的实例,并通过指针设置其指向内存对象的值:

type Person struct {
    Name string
    Age  int
}

func main() {
    typ := reflect.PtrTo(reflect.TypeOf(Person{}))
    val := reflect.New(typ.Elem())
    val.Elem().FieldByName("Name").SetString("Alice")
    val.Elem().FieldByName("Age").SetInt(25)
    person := val.Interface().(*Person)
    fmt.Println(person.Name) // 输出:Alice
    fmt.Println(person.Age)  // 输出:25
}

5. 反射的使用场景

结合结构体标签,Go反射在实际开发中常用于以下两个场景中:

  • 序列化和反序列化

这是我们最熟悉的场景。

反射机制可以用于将数据结构序列化成二进制或文本格式,或者将序列化后的数据反序列化成原始数据结构。比如标准库的encoding/json包、xml包、gob包等就是使用反射机制实现的。

  • 实现ORM框架

反射机制可以用于在ORM(对象关系映射)中动态创建和修改对象,使得ORM能够根据数据库表结构自动创建对应的Go语言结构体。

注:我的Go语言精进之路一书关于Go反射的讲解中,有一个基于Go对象生成sql语句的例子。

当然reflect的应用不局限在上述场景中,凡是需要在运行时了解类型信息、值信息的都可以尝试使用reflect来实现,比如:编写可以处理多种类型的通用函数(可以用interface{}以及泛型替代)、利用通过reflect.Type.Kind的信息在代码中做类型断言、根据reflect得到的类型信息做代码自动生成等。

下面是一个利用reflect手动解析json的示例,我们来看一下:

6. 利用reflect手解json的例子

请注意:这不是一个可复用的完善的json解析代码,仅仅是为了演示而用。

例子代码如下:

package main

import (
    "fmt"
    "reflect"
    "strings"
)

type Person struct {
    Name      string
    Age       int
    IsStudent bool
}

func main() {
    jsonStr := `{
        "name": "John Doe",
        "age": 30,
        "isStudent": false
    }`

    person := Person{}
    parseJSONToStruct(jsonStr, &person)
    fmt.Printf("%+v\n", person)
}

func parseJSONToStruct(jsonStr string, v interface{}) {
    jsonLines := strings.Split(jsonStr, "\n")
    rv := reflect.ValueOf(v).Elem()

    for _, line := range jsonLines {
        line = strings.TrimSpace(line)
        if strings.HasPrefix(line, "{") || strings.HasPrefix(line, "}") {
            continue
        }

        parts := strings.SplitN(line, ":", 2)
        key := strings.TrimSpace(strings.Trim(parts[0], `"`))
        value := strings.TrimSpace(strings.Trim(parts[1], ","))

        // Find the corresponding field in the struct
        field := rv.FieldByNameFunc(func(fieldName string) bool {
            return strings.EqualFold(fieldName, key)
        })

        if field.IsValid() {
            switch field.Kind() {
            case reflect.String:
                field.SetString(strings.Trim(value, `"`))
            case reflect.Int:
                intValue, _ := strconv.Atoi(value)
                field.SetInt(int64(intValue))
            case reflect.Bool:
                boolValue := strings.ToLower(value) == "true"
                field.SetBool(boolValue)
            }
        }
    }
}

这段代码不是很难理解。

parseJSONToStruct函数首先将JSON字符串按行拆分,然后使用反射机制,获取v所对应的结构体的值,并将其保存在rv变量中。

接下来,函数遍历JSON字符串的每一行,如果该行以{或}开头,则直接跳过。否则,将该行按冒号:拆分成两部分,一部分是键(key),一部分是值(value)。

然后,函数使用反射机制,查找结构体中与该键对应的字段。这里使用了FieldByNameFunc方法,传入一个匿名函数作为参数,用于根据字段名查找对应的字段。如果找到了对应的字段,就根据该字段的类型,将值赋给该字段。这里支持了三种类型的字段:字符串、整数和布尔值。

最终,函数会将解析后的结果保存在v中,由于v是一个空接口类型的变量,实际上保存的是对应结构体的值的指针。所以在函数外部使用v时,需要将其转换为对应的结构体类型。

6. Go反射的不足

Go反射的优点在于它可以帮助我们实现更灵活和可扩展的程序设计。但是,Go反射也存在一些缺陷和局限性。其中,最主要的问题是性能。使用反射可能会导致程序性能下降,因为反射需要进行类型检查和动态分派,进出反射世界也需要额外的内存分配和装箱和拆箱操作。在编写高性能的Go程序时,应尽量避免使用反射机制。

此外,使用反射的代码可读性也相对较差,因为反射代码通常比较复杂和冗长。

7. 小结

Go反射是一种强大和灵活的机制,可以帮助我们实现运行时的类型和值信息获取、值操作、方法/函数调用以及动态创建类型实例,本文涵盖了所有这些操作的方法,希望能给大家带去帮助。

本文中涉及的代码可以在这里下载。


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